高强冷弯型钢骨架墙体抗剪性能试验研究

高强冷弯型钢骨架墙体抗剪性能试验研究

0墙体抗剪性能冷弯薄板结构的住宅结构形式起源于低密度的别墅房屋。由于人类环保意识的增强和森林资源的缺乏，世界各国越来越多地采用冷弯薄板结构作为一种承受系统。该结构通常适用于两层以下的独立或三层以下的独立或联合住宅，墙体立柱的距离为400600mm。以C型冷弯薄壁型钢立柱和石膏板、定向刨花板(OSB板)组成的墙体,是低层(1～3层)冷弯薄壁型钢结构住宅体系的主要承重构件,在美、日、澳大利亚等国已得到广泛应用。Tissell,Serrette等人对这种墙体进行了大量的抗剪试验研究,美国AISI以Serrette和Tissell试验结果为依据发布了《剪力墙设计指南》,给出了不同高宽比,不同墙面板类型,不同螺钉类型、间距,有或无十字支撑的冷弯型钢骨架墙体单位长度的最大剪力,即抗剪强度,其数值被众多规范采纳。近年来,这种新型房屋结构体系在我国也开始推广应用,但国内缺乏OSB板生产工艺以及木材短缺,故一些企业选择国内生产的高强加劲薄钢板代替OSB板,其受力性能缺乏深入研究,目前国内还没有试验数据可供设计参考。本文对由550MPaC型冷弯薄壁型钢立柱、550MPa冷弯薄壁带肋钢板和纸面石膏板组成的16块墙体的抗剪性能进行了试验研究,其主要目的是:测试立柱间距为600mm和两种不同截面尺寸、高为3m的墙体试件,在无竖向力水平单调加载、无竖向力低周反复加载和有竖向力低周反复加载3种情况下的抗剪承载力,并比较三者的性能差异;分别进行两种结构板材(带肋钢板和纸面石膏板)的单板墙体抗剪试验和双板墙体抗剪试验,测试其各自抗剪强度并比较单板墙体抗剪强度与双板墙体抗剪强度之间的关系;考察无墙板立柱间距为600mm带交叉扁钢拉条支撑的墙体抗剪承载能力;研究并比较立柱间距为600mm两种不同立柱截面尺寸高强钢材墙体对抗剪性能及承载力的差异;通过本文试验结果分析比较,对墙体试件抗剪强度和构造提出建议和意见。1试验介绍1.1c型冷弯型钢的自钻螺钉组本次试验的16块墙体试件取自博思格建筑系统在实际工程中采用的墙体基本相同的1∶1模型试件,并在试验现场拼装制作,试件分组、编号及加载方式见表1。墙体试件的立柱均为C型550MPa高强冷弯型钢,有两种截面尺寸,立柱腹板上有两道加劲肋,立柱间距均为600mm;上下导轨为550MPa高强冷弯槽钢;墙体试件中间3根立柱为单根C型冷弯型钢;两侧边立柱为两根背靠背的C型冷弯型钢,通过在型钢腹板上用单排平头自攻自钻螺钉(直径4.8mm)间距600mm连接成工字型截面;各类立柱、导轨尺寸见图1,墙体试件骨架见图2,带肋钢板截面图见图3。纸面石膏板厚度12mm,高宽尺寸为3m×1.2m,用十字喇叭头自攻自钻螺钉(直径3.6mm)与立柱连接,石膏板在中间立柱有一道竖向拼缝;550MPa高强带肋钢板厚度0.42mm,长宽尺寸为2.4m×0.9m,用平头自攻自钻螺钉(直径4.8mm)与立柱横向铺置连接;墙体面板与立柱连接自攻螺钉的间距外周为150mm,内部为300mm;墙体试件的两端底角设有M16抗拔螺栓,通过专用带悬臂板的抗拔连接件用六角螺钉(直径4.8mm)连接在边柱腹板上,由于立柱端部构造原因墙体试件抗拔连接件距柱底面50mm,双面无板带交叉扁钢拉条支撑墙体试件抗拔连接件距柱底85mm;墙体试件上下导轨在两端抗拔螺栓之间设置有间距600mm与试验架顶梁和地梁连接的M12的固定螺栓;有带肋钢板的墙体,由于带肋钢板尺寸限制,带肋钢板需要互相搭接,搭接间距750mm,在搭接处用间距150mm自攻螺钉连接。交叉扁钢拉条支撑宽75mm,厚1mm,在墙体试件两面均设置。1.2材料厚度对试件尺寸的影响试件中钢材为550MPa镀铝锌板材,单面镀层厚度约20～30μm,基材厚度为t=0.42、0.75、1.0mm三种,每种厚度制作试件数量6个,同一种厚度的试件取自于同一批钢板,试件取样均为平行轧制方向。材性试验结果见表2。1.3墙体变形值的计算加竖向荷载的墙体试验装置如图4所示。无竖向荷载的墙体试验装置简图,去掉如图4中千斤顶、加载分配梁等,其余相同。为了测试墙体抗剪试验中试件、加载装置等各部位的变形值,并通过这些变形值间的关系换算出墙体的净剪切变形值,各试件分别按图5所示布置了位移计,其中D1、D2分别测试试件加载顶梁和试件顶部随作动器变化的位移值,D3、D4用于测试试件与加载底座间的相对滑动位移值,D5、D6分别测试试件垂直方向相对地面的位移值,D7、D8分别测试垂直方向底座相对地面的位移值,D9则测试试验中墙体钢面板鼓曲;同时,电液伺服作动器自身的位移传感器记录的位移值为W。1.4破坏特征及分析(1)c.中立柱石膏板支护结构破坏由于石膏板是典型的脆性材料,其强度和韧性均很低,当水平加载还不很大时在中立柱有拼缝的两块石膏板就开始出现相对转动(见图6a),螺钉连接处的石膏板材料就开始破坏,墙体周边破坏尤为严重,加载后期螺钉孔处掉渣、损伤很严重并伴随有边柱脚轻微畸变。(2)斜向剪切屈曲带肋钢板比石膏板的韧性好的多,故其承载力比单面石膏板墙体高的多。但由于带肋钢板厚度只有0.42mm,平面外刚度比较差,因而在加载初期就出现了斜向剪切屈曲波纹(见图6b)。带肋钢板与螺钉连接处靠钢板与螺钉承压传递剪力,在反复加载下螺钉孔很快扩张,墙体中部钢板接缝破坏最为严重(见图6c)。边柱脚处由于抗拔锚栓连接件距柱底有50mm的距离,导致该处柱段受力复杂,破坏时边柱脚畸变比较严重。(3)中部钢板和边柱柱脚试验中带肋钢板和石膏板所表现出的特征,基本同单面板墙体试件;双面板墙体整体性好,强度、刚度较高。墙体中部钢板接缝和边柱柱脚是墙体的两个薄弱环节。对于腹板高75mm的小截面立柱墙体,由于立柱截面小,往往在柱脚抗拔锚栓连接件最上一排螺钉处边柱净截面断裂(见图6d);对于腹板高102mm大截面立柱墙体,由于立柱截面大,尽管加载后期边柱脚畸变严重(见图6e),但最后试件破坏发生在墙体中部接缝处,而非边柱脚处。(4)抗剪强度的测试双面无板带交叉扁钢拉条支撑墙体的强度接近单面带肋钢板墙体,比单面石膏板墙体抗剪承载力高的多,说明墙体两侧的交叉扁钢拉条对墙体的抗剪强度起很大作用。从破坏现象上看,破坏主要发生在边柱脚或靠近边柱脚的下导轨处(见图6f),这主要是因为扁钢拉条拉力在水平方向和竖直方向有分力,水平方向分力靠下导轨承担,竖直方向分力靠锚栓与立柱连接件连接处边立柱承担,这样边柱脚与靠近边柱脚的下导轨都是破坏的薄弱环节。2试验结果及分析2.1墙体侧移p-骨架曲线如图5所示各位移计的布置,试验过程中墙体顶部实测得到的侧移δ0由锚栓拉伸引起墙体转动时的墙体顶部侧移δφ、墙体与台座相对滑动位移δl以及墙体的剪切变形δ三部分组成(如图7所示)。墙体的剪切变形δ包括面板的剪切变形和螺钉连接处的累积变形。则墙体顶部的净侧移,即剪切变形为Δ=δ=δ0−δl−δφ(1)Δ=δ=δ0-δl-δφ(1)式(1)中,δ0为试验中墙体顶部的实际侧移,δ0=HH−A×d2+d12δ0=ΗΗ-A×d2+d12,其中,H表示墙高,A表示D1与D2之间的距离;d1、d2分别表示位移计D1、D2测得的位移值,后文相同;δl为试件的水平滑移,即位移计D3和D4所测位移的的差值,δl=d3-d4;δφ为墙体转动引起的顶部侧移,按图8所示计算,δφ=HL+B+C⋅δαδφ=ΗL+B+C⋅δα,其中,δα=(d6−d8)−(d5−d7)‚Lδα=(d6-d8)-(d5-d7)‚L为墙体宽度,B、C分别代表位移计D5、D6距墙体端部的距离(见图5)。利用式(1)计算出的Δ值与对应的水平荷载值P,即可画出各试件的荷载-位移(P-Δ)曲线,对循环加载墙体将滞回曲线各加载级第一循环的峰点所连成的包络线就是其P-Δ骨架曲线。各试件的P-Δ曲线及骨架曲线见图9。2.2荷载侧移p-曲线由我国《建筑抗震试验方法规程》(JGJ101—96),试件所承受的最大荷载Pmax及其变形Δmax是试件的荷载-侧移(P-Δ)曲线上荷载最大值时的相应荷载和侧移;破坏荷载Pu和相应侧移Δu取试件在最大荷载出现后,随侧移的增加而荷载降至最大荷载的85%时的相应荷载和侧移(见图10)。轻钢组合墙体从早期的加载阶段开始,荷载-侧移(P-Δ)曲线就是非线性的(无明显屈服点)。参照文献规定:对无明显屈服点的试件,可采用荷载侧移(P-Δ)曲线的能量等效面积法确定屈服荷载Py、屈服位移Δy。具体方法是(见图10):由Pmax点A作水平线AB,由原点O作割线OD与AB线交于D点,由D点引垂线与曲线OA交于E点,使面积ADCA与面积CFOC相等。则此时的E点即为试件的屈服点,E点对应的荷载为屈服荷载Py,对应的位移为屈服位移Δy。试件的延性系数μ=Δu/Δy。根据文献及文献,在小震下轻钢立柱墙体的层间变形角限值为1/300rad,本试验数据整理中也得到了墙体剪切变形H/300(即Δ300)时对应的水平荷载P300。各试件的主要试验结果见表3。2.3柱腹板及立柱腹板抗剪强度的参数分析本次试验中的试件有两种不同截面尺寸是针对墙体立柱规格而言,即立柱腹板高102mm、厚1.00mm和立柱腹板高75mm、厚0.75mm,以下比较分析中将前者定义为大截面,后者为小截面。下文抗剪强度指的是Pmax对应的抗剪强度Ps。对比所用各项数值见表3。2.3.1同一过载层结构下的同一过载层结构的性能试验的不同加载方法的比例(1)循环加载试验①单调加载试件抗剪强度明显大于反复加载的试件,单调加载试件比循环加载试件抗剪强度提高21.9%～26.8%;②小截面墙体试件有轴压力循环加载比无轴压力循环加载抗剪强度提高3.6%;③大截面墙体试件有轴压力循环加载比无轴压力循环加载抗剪强度降低3.0%。(2)轴压力循环加载试验①单调加载试件比循环加载试件抗剪强度提高14.5%～23.1%;②小截面墙体试件有轴压力循环加载比无轴压力循环加载抗剪强度提高14.5%;③大截面墙体试件有轴压力循环加载比无轴压力循环加载抗剪强度降低5.2%。(3)试验对象的两侧无板带交叉扁钢带的支撑墙单调加载试件抗剪强度明显大于反复加载的试件。由表3可知,单调加载试件比循环加载试件抗剪强度提高11.2%。2.3.2单面板和双面板之间的过载比较(1)双面板墙体试件与ps2的抗剪强度ps单面石膏板墙体试件的抗剪强度Ps1=4.42kN/m,单面带肋钢板墙体试件的抗剪强度Ps2=12.43kN/m,若给单面带肋钢板墙体试件的抗剪强度Ps2乘以调整系数η=0.8,则Ps1+0.8×Ps2=14.36kN/m,与双面板墙体试件的抗剪强度Ps=14.92kN/m比较吻合。(2)与双面板墙体试件的抗剪强度ps单面石膏板墙体试件的抗剪强度Ps1=4.96kN/m,单面带肋钢板墙体试件的抗剪强度Ps2=14.69kN/m,若给单面带肋钢板墙体试件的抗剪强度Ps2乘以调整系数η=0.8,Ps1+0.8×Ps2=16.71kN/m,与双面板墙体试件的抗剪强度Ps=16.74kN/m比较一致。由以上比较可知:单调加载时,单面石膏板墙体试件与0.8倍的单面带肋钢板墙体试件的抗剪强度之和与双面板墙体试件抗剪强度比较吻合。这是因为这类组合墙体在加载过程中,带肋钢板会出现局部剪切屈曲,单面带肋钢板墙体试件中的带肋钢板剪切屈曲后在钢板上形成拉力场,使钢板具有很大的屈曲后强度,而双面板墙体试件中的带肋钢板虽然加载过程中也会出现局部剪切屈曲,也有一定的屈曲后强度,但受到墙体另一面石膏板的限制,其屈曲后强度不能象单面带肋钢板墙体中的带肋钢板那样充分发挥,导致双面板墙体抗剪承载力比两单面板墙体抗剪承载力之和低。2.3.3双表面无板带横向扁钢带的支撑墙试验结果与双表面板的支撑墙试验结果之间的比较因双面无板带交叉扁钢拉条支撑墙体试件只有小截面,故只和小截面双面板墙体试件作比较。(1)双面板墙体试件双面无板带交叉扁钢拉条支撑墙体试件抗剪强度Ps=10.01kN/m,双面板墙体试件抗剪强度Ps=14.92kN/m,前者是后者的67%。(2)双面板墙体抗剪性能双面无板带交叉扁钢拉条支撑墙体试件抗剪强度Ps=9.00kN/m,双面板墙体试件抗剪强度Ps=14.91kN/m,前者是后者的60%。2.3.4在同一加载模式下，同一涂层板的结构和几何部分的横向试验单元的负载-放电(1)轴压力循环加载①单调加载时,大截面比小截面抗剪强度提高18.2%;②无轴压力循环加载时,大截面比小截面抗剪强度提高21.4%;③有轴压力循环加载时,大截面比小截面抗剪强度提高13.6%。(2)轴压力循环加载①单调加载时,大截面比小截面抗剪强度提高12.2%;②无轴压力循环加载时,大截面比小截面抗剪强度提高10.1%;③有轴压力循环加载时,大截面与小截面抗剪强度相当;(3)单块石膏板测试材料单调加载时,大截面比小截面抗剪强度提高12.3%。3结论和建议3.1墙体试件抗剪强度由表3及2.3节分析比较,本次试验研究得到以下结论:(1)石膏板为典型的脆性材料,其韧性较差,试件破坏是由于连接石膏板的周边螺钉失效,荷载加不上去;单面石膏板墙体试件抗剪强度在4.42kN/m～4.96kN/m之间;大截面试件比小截面试件抗剪强度提高12.3%。(2)对于单面带肋钢板墙体,由于钢板材料的韧性较好,试件破坏是由于墙体中部钢板搭接处螺钉逐个失效而导致荷载最终加不上去;试件的抗剪强度在9.84kN/m～14.69kN/m之间,延性系数在1.568～2.360之间;单调加载试件比循环加载试件抗剪强度提高21.9%～26.8%。(3)双面板墙体试件破坏是由于墙体中部钢板搭接处螺钉逐个失效,石膏板底排螺钉连接失效而导致荷载最终加不上去;试件的抗剪强度在13.03kN/m～16.74kN/m之间,延性系数在1.731～2.384之间;单调加载试件比循环加载试件抗剪强度提高14.5%～2