高強(qiáng)冷彎型鋼骨架墻體抗剪性能試驗(yàn)研究

0墻體抗剪性能冷彎薄板結(jié)構(gòu)的住宅結(jié)構(gòu)形式起源于低密度的別墅房屋。由于人類環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和森林資源的缺乏，世界各國越來越多地采用冷彎薄板結(jié)構(gòu)作為一種承受系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)通常適用于兩層以下的獨(dú)立或三層以下的獨(dú)立或聯(lián)合住宅，墻體立柱的距離為400600mm。以C型冷彎薄壁型鋼立柱和石膏板、定向刨花板(OSB板)組成的墻體,是低層(1～3層)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的主要承重構(gòu)件,在美、日、澳大利亞等國已得到廣泛應(yīng)用。Tissell,Serrette等人對(duì)這種墻體進(jìn)行了大量的抗剪試驗(yàn)研究,美國AISI以Serrette和Tissell試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)發(fā)布了《剪力墻設(shè)計(jì)指南》,給出了不同高寬比,不同墻面板類型,不同螺釘類型、間距,有或無十字支撐的冷彎型鋼骨架墻體單位長度的最大剪力,即抗剪強(qiáng)度,其數(shù)值被眾多規(guī)范采納。近年來,這種新型房屋結(jié)構(gòu)體系在我國也開始推廣應(yīng)用,但國內(nèi)缺乏OSB板生產(chǎn)工藝以及木材短缺,故一些企業(yè)選擇國內(nèi)生產(chǎn)的高強(qiáng)加勁薄鋼板代替OSB板,其受力性能缺乏深入研究,目前國內(nèi)還沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)可供設(shè)計(jì)參考。本文對(duì)由550MPaC型冷彎薄壁型鋼立柱、550MPa冷彎薄壁帶肋鋼板和紙面石膏板組成的16塊墻體的抗剪性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,其主要目的是:測試立柱間距為600mm和兩種不同截面尺寸、高為3m的墻體試件,在無豎向力水平單調(diào)加載、無豎向力低周反復(fù)加載和有豎向力低周反復(fù)加載3種情況下的抗剪承載力,并比較三者的性能差異;分別進(jìn)行兩種結(jié)構(gòu)板材(帶肋鋼板和紙面石膏板)的單板墻體抗剪試驗(yàn)和雙板墻體抗剪試驗(yàn),測試其各自抗剪強(qiáng)度并比較單板墻體抗剪強(qiáng)度與雙板墻體抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系;考察無墻板立柱間距為600mm帶交叉扁鋼拉條支撐的墻體抗剪承載能力;研究并比較立柱間距為600mm兩種不同立柱截面尺寸高強(qiáng)鋼材墻體對(duì)抗剪性能及承載力的差異;通過本文試驗(yàn)結(jié)果分析比較,對(duì)墻體試件抗剪強(qiáng)度和構(gòu)造提出建議和意見。1試驗(yàn)介紹1.1c型冷彎型鋼的自鉆螺釘組本次試驗(yàn)的16塊墻體試件取自博思格建筑系統(tǒng)在實(shí)際工程中采用的墻體基本相同的1∶1模型試件,并在試驗(yàn)現(xiàn)場拼裝制作,試件分組、編號(hào)及加載方式見表1。墻體試件的立柱均為C型550MPa高強(qiáng)冷彎型鋼,有兩種截面尺寸,立柱腹板上有兩道加勁肋,立柱間距均為600mm;上下導(dǎo)軌為550MPa高強(qiáng)冷彎槽鋼;墻體試件中間3根立柱為單根C型冷彎型鋼;兩側(cè)邊立柱為兩根背靠背的C型冷彎型鋼,通過在型鋼腹板上用單排平頭自攻自鉆螺釘(直徑4.8mm)間距600mm連接成工字型截面;各類立柱、導(dǎo)軌尺寸見圖1,墻體試件骨架見圖2,帶肋鋼板截面圖見圖3。紙面石膏板厚度12mm,高寬尺寸為3m×1.2m,用十字喇叭頭自攻自鉆螺釘(直徑3.6mm)與立柱連接,石膏板在中間立柱有一道豎向拼縫;550MPa高強(qiáng)帶肋鋼板厚度0.42mm,長寬尺寸為2.4m×0.9m,用平頭自攻自鉆螺釘(直徑4.8mm)與立柱橫向鋪置連接;墻體面板與立柱連接自攻螺釘?shù)拈g距外周為150mm,內(nèi)部為300mm;墻體試件的兩端底角設(shè)有M16抗拔螺栓,通過專用帶懸臂板的抗拔連接件用六角螺釘(直徑4.8mm)連接在邊柱腹板上,由于立柱端部構(gòu)造原因墻體試件抗拔連接件距柱底面50mm,雙面無板帶交叉扁鋼拉條支撐墻體試件抗拔連接件距柱底85mm;墻體試件上下導(dǎo)軌在兩端抗拔螺栓之間設(shè)置有間距600mm與試驗(yàn)架頂梁和地梁連接的M12的固定螺栓;有帶肋鋼板的墻體,由于帶肋鋼板尺寸限制,帶肋鋼板需要互相搭接,搭接間距750mm,在搭接處用間距150mm自攻螺釘連接。交叉扁鋼拉條支撐寬75mm,厚1mm,在墻體試件兩面均設(shè)置。1.2材料厚度對(duì)試件尺寸的影響試件中鋼材為550MPa鍍鋁鋅板材,單面鍍層厚度約20～30μm,基材厚度為t=0.42、0.75、1.0mm三種,每種厚度制作試件數(shù)量6個(gè),同一種厚度的試件取自于同一批鋼板,試件取樣均為平行軋制方向。材性試驗(yàn)結(jié)果見表2。1.3墻體變形值的計(jì)算加豎向荷載的墻體試驗(yàn)裝置如圖4所示。無豎向荷載的墻體試驗(yàn)裝置簡圖,去掉如圖4中千斤頂、加載分配梁等,其余相同。為了測試墻體抗剪試驗(yàn)中試件、加載裝置等各部位的變形值,并通過這些變形值間的關(guān)系換算出墻體的凈剪切變形值,各試件分別按圖5所示布置了位移計(jì),其中D1、D2分別測試試件加載頂梁和試件頂部隨作動(dòng)器變化的位移值,D3、D4用于測試試件與加載底座間的相對(duì)滑動(dòng)位移值,D5、D6分別測試試件垂直方向相對(duì)地面的位移值,D7、D8分別測試垂直方向底座相對(duì)地面的位移值,D9則測試試驗(yàn)中墻體鋼面板鼓曲;同時(shí),電液伺服作動(dòng)器自身的位移傳感器記錄的位移值為W。1.4破壞特征及分析(1)c.中立柱石膏板支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞由于石膏板是典型的脆性材料,其強(qiáng)度和韌性均很低,當(dāng)水平加載還不很大時(shí)在中立柱有拼縫的兩塊石膏板就開始出現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)(見圖6a),螺釘連接處的石膏板材料就開始破壞,墻體周邊破壞尤為嚴(yán)重,加載后期螺釘孔處掉渣、損傷很嚴(yán)重并伴隨有邊柱腳輕微畸變。(2)斜向剪切屈曲帶肋鋼板比石膏板的韌性好的多,故其承載力比單面石膏板墻體高的多。但由于帶肋鋼板厚度只有0.42mm,平面外剛度比較差,因而在加載初期就出現(xiàn)了斜向剪切屈曲波紋(見圖6b)。帶肋鋼板與螺釘連接處靠鋼板與螺釘承壓傳遞剪力,在反復(fù)加載下螺釘孔很快擴(kuò)張,墻體中部鋼板接縫破壞最為嚴(yán)重(見圖6c)。邊柱腳處由于抗拔錨栓連接件距柱底有50mm的距離,導(dǎo)致該處柱段受力復(fù)雜,破壞時(shí)邊柱腳畸變比較嚴(yán)重。(3)中部鋼板和邊柱柱腳試驗(yàn)中帶肋鋼板和石膏板所表現(xiàn)出的特征,基本同單面板墻體試件;雙面板墻體整體性好,強(qiáng)度、剛度較高。墻體中部鋼板接縫和邊柱柱腳是墻體的兩個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。對(duì)于腹板高75mm的小截面立柱墻體,由于立柱截面小,往往在柱腳抗拔錨栓連接件最上一排螺釘處邊柱凈截面斷裂(見圖6d);對(duì)于腹板高102mm大截面立柱墻體,由于立柱截面大,盡管加載后期邊柱腳畸變嚴(yán)重(見圖6e),但最后試件破壞發(fā)生在墻體中部接縫處,而非邊柱腳處。(4)抗剪強(qiáng)度的測試雙面無板帶交叉扁鋼拉條支撐墻體的強(qiáng)度接近單面帶肋鋼板墻體,比單面石膏板墻體抗剪承載力高的多,說明墻體兩側(cè)的交叉扁鋼拉條對(duì)墻體的抗剪強(qiáng)度起很大作用。從破壞現(xiàn)象上看,破壞主要發(fā)生在邊柱腳或靠近邊柱腳的下導(dǎo)軌處(見圖6f),這主要是因?yàn)楸怃摾瓧l拉力在水平方向和豎直方向有分力,水平方向分力靠下導(dǎo)軌承擔(dān),豎直方向分力靠錨栓與立柱連接件連接處邊立柱承擔(dān),這樣邊柱腳與靠近邊柱腳的下導(dǎo)軌都是破壞的薄弱環(huán)節(jié)。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1墻體側(cè)移p-骨架曲線如圖5所示各位移計(jì)的布置,試驗(yàn)過程中墻體頂部實(shí)測得到的側(cè)移δ0由錨栓拉伸引起墻體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的墻體頂部側(cè)移δφ、墻體與臺(tái)座相對(duì)滑動(dòng)位移δl以及墻體的剪切變形δ三部分組成(如圖7所示)。墻體的剪切變形δ包括面板的剪切變形和螺釘連接處的累積變形。則墻體頂部的凈側(cè)移,即剪切變形為Δ=δ=δ0?δl?δφ(1)Δ=δ=δ0-δl-δφ(1)式(1)中,δ0為試驗(yàn)中墻體頂部的實(shí)際側(cè)移,δ0=HH?A×d2+d12δ0=ΗΗ-A×d2+d12,其中,H表示墻高,A表示D1與D2之間的距離;d1、d2分別表示位移計(jì)D1、D2測得的位移值,后文相同;δl為試件的水平滑移,即位移計(jì)D3和D4所測位移的的差值,δl=d3-d4;δφ為墻體轉(zhuǎn)動(dòng)引起的頂部側(cè)移,按圖8所示計(jì)算,δφ=HL+B+C?δαδφ=ΗL+B+C?δα,其中,δα=(d6?d8)?(d5?d7)?Lδα=(d6-d8)-(d5-d7)?L為墻體寬度,B、C分別代表位移計(jì)D5、D6距墻體端部的距離(見圖5)。利用式(1)計(jì)算出的Δ值與對(duì)應(yīng)的水平荷載值P,即可畫出各試件的荷載-位移(P-Δ)曲線,對(duì)循環(huán)加載墻體將滯回曲線各加載級(jí)第一循環(huán)的峰點(diǎn)所連成的包絡(luò)線就是其P-Δ骨架曲線。各試件的P-Δ曲線及骨架曲線見圖9。2.2荷載側(cè)移p-曲線由我國《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(JGJ101—96),試件所承受的最大荷載Pmax及其變形Δmax是試件的荷載-側(cè)移(P-Δ)曲線上荷載最大值時(shí)的相應(yīng)荷載和側(cè)移;破壞荷載Pu和相應(yīng)側(cè)移Δu取試件在最大荷載出現(xiàn)后,隨側(cè)移的增加而荷載降至最大荷載的85%時(shí)的相應(yīng)荷載和側(cè)移(見圖10)。輕鋼組合墻體從早期的加載階段開始,荷載-側(cè)移(P-Δ)曲線就是非線性的(無明顯屈服點(diǎn))。參照文獻(xiàn)規(guī)定:對(duì)無明顯屈服點(diǎn)的試件,可采用荷載側(cè)移(P-Δ)曲線的能量等效面積法確定屈服荷載Py、屈服位移Δy。具體方法是(見圖10):由Pmax點(diǎn)A作水平線AB,由原點(diǎn)O作割線OD與AB線交于D點(diǎn),由D點(diǎn)引垂線與曲線OA交于E點(diǎn),使面積ADCA與面積CFOC相等。則此時(shí)的E點(diǎn)即為試件的屈服點(diǎn),E點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載為屈服荷載Py,對(duì)應(yīng)的位移為屈服位移Δy。試件的延性系數(shù)μ=Δu/Δy。根據(jù)文獻(xiàn)及文獻(xiàn),在小震下輕鋼立柱墻體的層間變形角限值為1/300rad,本試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理中也得到了墻體剪切變形H/300(即Δ300)時(shí)對(duì)應(yīng)的水平荷載P300。各試件的主要試驗(yàn)結(jié)果見表3。2.3柱腹板及立柱腹板抗剪強(qiáng)度的參數(shù)分析本次試驗(yàn)中的試件有兩種不同截面尺寸是針對(duì)墻體立柱規(guī)格而言,即立柱腹板高102mm、厚1.00mm和立柱腹板高75mm、厚0.75mm,以下比較分析中將前者定義為大截面,后者為小截面。下文抗剪強(qiáng)度指的是Pmax對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度Ps。對(duì)比所用各項(xiàng)數(shù)值見表3。2.3.1同一過載層結(jié)構(gòu)下的同一過載層結(jié)構(gòu)的性能試驗(yàn)的不同加載方法的比例(1)循環(huán)加載試驗(yàn)①單調(diào)加載試件抗剪強(qiáng)度明顯大于反復(fù)加載的試件,單調(diào)加載試件比循環(huán)加載試件抗剪強(qiáng)度提高21.9%～26.8%;②小截面墻體試件有軸壓力循環(huán)加載比無軸壓力循環(huán)加載抗剪強(qiáng)度提高3.6%;③大截面墻體試件有軸壓力循環(huán)加載比無軸壓力循環(huán)加載抗剪強(qiáng)度降低3.0%。(2)軸壓力循環(huán)加載試驗(yàn)①單調(diào)加載試件比循環(huán)加載試件抗剪強(qiáng)度提高14.5%～23.1%;②小截面墻體試件有軸壓力循環(huán)加載比無軸壓力循環(huán)加載抗剪強(qiáng)度提高14.5%;③大截面墻體試件有軸壓力循環(huán)加載比無軸壓力循環(huán)加載抗剪強(qiáng)度降低5.2%。(3)試驗(yàn)對(duì)象的兩側(cè)無板帶交叉扁鋼帶的支撐墻單調(diào)加載試件抗剪強(qiáng)度明顯大于反復(fù)加載的試件。由表3可知,單調(diào)加載試件比循環(huán)加載試件抗剪強(qiáng)度提高11.2%。2.3.2單面板和雙面板之間的過載比較(1)雙面板墻體試件與ps2的抗剪強(qiáng)度ps單面石膏板墻體試件的抗剪強(qiáng)度Ps1=4.42kN/m,單面帶肋鋼板墻體試件的抗剪強(qiáng)度Ps2=12.43kN/m,若給單面帶肋鋼板墻體試件的抗剪強(qiáng)度Ps2乘以調(diào)整系數(shù)η=0.8,則Ps1+0.8×Ps2=14.36kN/m,與雙面板墻體試件的抗剪強(qiáng)度Ps=14.92kN/m比較吻合。(2)與雙面板墻體試件的抗剪強(qiáng)度ps單面石膏板墻體試件的抗剪強(qiáng)度Ps1=4.96kN/m,單面帶肋鋼板墻體試件的抗剪強(qiáng)度Ps2=14.69kN/m,若給單面帶肋鋼板墻體試件的抗剪強(qiáng)度Ps2乘以調(diào)整系數(shù)η=0.8,Ps1+0.8×Ps2=16.71kN/m,與雙面板墻體試件的抗剪強(qiáng)度Ps=16.74kN/m比較一致。由以上比較可知:單調(diào)加載時(shí),單面石膏板墻體試件與0.8倍的單面帶肋鋼板墻體試件的抗剪強(qiáng)度之和與雙面板墻體試件抗剪強(qiáng)度比較吻合。這是因?yàn)檫@類組合墻體在加載過程中,帶肋鋼板會(huì)出現(xiàn)局部剪切屈曲,單面帶肋鋼板墻體試件中的帶肋鋼板剪切屈曲后在鋼板上形成拉力場,使鋼板具有很大的屈曲后強(qiáng)度,而雙面板墻體試件中的帶肋鋼板雖然加載過程中也會(huì)出現(xiàn)局部剪切屈曲,也有一定的屈曲后強(qiáng)度,但受到墻體另一面石膏板的限制,其屈曲后強(qiáng)度不能象單面帶肋鋼板墻體中的帶肋鋼板那樣充分發(fā)揮,導(dǎo)致雙面板墻體抗剪承載力比兩單面板墻體抗剪承載力之和低。2.3.3雙表面無板帶橫向扁鋼帶的支撐墻試驗(yàn)結(jié)果與雙表面板的支撐墻試驗(yàn)結(jié)果之間的比較因雙面無板帶交叉扁鋼拉條支撐墻體試件只有小截面,故只和小截面雙面板墻體試件作比較。(1)雙面板墻體試件雙面無板帶交叉扁鋼拉條支撐墻體試件抗剪強(qiáng)度Ps=10.01kN/m,雙面板墻體試件抗剪強(qiáng)度Ps=14.92kN/m,前者是后者的67%。(2)雙面板墻體抗剪性能雙面無板帶交叉扁鋼拉條支撐墻體試件抗剪強(qiáng)度Ps=9.00kN/m,雙面板墻體試件抗剪強(qiáng)度Ps=14.91kN/m,前者是后者的60%。2.3.4在同一加載模式下，同一涂層板的結(jié)構(gòu)和幾何部分的橫向試驗(yàn)單元的負(fù)載-放電(1)軸壓力循環(huán)加載①單調(diào)加載時(shí),大截面比小截面抗剪強(qiáng)度提高18.2%;②無軸壓力循環(huán)加載時(shí),大截面比小截面抗剪強(qiáng)度提高21.4%;③有軸壓力循環(huán)加載時(shí),大截面比小截面抗剪強(qiáng)度提高13.6%。(2)軸壓力循環(huán)加載①單調(diào)加載時(shí),大截面比小截面抗剪強(qiáng)度提高12.2%;②無軸壓力循環(huán)加載時(shí),大截面比小截面抗剪強(qiáng)度提高10.1%;③有軸壓力循環(huán)加載時(shí),大截面與小截面抗剪強(qiáng)度相當(dāng);(3)單塊石膏板測試材料單調(diào)加載時(shí),大截面比小截面抗剪強(qiáng)度提高12.3%。3結(jié)論和建議3.1墻體試件抗剪強(qiáng)度由表3及2.3節(jié)分析比較,本次試驗(yàn)研究得到以下結(jié)論:(1)石膏板為典型的脆性材料,其韌性較差,試件破壞是由于連接石膏板的周邊螺釘失效,荷載加不上去;單面石膏板墻體試件抗剪強(qiáng)度在4.42kN/m～4.96kN/m之間;大截面試件比小截面試件抗剪強(qiáng)度提高12.3%。(2)對(duì)于單面帶肋鋼板墻體,由于鋼板材料的韌性較好,試件破壞是由于墻體中部鋼板搭接處螺釘逐個(gè)失效而導(dǎo)致荷載最終加不上去;試件的抗剪強(qiáng)度在9.84kN/m～14.69kN/m之間,延性系數(shù)在1.568～2.360之間;單調(diào)加載試件比循環(huán)加載試件抗剪強(qiáng)度提高21.9%～26.8%。(3)雙面板墻體試件破壞是由于墻體中部鋼板搭接處螺釘逐個(gè)失效,石膏板底排螺釘連接失效而導(dǎo)致荷載最終加不上去;試件的抗剪強(qiáng)度在13.03kN/m～16.74kN/m之間,延性系數(shù)在1.731～2.384之間;單調(diào)加載試件比循環(huán)加載試件抗剪強(qiáng)度提高14.5%～2