轻钢框架—加气混凝土砌块组合墙体抗侧试验研究与分析

轻钢框架 － 加气混凝土砌块组合墙体抗侧试验研究与分析

王小平， 朱晓章， 程雅蒙

（武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉430070）

摘 　 要： 　 以由格构冷弯薄壁轻钢框架和加气混凝土砌块填充墙共同构成的组合墙体为研究对象完成了组合墙体、 单纯轻钢框架和单纯填充墙体３个试件的抗侧力试验， 观察各试件在水平荷载作用下的变形过程和破坏形式， 得到３个试件的抗侧极限承载力， 并采用简化方法进行分析和对比。结果表明， 单纯格构轻钢框架水平抗侧承载力和刚度均较低， 而单纯填充墙体尽管初始水平抗侧刚度大， 但墙体没有延性， 且其抗侧极限承载力极低。组合墙体的水平抗侧刚度比单纯轻钢框架高得多， 且其抗侧极限承载力远远大于格构轻钢框架与单纯填充墙体的极限承载力之和。组合墙体和单纯填充墙在水平荷载作用下墙体的破坏形式均为对角线上的斜裂缝内外贯通。三支杆模型适合于组合墙体抗侧极限承载力的计算。

关键词： 格构轻钢框架； 加气混凝土砌块填充墙； 组合墙体； 抗侧力试验 ； 极限承载力

中图分类号：TU 398 文献标识码： 　Ａ 文章编号：1671－4431（2016）06－0066－07

冷弯薄壁轻型钢结构不仅具有传统钢结构承载力高、延性好和质量轻的特点，且生产加工简单，安装方便，从而大大加快了施工速度，并可实现住宅的个性化和多样化，在低层房屋建筑中有着广泛的应用前景。但由于人们对传统的砖混、混凝土结构固有的安全感和归属感，对冷弯薄壁轻型钢结构房屋的承载力和保温隔声性能了解不足，从而一定程度上影响了其推广和应用。轻钢框架－轻混凝土砌块组合墙体是把冷弯薄壁轻钢结构和传统轻质混凝土砌块填充墙相结合的一种做法，由格构冷弯薄壁轻钢框架和加气、发泡混凝土等砌块填充墙共同构成，一般用于低层建筑。其中格构轻钢框架的梁柱均由４根冷弯薄壁方管和标准连接件通过自攻螺钉连接而成。方管壁厚０．８～３ｍｍ，标准连接件厚度１．５ｍｍ以上且大于１．２倍方管壁厚。框架柱的间距视具体情况而定，一般为３ｍ左右，自攻螺钉的型号为ＳＴ５．５以上。组合墙体中的轻混凝土砌块由蒸压加气混凝土、发泡混凝土或其它材料制作而成，砌块抗压强度３～５ＭＰａ，采用水泥砂浆砌筑。格构柱和格构梁的空当内填充发泡混凝土等轻质保温材料。显然，轻钢框架－轻混凝土砌块组合墙体既具有冷弯薄壁轻钢结构和砌体结构固有的优点，又不需要大型的生产安装设备，且造价低，是冷弯薄壁轻型钢结构的一种较好的应用。

国内外对框架－砌块组合墙体的研究主要集中在普通钢框架或混凝土框架。早在１９５６年，Ｐｏｌｙａｋｏｖ［１］就研究了普通钢框架与填充墙构成的组合墙体的受力性能，并提出了等效斜撑这一简化模型。ＥＩ－Ｄａｋｈａ－ｋｈｎｉ［２］认为钢框架内部的砌体填充墙对墙体的强度、刚度和延性都有很大的影响，并用３根带有力学特性的支杆代替组合墙体中的砌体平面，来估算钢框架－混凝土砌块填充墙结构的刚度及极限水平承载力。２００６年，谷倩等［３］对一个１∶２的双层单跨钢框架－填充墙结构模型进行了低周往复加载试验，采用等效三支杆模型对结构进行了简化计算，计算结果与试验数据符合良好。天津大学的许刚［４］针对有墙板、开洞墙板和纯钢框架３种类型的试件进行抗侧力试验，对其在水平荷载作用下的变形特性、滞回曲线和破坏形式进行了观测和记录，并根据有限元模拟的结果，对墙板进行了简化。

以由格构冷弯薄壁轻钢框架和加气混凝土砌块填充墙构成的组合墙体为研究对象，在文献［５］基础上，通过抗侧试验和有限元分析研究其抗侧力性能、破坏形式和承载能力，并与单纯轻钢框架和加气混凝土砌体填充墙的抗侧试验结果进行比较，得出相关结论，为这种组合墙体的应用提供依据。

１　试验

１． １　 试件及材料

抗侧试验一共设计了３个足尺试件，分别为格构冷弯薄壁轻钢框架Ｆ－１、纯加气混凝土砌块填充墙Ｗ－１以及组合墙体Ｗ－２，试件均在试验现场拼装而成。

轻钢框架Ｆ－１为单层单跨的格构式框架，宽２５６０ｍｍ，高３００５ｍｍ，由格构框架梁、格构框架柱、２个Ｌ型连接架及２个柱脚构成，如图１所示。其中格构框架梁和框架柱的轮廓截面尺寸为１５０ｍｍ×１５０ｍｍ，均由４根□４０ｍｍ×４０ｍｍ冷弯薄壁方管和若干标准的Ｉ形冲压连接件通过ＳＴ５．５自攻螺丝连接而成。框架梁中钢管的名义长度和壁厚分别为２２５０ｍｍ和１．２ｍｍ，壁厚实测平均值１．２２ｍｍ；框架柱中钢管的名义长度和壁厚分别为２８５０ｍｍ和１．０ｍｍ，壁厚实测平均值为１．０２ｍｍ。Ｉ型冲压连接件为带凸痕、翻边和引孔的槽形板，截面高１４４ｍｍ，宽９０ｍｍ，板厚１．５ｍｍ，每边通过４个ＳＴ５．５自攻螺丝与钢管连接［５］。

Ｌ型连接架由若干□４５ｍｍ×２ｍｍ冷弯薄壁横竖方管通过焊接而成，而格构框架柱脚则由４根□４５ｍｍ×２ｍｍ冷弯薄壁方管与底板焊接而成，如图２所示。Ｌ型连接架中４根横钢管右端和４根竖钢管下端的外侧面，柱脚中４根短钢管的外侧面分别钻有４个直径为４ｍｍ的引孔，以方便与格构梁柱中的钢管采用ＳＴ５．５（Ｌ＝７５ｍｍ）自攻螺丝贯穿连接。为避免相互碰撞，两相邻外侧面的４个引孔高差为２０ｍｍ。

Ｗ－１为加气混凝土砌体填充墙，墙体高、宽、厚分别为２８３５ｍｍ、２２５０ｍｍ及２００ｍｍ，砌筑在地面钢梁顶面上。加气混凝土砌块尺寸为６００ｍｍ×３００ｍｍ×２００ｍｍ，砌块与砌块、砌块与钢梁之间采用水泥砂浆填缝，水平灰缝宽１５ｍｍ，竖直灰缝宽为２０ｍｍ。

Ｗ－２为格构冷弯薄壁轻钢框架与填充墙体的组合（图３），轻钢框架和填充墙体的做法分别同Ｆ－１和Ｗ－１。格构框架柱四周通过砌筑由砌块切割而成的２０ｍｍ厚薄片后形成空腔，框架梁的两侧则通过木模板形成空腔，梁柱空腔内均灌注名义强度为ＬＣ３.０的发泡混凝土。

抗侧试验３个足尺试件Ｆ－１、Ｗ－１和Ｗ－２中所涉及的材料有４种：钢材、加气混凝土砌块、水泥砂浆及发泡混凝土。

格构轻钢框架柱、梁及Ｉ型连接件分别采用１．０ｍｍ、１．２ｍｍ和１．５ｍｍ厚的冷弯薄壁钢板冷弯和冲压而成，通过拉伸试验，其弹性模量分别为１９０　８９１ＭＰａ、２０１ ７４３ＭＰａ及１８９　１２６ＭＰａ；屈服强度分别为３６０ＭＰａ、３８０ＭＰａ及４５０ＭＰａ；抗拉强度分别为４２５ＭＰａ、４７１ＭＰａ及５６０ＭＰａ。

在加气混凝土砌块上切取６个１００ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍ的试块进行压力试验，并取平均值，得到加气混凝土砌块的立方体抗压强度为２．７６Ｎ／ｍｍ２。再在砌块上切取６个１００ｍｍ×１００ｍｍ×３００ｍｍ的试件，进行轴心抗压试验，得到加气混凝土砌块的弹性模量平均值2087ＭＰａ。

试验所用的水泥砂浆为水泥、砂子和水按１∶５∶１混合而成，所用水泥为４２．５级安宜特快硬硫铝酸盐水泥，砂子为中砂。通过对３个７０ｍｍ×７０ｍｍ×７０ｍｍ的水泥砂浆试块进行的压力试验，得到其立方体抗压强度为11.15ＭＰａ。再取６个７０ｍｍ×７０ｍｍ×２１０ｍｍ的试件，进行轴心抗压试验，得到水泥砂浆的弹性模量为12 839ＭＰａ。

采用与加气混凝土砌块和水泥砂浆相同的测试方法，可得ＬＣ３．０发泡混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度和弹性模量分别为2.0ＭＰａ、1.84ＭＰａ及1 218.1ＭＰａ。

１． ２　 试验装置及加载方法

由于３个足尺试件Ｆ－１、Ｗ－１和Ｗ－２的抗侧极限承载力不大，此次试验直接在自制的抗侧力试验装置中进行，如图４所示。试验装置由三角形反力架、纵向和横向地梁、侧向支撑梁及立柱等部分构成，除通过螺栓连接在立柱和三角架之间的两个侧向支撑采用［１６ａ外，其余杆件均采用Ｈ３００×１５０×８×１０。纵向和横向地梁的下翼缘均通过１２ｍｍ厚的钢压板和间距约为２５０ｍｍ、直径１６ｍｍ的化学螺栓固定在２００ｍｍ厚的钢筋混凝土地面上。地梁分别和三角架反力架及立柱之间焊接。对于格构冷弯薄壁轻钢框架Ｆ－１，其每个柱脚底板通过６个直径为１２ｍｍ的螺栓直接连接在纵向地梁的上翼缘上，并在地梁相应腹板处焊接２个加劲肋；对于纯填充墙Ｗ－１，加气混凝土砌块直接采用水泥砂浆砌筑在纵向地梁的上翼缘表面上；对于组合墙体Ｗ－２，其轻钢框架及填充墙与纵向地梁的连接方法同Ｆ－１和Ｗ－１。另外，两个侧向支撑槽钢分别背靠试件，并与试件表面有５０ｍｍ的间距，加载时在试件两侧的缝隙中悬挂两个可以滚动、直径为４８ｍｍ的圆钢管，既可以起到侧向支撑的作用，又可保证试件不受侧向支撑的约束而自由水平移动，更不会对墙体的极限承载力数值造成影响。

３个抗侧试验均采用２０ｔ千斤顶对试件从右到左施加水平力，对于试件Ｆ－１和Ｗ－２，加载点位于桁架梁的中心位置，对于试件Ｗ－１，其加载点的高度同Ｗ－２。为了解水平荷载的大小，在千斤顶和试件之间加设有压力传感器。试件的另一端与加载点同高的位置设置有数值位移传感器，以测试在不同荷载作用下试件的整体水平位移。

采用荷载控制和位移控制两种方法对试件进行加载。试验加载前期使用荷载控制方法，当千斤顶受力出现回落时改为位移控制加载。由于３个试件的极限承载力相差较多，因此需要针对不同试件采取不同的加载量级。对于纯钢框架Ｆ－１，其预估的水平承载力约为20KN，因此在加载早期按照1.0KN每级进行加载；当试件的侧向水平位移明显增大时，或１０ｋＮ以后，将每级的加载量调整为０．５ｋＮ，直至千斤顶传感器的读数出现回落，此时改为位移控制，每４ｍｍ一级进行加载，直到试件完全破坏。

对于填充墙Ｗ－１，因为预估的极限承载力较低，直接按０．５ｋＮ每级进行加载。对于组合墙体Ｗ－２，预估的承载力为１００ｋＮ，加载初期的荷载量每级取１０ｋＮ，当试件水平位移增量变大，裂缝开展明显时，需适当调小每级的加载量至５．０ｋＮ。当出现千斤顶加不上力的情况时，改为位移控制，按照每２ｍｍ一级进行加载，直到试件完全破坏。

２　 试验现象

对于格构轻钢框架Ｆ－１，加载早期，结构的水平位移及层间位移角便急剧增加。第一级荷载２ｋＮ作用时，测点水平位移已达２３ｍｍ；至１０ｋＮ时，试件的水平位移已达１５０．１ｍｍ，此时层间位移角为１／２０，说明Ｆ－１的自身抗侧力刚度很小。加载至１１．５ｋＮ时，试件左柱的柱脚处受压一侧的矩形钢管出现局部压屈现象（图５）。此时调整加载方法为位移控制，每级位移为４ｍｍ，可以观察到水平推力在１１ｋＮ上下浮动。当水平位移加大至１９１．３ｍｍ，听到金属拉裂的声音，试件右上角梁柱连接架竖向和水平杆件之间的连接焊缝被拉裂（图６），而右框架柱柱脚钢管的受压一侧也出现局部压屈现象。最后试件的极限抗侧承载力为１２ｋＮ。显然，格构轻钢框架的抗侧承载力和刚度均较低。

对于Ｗ－１墙体，加载初期基本没有水平位移。加载至３．５ｋＮ时，墙体出现裂缝，但尚可继续承载。当加载至３．７ｋＮ时，墙体部分砌块与砂浆脱开，形成从右到左沿对角线分布的齿状裂缝（图７），此时墙体的水平位移达到２．６ｍｍ，层间位移角小于１／１　０００。调整加载方式为位移控制后，随着位移的增加，对角线上的齿状裂缝继续扩大直至贯通。Ｗ－１的抗侧承载力仅为３．７ｋＮ。试验说明Ｗ－１的初始抗侧刚度相对较大，但极限承载力很低。

对于Ｗ－２组合墙体，加载早期，墙体基本处于弹性状态，没有观察到裂纹现象，水平位移很小。当水平推力超过２０ｋＮ时，墙体砂浆即开始出现小裂缝；加载至３０ｋＮ时，墙体的水平位移为３．９ｍｍ，对应的层间位移角为１／７６９，墙体对角线上的裂缝已初步形成，墙体已开始进入弹塑性工作

状态，此时加载等级调整为５ｋＮ每级。加载至４０ｋＮ时，组合墙体对角线上出现的斜裂缝进一步扩展，最宽部位已达到３ｍｍ，部分裂缝已经内外贯通，此时墙体的水平位移为７．６ｍｍ，层间位移角为１／３９５。当水平荷载达到５７．５ｋＮ后便开始回落，直至５４．８ｋＮ，此时结构的水平位移由１６ｍｍ增至２４．２ｍｍ，对角线砂浆上的裂缝不断由中部向两个对角开展且宽度明显增加，其中墙体中部的砌块与其左侧砂浆之间的裂缝已达７．０ｍｍ，且在墙体砌块上观察到新的斜裂缝，此时墙体已进入塑性阶段，因此调整加载方法为位移控制加载，每级控制位移为１．０ｍｍ。采用位移加载方法后，墙体所能承受的水平推力呈现震荡和缓慢上升的趋势。当水平位移增加至２８．２ｍｍ，水平荷载增加至５９．７ｋＮ，此时对角线上砂浆的裂缝已发展至左柱脚，部分砌块与砂浆之间已经完全脱开，右上角加载点区域砌块的裂缝发展迅速，对角线上的斜裂缝已内外贯通。继续对墙体施加水平位移至８２．２ｍｍ时，即层间位移角约为１／３７时，墙体的抗侧力达到７３．５ｋＮ的最大值。再继续增加墙体位移，则抗侧力呈现缓慢下降趋势，直至墙体完全破坏，此时墙体对角线上的裂缝已完全从左侧柱脚发展至右侧柱顶，形成一条贯通整个墙体的斜裂缝。轻钢框架尚未发现同Ｆ－１相同的局部压屈或节点撕裂的破坏。图８为Ｗ－２试件破坏前裂缝的分布情况。显然，与Ｆ－１和Ｗ－１相比，Ｗ－２无论是抗侧承载力和刚度均有较大幅度的提高。

３　试件抗侧承载力及刚度的分析和比较

３． １　 试件抗侧承载力和刚度分析

图９为３个试件Ｆ－１、Ｗ－１和Ｗ－２顶点水平推力和水平位移之间的关系曲线，曲线的最高点所对应的试验荷载即为相应试件的抗侧极限承载力。从图９中可知，纯砌块填充墙Ｗ－１的承载力最低，仅为３．７ｋＮ，格构轻钢框架Ｆ－１的抗侧承载力次之，但也只有１２ｋＮ。组合墙体Ｗ－２的抗侧承载力则远远大于试件Ｆ－１和Ｗ－１，达到７３．５ｋＮ，且大于格构轻钢框架Ｆ－１与单纯砌块填充墙Ｗ－１的极限承载力之和，表明组合墙体极限承载力并不是轻钢框架与砌块填充墙两者承载力简单的线性叠加，而是两者之间具有复杂的共同协同作用。

Ｗ－２墙体抗侧承载力最高的原因主要包括两个方面：首先，格构框架梁柱内部的空腔中填充了发泡混凝土使之成为实心构件，由于发泡混凝土的存在，一定程度上可以避免或延缓轻钢构件发生局部屈曲，以此保证钢结构材料性能的充分发挥，从而有效提高框架的整体强度；其次，格构框架与加气混凝土砌块填充墙组成整体后，填充墙对轻钢框架起支撑作用，而轻钢框架对填充墙起约束作用，在两者之间的相互作用下，充分发挥各自的优点，使得组合墙体的整体强度大幅提高。

另外，从图９中还可以直观地看出３个试件Ｆ－１、Ｗ－１和Ｗ－２的抗侧刚度。其中，单纯砌块填充墙Ｗ－１弹性阶段的位移因为太小而未测出，说明其弹性刚度很大，但却持续很短，当水平荷载大于３．５ｋＮ时，墙体即进入塑性阶段。当水平荷载在１１．５ｋＮ以内时，格构轻钢框架Ｆ－１的水平荷载－位移曲线大致为线性关系，说明框架基本处于弹性状态，此时结构抗侧刚度的平均值约为０．０６８　１ｋＮ／ｍｍ；而对于组合墙体Ｗ－２，当水平推力小于２０ｋＮ时，墙体处于弹性状态，相应的抗侧刚度平均值约为１６．０１９ｋＮ／ｍｍ，是轻钢框架Ｆ－１的２３５．２３倍，这说明通过砌块填充墙可以非常有效地提高轻钢框架的抗侧刚度。

分析图９中的３条曲线还可看出：单纯墙体Ｗ－１的刚度尽管很大，但很脆，基本没有延性，且承载力低；轻钢框架Ｆ－１的延性很好，但承载力和刚度都很低。只有Ｗ－２能充分发挥Ｗ－１和Ｆ－１各自的优势，既具有很高的抗侧承载力和刚度，还表现出良好的延性，在低层建筑中具有很好的应用前景。

３． ２　 组合墙体抗侧承载力的简化计算及比较

由试验结果可知，轻钢框架－加气混凝土砌块组合墙体可将轻钢框架延性好、砌块填充墙刚度大的优点结合起来，但是组合墙体的构成比较复杂，其抗侧承载力并不是轻钢框架与砌块填充墙的简单叠加，且现有的规范并没有很好地考虑填充墙对整个结构的影响。文中参照ＥＩ－Ｄａｋｈａｋｈｎｉ［２］的研究成果，提出由轻钢框架和砌块构成的组合墙体的等效三支杆模型（图１０），并采用ＡＢＡＱＵＳ有限元软件建立简化模型进行分析。在建Ｗ－２的有限元模型之前，首先充分利用试验所测得砌块和砂浆的材料力学性能，通过ＡＢＡＱＵＳ有限元软件建模计算出由砌块与砂浆组合成的填充墙分别在受压和受拉状态下的材料特性，即本构关系［５］。在此基础上，同样采用ＡＢＡＱＵＳ软件，把格构轻钢框架中的钢管和Ｉ型连接件简化成杆单元，三支杆分别简化成三维实体元，即可建立组合墙体试件Ｗ－２的三支杆有限元计算模型。图１１为模型在极限状态下三支杆的Ｓ　Ｍｉｓｅｓ应力云图，此时刚架的最大应力已达到钢材的抗拉强度，而三支杆中的两边杆应力较小，应力值仅为０．７Ｎ／ｍｍ２。中间杆则应力最大，分别为２Ｎ／ｍｍ２，已经达到填充墙砌体的抗拉或抗压强度。另外，采用等效三支杆简化模型，组合墙体Ｗ－２的抗侧极限承载力为８３．８ｋＮ，与试验所得极限承载力７３．５ｋＮ的比值为１．１４０，即相差１４％，两者相符较好，证明三支杆简化模型适合于组合墙体极限承载力的计算。

４　结论

ａ．提出的轻钢框架－轻混凝土砌块组合墙体由格构冷弯薄壁轻钢框架和轻混凝土砌块填充墙共同构成，具有冷弯薄壁轻钢结构和砌体结构固有的优点，生产和安装时不需要大型设备，造价低，是冷弯薄壁轻钢结构的一种较好的应用。

ｂ．单纯格构轻钢框架水平抗侧承载力和刚度均较低，其中前者仅为１２ｋＮ，水平荷载作用时其破坏位置为梁柱节点处和柱脚处。单纯填充墙体尽管初始水平抗侧刚度大，但持续时间短，墙体脆，基本没有延性，其抗侧极限承载力极低，仅为３．７ｋＮ。

ｃ．当结构处于弹性状态时，组合墙体的水平抗侧刚度约为单纯轻钢框架的２３５．２３倍，说明通过砌块填充墙可以非常有效地提高轻钢框架的抗侧刚度。

ｄ．组合墙体和单纯砌块填充墙在水平荷载作用下墙体的破坏形式均为对角线上的斜裂缝内外贯通。

ｅ．组合墙体的抗侧极限承载力达到７３．５ｋＮ，远远大于格构轻钢框架与单纯填充墙体的极限承载力之和，表明两者之间的相互作用能充分发挥两者的优点，有效提高了组合墙体的水平极限承载力。

ｆ ． 三支杆模型适合于由轻钢框架和轻混凝土砌块组合墙体抗侧极限承载力的计算。