随着建筑工业化进程的发展, 钢结构具有质量轻、施工周期短、绿色、可持续发展等系列优点^[1], 已成为我国建筑未来发展的方向。钢框架主体结构的设计理论、施工技术等已相对成熟, 而其围护结构 (复合墙板及连接的统称) 中墙板与主体的连接是钢框架结构推广应用的关键, 其性能影响了钢框架结构体系的刚度、承载力、抗震性能等。李国强等^[2]对带墙板的钢框架住宅体系进行了足尺模型的振动台试验研究, 结果表明挂式墙板对钢框架的刚度贡献约为20%。Kim等^[3]对带复合墙板的钢框架进行了相关研究, 指出外挂墙板的存在可以减小结构构件的截面尺寸, 增大结构的抗震性能。

　　 由以上研究可见, 围护结构对钢框架主体的有利影响是显著的, 但若围护结构设置不合理对主体结构产生的危害也不可忽视。例如地震中围护结构由于连接破坏、掉落造成生命财产损失, 围护墙板延性不足造成墙体开裂、倒塌从而堵塞疏散通道等。因此《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[4]提出框架结构的围护墙体与主体结构之间应采用柔性连接或彼此脱开, 只考虑围护结构的重量而不计其刚度和强度的影响, 抗震设计时由框架承担全部的竖向和水平荷载, 不考虑各类围护结构对框架抗侧力的贡献。因此, 钢框架与围护墙体的连接尽量采用柔性连接, 使围护结构与钢框架协同工作, 既保证连接的可靠性, 又避免连接件过早开裂导致二者分离, 造成地震灾害。

　　 吉林省某企业结合生产和安装条件, 设计了复合墙板与钢框架梁的焊接连接方式。具体连接方式及构造如下:经计算, 连接位置取距墙板端部1/4跨度处, 上下各设2处连接节点, 墙板制作时需在连接处预埋内径14mm的套筒, 安装时在墙板内表面套筒处放置一个尺寸为70×400×5的Q235长条状钢板, 其对应位置开15圆孔, 然后用M14普通C级螺栓拧紧钢板;安装就位后将钢板与框架梁焊接连接, 见图1。为减少施工现场焊接对框架梁翼缘的影响, 在框架梁对应位置预先焊接一对应钢板, 将其与墙板上的钢板焊接。

　　 经过实际工程应用, 发现现场焊接连接受场地、空间限制, 施工质量难以保证;在使用过程中焊缝处最先出现裂缝、抗震性能差, 存在影响房屋适用性等缺点, 需要进一步优化设计。因此, 课题组在此基础上优化了复合墙板构造, 设计了一种螺栓连接方式, 并对此进行了理论分析和试验研究。

　　 首先优选了保温材料, 将模塑聚苯乙烯塑料EPS更换为挤塑聚苯乙烯泡沫塑料XPS, 优化了复合墙板截面构造, 采用钢筋桁架连接3层材料, 墙厚从300mm减小至250mm。之后设计了复合墙板与主体结构的柔性螺栓连接, 其构造与工艺如下:复合墙板制作时, 在设计的连接位置处预埋一工字形预埋件, 预埋件由2块翼缘钢板和1根 (2根) 钢套筒连接组成。钢板尺寸为150×120×6, 分别埋置于墙板内、外侧混凝土中, 埋置于内侧混凝土中的钢板要求与墙板内侧表面平齐;钢套筒内径14mm、长度为210mm, 将钢套筒与翼缘钢板焊接, 以形成工字形预埋件的腹板, 钢套筒靠近墙板内侧1/2长度范围内置螺纹, 剩余部分实心构造;制作时钢套筒端部应封堵以防止混凝土掉入。主体结构钢框架梁施工时, 在连接位置处上表面焊接连接角钢90×10, 竖肢上开设螺栓孔 (14mm+1.5mm) ;墙板吊装就位后, 用螺栓连接角钢、竖肢与墙板预埋件内的套筒, 见图2。柔性螺栓连接减小了围护墙体对主体结构刚度产生的不利影响, 且极大地减少了使用中由于焊接质量和地震作用导致的裂缝。该连接采用半外挂式, 即内侧混凝土板搁置在钢框架梁上, 保温层和外层混凝土板外包钢框架, 半外挂式连接避免了主体结构热桥对建筑热工的影响^[5]。

　　 为了研究复合墙板与钢框架螺栓连接的承载能力、抗震性能等特点, 首先采用有限元软件ABAQUS对围护结构及钢框架进行了整体的有限元模拟。为了获得单个螺栓连接的承载力, 本论文有限元分析仅针对单个螺栓连接、低周往复荷载作用下的连接进行了承载力研究。

　　 根据加载方案并考虑地震作用下混凝土损伤的累积效应^[6], 选用了基于连续线性损伤的塑性损伤模型, 混凝土材料性能参数按照表1定义。

　　 钢材采用von Mises屈服准则。von Mises屈服准则采用理想的三折线模型, 简单实用, 钢材的应力-应变曲线如图3所示。应力-应变关系划分为三个阶段:弹性阶段、塑性阶段、强化阶段^[7]。根据材性试验, 钢材的弹性模量取203 300MPa, 屈服强度取244MPa, 泊松比取0.3。

　　 复合墙板中的混凝土、XPS保温层、预埋件以及连接角钢都釆用三维实体单元 (C3D8R) , 以满足单元网格发生较大的扭曲和大应变分析。由于复合墙板混凝土内钢筋受力较小, 钢筋采用三维桁架单元 (T3D2) 。建模过程中, 混凝土模型采用沙漏控制法以解决模型刚度矩阵求解结果发散的问题, 通过控制沙漏阻尼保证计算结果的收敛, 提高计算精度^[7]。

　　 有限元模型边界条件的定义和试验保持一致, 对钢框架支座的梁底采用完全固定的约束方式, 对钢框架柱顶部施加约束, 限制其平面外自由度, 以模拟实际工程中斜向支撑对钢框架平面外运动的约束^[8]。施加的荷载取吉林省范围内、抗震设防烈度8度 (0.2g) 下, 50m高的钢框架结构非承重墙承受的风荷载及多遇、罕遇地震作用的最大值, 该最大值为计算荷载基础值。通过计算, 罕遇地震时结构承受的荷载最大, 该荷载为围护结构承受的理论最大荷载。根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[4], 非结构构件地震作用由下式计算, 计算过程及结果见表2。

　　 式中:α_max为水平地震作用影响系数最大值, 罕遇地震时取0.90;G为围护结构自重, 通过计算墙板单位面积的自重取值为1.6k N/m²。

　　 按照试验加载方式, 加载点在墙板侧面1/2高度位置处。加载制度也与试验加载制度保持相同, 按照上述基础荷载进行分级加载, 每一级加载后观察混凝土、钢筋、螺栓等主要材料的应力及墙板、螺栓、框架结构的变形以确定极限荷载。

　　 加载到120k N时, 墙板中混凝土的最大应力为1.21MPa, 位移为8mm, 螺栓最大应力为495 MPa。螺栓栓杆超过其极限强度 (460 MPa) 而导致连接破坏, 实现了连接节点先于墙板发生破坏, 获得了单个螺栓连接的承载力。破坏时墙板中混凝土和螺栓的应力云图如图4, 5所示, 连接的骨架曲线见图6。

　　 根据有限元分析, 结合原有墙板构造和连接方式, 共制作了3榀1∶2的缩尺试件 (1.5m×1.3m) , 对其进行低周往复荷载作用下的试验研究, 3榀围护结构的墙板类型及连接方式见表3。其中, 围护结构W1, W2的墙板构造形式均为G1螺栓连接, 其中GZ1为2个螺栓, GZ2为1个螺栓;W3的墙板构造形式为Y1, 连接方式YZ1为焊接连接。理论上连接节点的螺栓个数应根据设计和构造确定, 且每一连接处螺栓数不少于2个, 但本课题为了验证连接节点的承载力, 试验研究分GZ1和GZ2两种情况。为了能实现多块墙板的重复加载, 课题组专门设计、制作了加载框架, 制定了试验加载方案、测点的设计与连接、位移计的安设等^[9], 加载位置及测点布置见图7。

　　 围护结构W1, W2加载方案采用力-位移混合控制法^[10]。屈服前采用力控制法, 通过液压伺服作动器对墙板施加水平往复集中荷载。作动器水平推力为正, 拉力为负, 初始值为0k N, 加载步长±5k N, 逐级加荷, 每级持荷2min, 每级荷载循环一次;试件屈服后采用位移控制法, 以屈服时的位移±Δ_y为位移步长, 逐级增大位移, 每级持荷2min, 每级循环一次, 直至构件破坏。围护结构W3考虑到其焊接连接, 加载全过程采用力控制法, 其他与W1, W2加载方案一致。试验结束的标志为:当荷载出现明显的下降 (降低到峰值荷载85%以下) 或者发生下列现象之一时就认为试件丧失承载能力已达到破坏状态:1) 螺栓被剪断;2) 墙板局部被压碎;3) 墙板表面出现严重的裂缝或裂缝贯穿墙板^[11]。

　　 加载过程观测每一级加载的荷载、位移、材料的应力、表面裂缝等。围护结构W1, W2在加载至30k N时出现细微裂缝;之后的加载过程有明显的裂缝开展及发展过程, 加载过程中听到螺栓的滑移声, 能够观察到墙板表面的裂缝开展, 破坏显著。其中围护结构W1加载至160k N时墙板预埋件处钢筋断裂, 节点区域混凝土开裂严重, 以墙板出现严重裂缝导致其刚度大幅度下降而宣告破坏;围护结构W2前期过程与W1相似, 当加载至120k N时, 墙板连接节点的螺栓被剪断, 结构失去承载能力而宣告破坏;围护结构W3在水平推拉力小于20k N前, 墙板表面未观察到任何裂缝, 加载路径与卸载路径几乎吻合, 表现出较好的弹性;随后在较短的过程中就出现“嘣嘣”响声, 声音持续直至加载至52k N时钢板焊接处突然撕裂产生巨大声音而破坏。

　　 3榀围护结构加载过程的荷载及其对应的位移试验值见表4。根据表4试验数据, 围护结构W1, W2, W3的极限荷载分别为160, 120, 52k N;围护结构W1, W2的屈服荷载均为30k N。3榀围护结构的荷载-位移曲线见图8。

　　 由表4可知, 围护结构W1, W2, W3的极限承载力均大于表2中所计算的8度设防烈度下的最大地震作用, 围护结构W1, W2的屈服承载力30k N大于理论计算的地震作用, 因此承载力较高。尤其是按照构造要求每个连接处设置2个螺栓时, 围护结构W1的极限承载力为160k N, 地震作用下有较大的安全富余度, 完全可以保证地震作用下围护结构不会先于主体结构破坏, 避免了地震中非结构构件破坏造成的灾害与损失。

　　 钢框架结构在8度 (0.2g) 罕遇地震作用下, 发生弹塑性变形的限值为高度的1/50^[12], 即1 450/50=29mm, 围护结构W1, W2极限荷载下的最大位移分别为10.216, 9.598mm, 均小于弹塑性变形限值29mm, 表明罕遇地震发生时围护结构不会对主体结构产生变形影响;围护结构W3的极限位移为35.277mm, 大于29mm, 表明其复合墙板在极限破坏状态下会对主体结构产生变形和内力影响。

　　 (1) 复合墙板与钢框架的柔性螺栓连接不仅承载力远高于焊接连接, 而且极限破坏时不会对主体结构产生刚度和内力影响, 满足了规范中围护结构不对主体结构产生刚度影响的要求, 对主体钢框架的结构设计、计算起到了保障。

　　 (2) 优化后的复合墙板在满足当地保温节能要求的同时减少了墙体厚度, 增加了使用面积。

　　 (3) 螺栓连接较焊接连接在施工安装阶段操作更为方便, 施工质量更易得到保证。

　　 (4) 根据试验和理论分析结果, 并结合构造要求, 建议复合墙板以及类似轻质墙板与钢框架结构可以采用柔性螺栓连接方式, 墙板制作时应先设置预埋件, 连接方式采用与框架梁四点连接, 连接位置在墙板1/4跨度处, 每个连接处设置2个螺栓, 且螺栓直径不应小于14mm。