鋼網(wǎng)格框架墻的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)

李磊

摘 要：工業(yè)建筑的發(fā)展歷來(lái)就依附于工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，工業(yè)建筑要不斷滿(mǎn)足現(xiàn)代大工業(yè)生產(chǎn)，工藝不斷更新的要求。中城市中，由于城市用地緊張，多層廠房的發(fā)展就更為突出。隨近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)工業(yè)建筑廠房的綜合論證，都認(rèn)為多層廠房無(wú)論在理論、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和使用等方面都有著明顯的發(fā)展趨向。本文提出一種新型鋼結(jié)構(gòu)承重外墻及分戶(hù)墻的制作方法，并按仿真尺寸建立模型進(jìn)行試驗(yàn)研究。

關(guān)鍵詞：滯回曲線；盒式結(jié)構(gòu)元；裝配整體式

中圖分類(lèi)號(hào)：TU973+.15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）07-0041-01

試驗(yàn)主要分析了裝配整體式鋼網(wǎng)格框架墻的滯回耗能能力，并與理論分析作對(duì)比分析，試驗(yàn)證明此種新型鋼結(jié)構(gòu)承重外墻結(jié)構(gòu)在往復(fù)荷載作用下具有良好的承載能力，耗能能力以及變形恢復(fù)能力，抗震性能良好。試驗(yàn)中梁端及柱端截面處的應(yīng)變值、整榀框架墻的荷載—位移滯回曲線及骨架曲線與有限元分析的數(shù)值吻合的均較好。組成裝配整體式鋼網(wǎng)格框架墻的所有承重結(jié)構(gòu)體系分單元在工廠焊接，工地現(xiàn)場(chǎng)采用高強(qiáng)螺栓連接，裝配整體式網(wǎng)格式墻架與鋼空腹夾層板連接形成空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)新體系。

1 試件設(shè)置

試驗(yàn)以裝配整體式鋼網(wǎng)格框架墻為研究對(duì)象。試驗(yàn)主要研究該框架墻抗震性能。本文進(jìn)行了單個(gè)試件的試驗(yàn)研究，以框架墻仿真尺寸進(jìn)行試件設(shè)計(jì)，圖1為試件的幾何尺寸及各構(gòu)件單元（圖1中A、B、C單元）的截面尺寸。由圖1可知，該墻架柱采用焊接工字鋼，每根墻架柱截面均相同，它沿高度的拼裝點(diǎn)均為網(wǎng)格中部。在距柱腳1m、2m處分別布置相同截面的焊接工字梁，在距柱腳3.82m、4.5m處分別布置焊接T型梁。工字梁及T型梁的連接點(diǎn)亦在網(wǎng)格中央（反彎點(diǎn)），即沿高度為三個(gè)拼裝單元，即圖1所示的A拼裝單元、B拼裝單元和C拼裝單元。限于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)條件，沿水平方向布置4根墻架柱，每1.8m一根，即整個(gè)構(gòu)件水平方向長(zhǎng)度3×1.8m=5.4m，由4個(gè)拼裝單元組成。A、B和C單元均在鋼構(gòu)工廠進(jìn)行焊接加工，每個(gè)單元的重量都比較輕，然后運(yùn)送至試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，再自下而上于梁、柱拼接點(diǎn)處采用雙拼板摩擦型高強(qiáng)螺栓連接完成整個(gè)模型的加工。其中所有鋼構(gòu)件均采用Q345鋼材，拼接節(jié)點(diǎn)處螺栓根據(jù)等強(qiáng)連接原理，經(jīng)計(jì)算后采用M16、M18、M20、M22及M27共5種型號(hào)的10.9級(jí)扭剪型高強(qiáng)螺栓。

圖1 試件幾何尺寸及各構(gòu)件截面尺寸

2 試驗(yàn)主要結(jié)果分析

本文將試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果結(jié)合起來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析，采用通用有限元軟件ANSYS對(duì)該裝配整體式鋼網(wǎng)格框架墻模型進(jìn)行模擬分析。根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)將該框架墻高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化為剛接，即在有限元分析時(shí)不考慮螺栓的滑動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。梁柱構(gòu)件均采用BEAM188單元進(jìn)行模擬。墻架的柱腳依據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)際情況，在有限元分析中通過(guò)約束柱腳底板中心的單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬。材料采用雙線性等向強(qiáng)化模擬，泊松比取為0.3，采用von Mises屈服準(zhǔn)則。鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系假定為理想彈塑性，屈服強(qiáng)度取為345MPa。

利用有限元模型進(jìn)行了滯回分析。從荷載-位移曲線、骨架曲線、梁端應(yīng)變及柱端應(yīng)變數(shù)值4個(gè)方面同試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，因鋼網(wǎng)格裝配整體式框架墻自身為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，故本文只取一側(cè)框架墻上的梁柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)變數(shù)值進(jìn)比較。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)中墻架的變形如圖2所示。鋼框架的承載力-變形過(guò)程為：

當(dāng)框架墻頂點(diǎn)正反向水平位移均小于30mm（即相對(duì)變形為h/150，h為墻高）時(shí)，鋼框架的各個(gè)構(gòu)件均未發(fā)現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象，應(yīng)變片的數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)鋼框架處于彈性工作狀態(tài)；當(dāng)框架墻頂點(diǎn)正反向水平位移達(dá)到30mm（即相對(duì)變形為h/150）時(shí)，①截面及③截面處的T形梁開(kāi)始出現(xiàn)屈服，應(yīng)變片的數(shù)值可以驗(yàn)證這一現(xiàn)象。此時(shí)鋼框架墻水平荷載為正反10kN左右；當(dāng)框架墻頂點(diǎn)正反向水平位移達(dá)到40mm（即相對(duì)變形為h/112.5）時(shí)，②截面及④截面處的T形梁開(kāi)始出現(xiàn)明顯屈服，應(yīng)變片的數(shù)值可以驗(yàn)證這一現(xiàn)象。此時(shí)水平荷載為正反14kN左右；當(dāng)框架墻頂點(diǎn)正反向水平位移達(dá)到45mm（即相對(duì)變形為h/100）時(shí)，⑦截面處的工字梁開(kāi)始出現(xiàn)明顯屈服，應(yīng)變片的數(shù)值可以驗(yàn)證這一現(xiàn)象。同時(shí)應(yīng)變片數(shù)值還可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)鋼框架墻（13）截面及（14）截面處的H形框架柱開(kāi)始屈服。此時(shí)水平荷載為正反16kN左右；當(dāng)框架墻頂點(diǎn)正反向水平位移達(dá)到50mm（即相對(duì)變形為h/90）時(shí)，（5）截面及（6）處的工字梁開(kāi)始出現(xiàn)屈服，應(yīng)變片的數(shù)值可以驗(yàn)證頂部T形梁面外屈曲圖現(xiàn)象。同時(shí)還可發(fā)現(xiàn)此時(shí)框架墻頂部①截面與②截面之間的T形梁發(fā)生了比較明顯的面外屈曲，此時(shí)水平荷載為正反18kN左右；此后隨著框架墻頂水平位移的增大，在框架墻的柱腳及其他截面處相繼出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，而且框架墻頂部①截面與②截面之間的T形梁以及③截面與④截面之間的T形梁均呈現(xiàn)出明顯的面外屈曲變形。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，試驗(yàn)中裝配整體式鋼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抗震性能強(qiáng)，延性好，并具有良好的承載、耗能以及變形恢復(fù)能力。整榀框架墻的荷載—位移滯回曲線及骨架曲線與有限元分析的數(shù)值吻合的均較好，在實(shí)際施工中，尤其針對(duì)T型墻頂端梁有樓蓋梁約束，不會(huì)出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象。因此，工地現(xiàn)場(chǎng)采用高強(qiáng)螺栓鏈接，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)焊接工序，能防止火險(xiǎn)出現(xiàn)，提高施工進(jìn)度促進(jìn)文明施工。