高強冷彎型鋼骨架墻體抗剪性能試驗研究

0墻體抗剪性能冷彎薄板結構的住宅結構形式起源于低密度的別墅房屋。由于人類環保意識的增強和森林資源的缺乏，世界各國越來越多地采用冷彎薄板結構作為一種承受系統。該結構通常適用于兩層以下的獨立或三層以下的獨立或聯合住宅，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)冷彎薄壁型鋼結構住宅體系的主要承重構件,在美、日、澳大利亞等國已得到廣泛應用。Tissell,Serrette等人對這種墻體進行了大量的抗剪試驗研究,美國AISI以Serrette和Tissell試驗結果為依據發布了《剪力墻設計指南》,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,即抗剪強度,其數值被眾多規范采納。近年來,這種新型房屋結構體系在我國也開始推廣應用,但國內缺乏OSB板生產工藝以及木材短缺,故一些企業選擇國內生產的高強加勁薄鋼板代替OSB板,其受力性能缺乏深入研究,目前國內還沒有試驗數據可供設計參考。本文對由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行了試驗研究,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加載、無豎向力低周反復加載和有豎向力低周反復加載3種情況下的抗剪承載力,并比較三者的性能差異;分別進行兩種結構板材(帶肋鋼板和紙面石膏板)的單板墻體抗剪試驗和雙板墻體抗剪試驗,測試其各自抗剪強度并比較單板墻體抗剪強度與雙板墻體抗剪強度之間的關系;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鋼材墻體對抗剪性能及承載力的差異;通過本文試驗結果分析比較,對墻體試件抗剪強度和構造提出建議和意見。1試驗介紹1.1c型冷彎型鋼的自鉆螺釘組本次試驗的16塊墻體試件取自博思格建筑系統在實際工程中采用的墻體基本相同的1∶1模型試件,并在試驗現場拼裝制作,試件分組、編號及加載方式見表1。墻體試件的立柱均為C型550MPa高強冷彎型鋼,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;上下導軌為550MPa高強冷彎槽鋼;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的間距外周為150mm,內部為300mm;墻體試件的兩端底角設有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;墻體試件上下導軌在兩端抗拔螺栓之間設置有間距600mm與試驗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置。1.2材料厚度對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量6個,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。材性試驗結果見表2。1.3墻體變形值的計算加豎向荷載的墻體試驗裝置如圖4所示。無豎向荷載的墻體試驗裝置簡圖,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,其中D1、D2分別測試試件加載頂梁和試件頂部隨作動器變化的位移值,D3、D4用于測試試件與加載底座間的相對滑動位移值,D5、D6分別測試試件垂直方向相對地面的位移值,D7、D8分別測試垂直方向底座相對地面的位移值,D9則測試試驗中墻體鋼面板鼓曲;同時,電液伺服作動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.中立柱石膏板支護結構破壞由于石膏板是典型的脆性材料,其強度和韌性均很低,當水平加載還不很大時在中立柱有拼縫的兩塊石膏板就開始出現相對轉動(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重,加載后期螺釘孔處掉渣、損傷很嚴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,在反復加載下螺釘孔很快擴張,墻體中部鋼板接縫破壞最為嚴重(見圖6c)。邊柱腳處由于抗拔錨栓連接件距柱底有50mm的距離,導致該處柱段受力復雜,破壞時邊柱腳畸變比較嚴重。(3)中部鋼板和邊柱柱腳試驗中帶肋鋼板和石膏板所表現出的特征,基本同單面板墻體試件;雙面板墻體整體性好,強度、剛度較高。墻體中部鋼板接縫和邊柱柱腳是墻體的兩個薄弱環節。對于腹板高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重(見圖6e),但最后試件破壞發生在墻體中部接縫處,而非邊柱腳處。(4)抗剪強度的測試雙面無板帶交叉扁鋼拉條支撐墻體的強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,說明墻體兩側的交叉扁鋼拉條對墻體的抗剪強度起很大作用。從破壞現象上看,破壞主要發生在邊柱腳或靠近邊柱腳的下導軌處(見圖6f),這主要是因為扁鋼拉條拉力在水平方向和豎直方向有分力,水平方向分力靠下導軌承擔,豎直方向分力靠錨栓與立柱連接件連接處邊立柱承擔,這樣邊柱腳與靠近邊柱腳的下導軌都是破壞的薄弱環節。2試驗結果及分析2.1墻體側移p-骨架曲線如圖5所示各位移計的布置,試驗過程中墻體頂部實測得到的側移δ0由錨栓拉伸引起墻體轉動時的墻體頂部側移δφ、墻體與臺座相對滑動位移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為試驗中墻體頂部的實際側移,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D3和D4所測位移的的差值,δl=d3-d4;δφ為墻體轉動引起的頂部側移,按圖8所示計算,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D5、D6距墻體端部的距離(見圖5)。利用式(1)計算出的Δ值與對應的水平荷載值P,即可畫出各試件的荷載-位移(P-Δ)曲線,對循環加載墻體將滯回曲線各加載級第一循環的峰點所連成的包絡線就是其P-Δ骨架曲線。各試件的P-Δ曲線及骨架曲線見圖9。2.2荷載側移p-曲線由我國《建筑抗震試驗方法規程》(JGJ101—96),試件所承受的最大荷載Pmax及其變形Δmax是試件的荷載-側移(P-Δ)曲線上荷載最大值時的相應荷載和側移;破壞荷載Pu和相應側移Δu取試件在最大荷載出現后,隨側移的增加而荷載降至最大荷載的85%時的相應荷載和側移(見圖10)。輕鋼組合墻體從早期的加載階段開始,荷載-側移(P-Δ)曲線就是非線性的(無明顯屈服點)。參照文獻規定:對無明顯屈服點的試件,可采用荷載側移(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A作水平線AB,由原點O作割線OD與AB線交于D點,由D點引垂線與曲線OA交于E點,使面積ADCA與面積CFOC相等。則此時的E點即為試件的屈服點,E點對應的荷載為屈服荷載Py,對應的位移為屈服位移Δy。試件的延性系數μ=Δu/Δy。根據文獻及文獻,在小震下輕鋼立柱墻體的層間變形角限值為1/300rad,本試驗數據整理中也得到了墻體剪切變形H/300(即Δ300)時對應的水平荷載P300。各試件的主要試驗結果見表3。2.3柱腹板及立柱腹板抗剪強度的參數分析本次試驗中的試件有兩種不同截面尺寸是針對墻體立柱規格而言,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。下文抗剪強度指的是Pmax對應的抗剪強度Ps。對比所用各項數值見表3。2.3.1同一過載層結構下的同一過載層結構的性能試驗的不同加載方法的比例(1)循環加載試驗①單調加載試件抗剪強度明顯大于反復加載的試件,單調加載試件比循環加載試件抗剪強度提高21.9%～26.8%;②小截面墻體試件有軸壓力循環加載比無軸壓力循環加載抗剪強度提高3.6%;③大截面墻體試件有軸壓力循環加載比無軸壓力循環加載抗剪強度降低3.0%。(2)軸壓力循環加載試驗①單調加載試件比循環加載試件抗剪強度提高14.5%～23.1%;②小截面墻體試件有軸壓力循環加載比無軸壓力循環加載抗剪強度提高14.5%;③大截面墻體試件有軸壓力循環加載比無軸壓力循環加載抗剪強度降低5.2%。(3)試驗對象的兩側無板帶交叉扁鋼帶的支撐墻單調加載試件抗剪強度明顯大于反復加載的試件。由表3可知,單調加載試件比循環加載試件抗剪強度提高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的抗剪強度ps單面石膏板墻體試件的抗剪強度Ps1=4.42kN/m,單面帶肋鋼板墻體試件的抗剪強度Ps2=12.43kN/m,若給單面帶肋鋼板墻體試件的抗剪強度Ps2乘以調整系數η=0.8,則Ps1+0.8×Ps2=14.36kN/m,與雙面板墻體試件的抗剪強度Ps=14.92kN/m比較吻合。(2)與雙面板墻體試件的抗剪強度ps單面石膏板墻體試件的抗剪強度Ps1=4.96kN/m,單面帶肋鋼板墻體試件的抗剪強度Ps2=14.69kN/m,若給單面帶肋鋼板墻體試件的抗剪強度Ps2乘以調整系數η=0.8,Ps1+0.8×Ps2=16.71kN/m,與雙面板墻體試件的抗剪強度Ps=16.74kN/m比較一致。由以上比較可知:單調加載時,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度之和與雙面板墻體試件抗剪強度比較吻合。這是因為這類組合墻體在加載過程中,帶肋鋼板會出現局部剪切屈曲,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度,而雙面板墻體試件中的帶肋鋼板雖然加載過程中也會出現局部剪切屈曲,也有一定的屈曲后強度,但受到墻體另一面石膏板的限制,其屈曲后強度不能象單面帶肋鋼板墻體中的帶肋鋼板那樣充分發揮,導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結果與雙表面板的支撐墻試驗結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度Ps=10.01kN/m,雙面板墻體試件抗剪強度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度Ps=9.00kN/m,雙面板墻體試件抗剪強度Ps=14.91kN/m,前者是后者的60%。2.3.4在同一加載模式下，同一涂層板的結構和幾何部分的橫向試驗單元的負載-放電(1)軸壓力循環加載①單調加載時,大截面比小截面抗剪強度提高18.2%;②無軸壓力循環加載時,大截面比小截面抗剪強度提高21.4%;③有軸壓力循環加載時,大截面比小截面抗剪強度提高13.6%。(2)軸壓力循環加載①單調加載時,大截面比小截面抗剪強度提高12.2%;②無軸壓力循環加載時,大截面比小截面抗剪強度提高10.1%;③有軸壓力循環加載時,大截面與小截面抗剪強度相當;(3)單塊石膏板測試材料單調加載時,大截面比小截面抗剪強度提高12.3%。3結論和建議3.1墻體試件抗剪強度由表3及2.3節分析比較,本次試驗研究得到以下結論:(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度在4.42kN/m～4.96kN/m之間;大截面試件比小截面試件抗剪強度提高12.3%。(2)對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失效而導致荷載最終加不上去;試件的抗剪強度在9.84kN/m～14.69kN/m之間,延性系數在1.568～2.360之間;單調加載試件比循環加載試件抗剪強度提高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失效,石膏板底排螺釘連接失效而導致荷載最終加不上去;試件的抗剪強度在13.03kN/m～16.74kN/m之間,延性系數在1.731～2.384之間;單調加載試件比循環加載試件抗剪強度提高14.5%～2