輕鋼龍骨墻板力學(xué)性能研究綜述

錢(qián)元弟，董阿雷，金仁才，方圓，于峰，陳隆

（1.安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002；2.中國(guó)十七冶集團(tuán)有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)一直是建筑市場(chǎng)發(fā)展的主流，但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷推進(jìn)，建筑發(fā)展趨勢(shì)逐漸向“輕型化”、“裝配化”轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土墻板因其自重大、施工復(fù)雜等缺點(diǎn)，逐漸被更加輕質(zhì)、高強(qiáng)的新型結(jié)構(gòu)形式所取代。

混凝土夾芯墻板是在傳統(tǒng)建筑隔墻基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型墻板，主要作為多高層建筑的承重構(gòu)件。該新型墻板具有施工方便、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，但因其自重較大，保溫性能不穩(wěn)定等問(wèn)題，限制了其在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用[1-2]。近年來(lái)，隨著具有輕質(zhì)高強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保、施工周期短、抗震性能好的輕鋼結(jié)構(gòu)快速發(fā)展，輕鋼龍骨組合板材已逐漸取代了傳統(tǒng)混凝土板材成為裝配式墻板的主要構(gòu)件[3-6]。

輕鋼龍骨墻板以輕鋼龍骨作為主要受力組件，在輕鋼龍骨兩側(cè)安裝墻面板，選擇性地在墻體內(nèi)部空腔充填芯材。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)輕鋼龍骨墻板的力學(xué)性能開(kāi)展了相關(guān)研究，結(jié)果表明：相較于混凝土空心板及夾芯板，輕鋼龍骨墻板具有綠色環(huán)保、加工簡(jiǎn)便、安裝快捷、輕質(zhì)高強(qiáng)、耗能能力強(qiáng)、廢棄材料回收利用率高等優(yōu)點(diǎn)[7-11]。與熱軋型鋼不同，作為組成輕鋼龍骨的冷彎薄壁型鋼[12]，在相同的截面尺寸下具有更大的截面回轉(zhuǎn)半徑、慣性矩和抵抗矩，提高了材料的利用率[13-14]。然而，輕鋼龍骨的工作性能卻容易受到溫度變化和環(huán)境侵蝕的影響，造成墻板的保溫性能不足[15-16]，難以滿(mǎn)足工程耐久性的實(shí)際需求。

綜上，本文從輕鋼龍骨墻板的抗彎性能、抗剪性能、抗壓性能以及抗震性能等方面，對(duì)輕鋼龍骨墻板力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀和當(dāng)前研究面臨的主要問(wèn)題進(jìn)行研究分析。

1 輕鋼龍骨墻板靜力性能研究

1.1 抗彎性能研究

為研究輕鋼龍骨墻板的抗彎性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)輕鋼龍骨墻板的截面不同卷邊形式、鋼混組合板和組合樓蓋承載力等方面開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究和理論分析。

張耀春和王海明[14]發(fā)現(xiàn)C型截面的冷彎薄壁型鋼短直卷邊試件的受彎承載力高于短斜卷邊試件，不同屈曲模式也會(huì)造成試件極限承載力不同。

在鋼混組合板方面，由于輕鋼結(jié)構(gòu)墻板的跨厚比較大，需要額外的支撐結(jié)構(gòu)去預(yù)防彎扭屈曲造成的失穩(wěn)破壞。Selvaraj和Madhavan[17]就預(yù)制水泥墻面板對(duì)冷彎薄壁型鋼龍骨的支撐效果開(kāi)展了抗彎性能試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，預(yù)制水泥墻面板可以對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)起到良好的支撐作用，增加水泥墻面板的支撐效果后試件的極限抗彎承載力提高了9%～55%。Qiao等[18]發(fā)現(xiàn)由冷彎薄壁型鋼、鋼筋、聚苯乙烯泡沫板和混凝土組合的鋼混組合板，具有良好的承載力學(xué)性能，且隨著板截面高度的增加，材料性能發(fā)揮程度增加。

此外，通過(guò)對(duì)設(shè)置抗剪連接鍵和加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接的冷彎薄壁型鋼桁架組合樓蓋進(jìn)行抗彎性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試件的破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為支座處樓面板與輕鋼龍骨分離，從而造成板面發(fā)生斷裂，連接處弦桿變形，自攻螺釘拔出，試件的極限承載力分別提高約10%和50%[19]。

在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還通過(guò)有限元模擬的方法對(duì)冷彎薄壁型鋼構(gòu)件進(jìn)行了抗彎性能研究。武勝和魏源[20]對(duì)腹板開(kāi)洞后的冷彎薄壁型鋼構(gòu)件的抗彎性能開(kāi)展有限元分析，發(fā)現(xiàn)腹板開(kāi)洞對(duì)輕鋼構(gòu)件的初始剛度影響并不明顯，但會(huì)對(duì)極限承載力造成10%以?xún)?nèi)的少量削弱，結(jié)構(gòu)延性有一定的保留，腹板孔洞越長(zhǎng)，構(gòu)件的抗彎承載力越低，且屈服后結(jié)構(gòu)延性較差。劉泰玉[21]利用ABAQUS軟件對(duì)由水泥纖維板、輕鋼龍骨和保溫巖棉制備的復(fù)合墻板抗彎性能進(jìn)行數(shù)值模擬研究，證實(shí)該復(fù)合墻板具有良好的力學(xué)性能和整體性，破壞形式表現(xiàn)為上部纖維板與輕鋼龍骨接觸位置出現(xiàn)貫通裂縫，下部纖維板與輕鋼龍骨發(fā)生分離，輕鋼龍骨整體受彎屈曲。結(jié)果表明，纖維水泥板可以有效限制試件的整體失穩(wěn)現(xiàn)象，輕鋼龍骨間距的加密和腹板高度的增加可以顯著提高試件的抗彎承載力。

Zhou等[22]利用ANSYS軟件建立了由冷彎薄壁型鋼托梁和刨花板組成的輕質(zhì)樓板有限元模型，發(fā)現(xiàn)樓板的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，同時(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的參數(shù)分析，探討了螺旋間距、托梁間距和蓋板厚度等因素對(duì)樓板抗彎承載力的影響，提出了預(yù)測(cè)樓板抗彎承載力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。Kyvelou等[23]對(duì)一種由冷彎薄壁型鋼和木質(zhì)刨花板構(gòu)成的新型輕鋼樓板建立了預(yù)測(cè)精度較高的有限元模型。參數(shù)分析結(jié)果表明，減小連接緊固件的間距可以增強(qiáng)輕鋼龍骨與刨花板間的連接性能，使樓板抗彎承載力提高140%，剛度提高40%。

1.2 抗剪性能研究

為進(jìn)一步探究輕鋼龍骨墻板的受力性能，推導(dǎo)其受剪承載力計(jì)算方法，部分學(xué)者對(duì)輕鋼龍骨墻板的抗剪性能進(jìn)行了研究分析。胡曉峰[24]采用整體分析法和剪力流簡(jiǎn)化分析法，推導(dǎo)了預(yù)測(cè)精度較高的冷彎薄壁型鋼組合墻體抗剪承載力計(jì)算模型，確定了抗剪承載力設(shè)計(jì)值，并分析了抗側(cè)移剛度計(jì)算及變形等問(wèn)題。對(duì)于C型截面的冷彎薄壁型鋼，研究發(fā)現(xiàn)，剪跨比對(duì)冷彎薄壁型鋼C型梁的破壞模式影響較為明顯，當(dāng)λ=0.5～1.1時(shí)，試件發(fā)生剪切破壞；當(dāng)λ=1.1～2.0時(shí)，試件發(fā)生彎剪破壞。且隨著剪跨比的增大，試件越發(fā)趨向于彎曲破壞，試件受剪承載力和剛度隨之減小。試件抗剪承載力隨著高厚比和鋼材強(qiáng)度的增大而增大[25]。許業(yè)玉和肖亞明[26]考慮了材料非線(xiàn)性和幾何非線(xiàn)性，利用有限單元法對(duì)鋼輕龍骨住宅組合墻體的受剪性能進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，組合墻體的墻面板材料特性對(duì)組合墻體的受剪承載力影響明顯，隨著墻架柱間距的縮小以及邊緣自攻螺釘間距的加密，組合墻體的受剪承載力提高。

1.3 抗壓性能研究

對(duì)輕鋼龍骨墻板的抗壓性能，學(xué)者們主要考慮了截面形式和墻面板對(duì)試件軸壓性能的影響。通過(guò)對(duì)冷彎薄壁型鋼立柱組合墻體開(kāi)展軸壓試驗(yàn)，確定了立柱為C形截面輕鋼和Σ型截面輕鋼試件的極限承載力較立柱為復(fù)雜截面輕鋼的試件分別提高了30%和50%以上，且定向刨花板（OSB）對(duì)試件強(qiáng)度的提升幅度比石膏板更高[27]。邊瑾靚等[28]對(duì)由輕鋼龍骨和尾砂微晶發(fā)泡板組合而成的組合輕鋼龍骨墻板進(jìn)行了受壓試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，輕鋼龍骨厚度對(duì)組合墻承載力影響較大，增加輕鋼龍骨厚度可明顯提高組合墻的穩(wěn)定性。呂國(guó)玉等[29]對(duì)足尺的不帶墻面板和帶墻面板的輕鋼龍骨復(fù)合墻板進(jìn)行了受壓試驗(yàn)研究。通過(guò)簡(jiǎn)化墻板對(duì)柱的約束作用，推導(dǎo)了輕鋼龍骨復(fù)合墻板的受壓承載力計(jì)算模型。

綜上所述，輕鋼龍骨墻板的抗彎、抗剪和抗壓性能的相關(guān)理論與試驗(yàn)研究已經(jīng)較為成熟。已有研究表明，輕鋼龍骨組合墻板充分利用了材料的力學(xué)性能、發(fā)揮多材料組合優(yōu)勢(shì)，具有承載性能高、綠色環(huán)保、制作方便、安裝快捷、輕質(zhì)高強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可較好地應(yīng)用于實(shí)際工程中。

2 輕鋼龍骨墻板抗震性能研究

對(duì)輕鋼龍骨墻板的抗震性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從輕鋼龍骨的組合墻板、組合剪力墻和墻體-樓板節(jié)點(diǎn)等方面開(kāi)展了相關(guān)研究。

王宇航等[30]對(duì)4面輕鋼組合墻體開(kāi)展抗震性能試驗(yàn)，證實(shí)了斜撐可以有效增加輕鋼結(jié)構(gòu)的承載力、剛度和耗能能力，試件的薄弱位置主要集中在斜撐與整體結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)處，限制其性能的發(fā)揮。魯萌萌[31]研究了低周反復(fù)加載下鋼框架填充輕鋼龍骨注漿式復(fù)合墻板的破壞模式和受力機(jī)理?；谠囼?yàn)結(jié)果，采用等代拉桿法原理，推導(dǎo)了試件抗側(cè)移剛度和抗剪承載力的計(jì)算模型。

在輕鋼龍骨組合剪力墻方面，方鋼管構(gòu)成桁架支撐體系可以提高墻體的抗剪承載力和抗剪剛度，能作為中高層裝配式建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，具有較高的比強(qiáng)度，在墻體表面安裝石膏板等飾面材料可有效提高墻體的強(qiáng)度和延性[32]。冷彎薄壁型鋼邊柱內(nèi)置薄鋼板剪力墻具有良好的抗震性能，主要破壞形式為薄鋼板屈曲后產(chǎn)生拉力帶后發(fā)生撕裂，同時(shí)輕鋼邊柱柱腳鼓曲撕裂，因此，通過(guò)提高邊柱截面壁厚或采用帽形截面可進(jìn)一步提高剪力墻承載力和耗能能力[33]。Feng等[10]設(shè)計(jì)制作了一種薄鋼板石膏板復(fù)合面板冷彎薄壁型鋼框架剪力墻，并對(duì)其進(jìn)行了低周反復(fù)加載試驗(yàn)研究以及Open Sees結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果表明，試件的主要破壞模式為節(jié)點(diǎn)連接處螺釘屈曲和延性破壞，螺釘屈曲始于受壓側(cè)螺釘屈曲，隨即發(fā)生墻體的整體失穩(wěn)，延性破壞始于鋼板發(fā)生剪切屈曲，石膏板開(kāi)始出現(xiàn)脫落和破碎，連接螺釘發(fā)生剪切和拔出，最終墻體發(fā)生整體破壞。

通過(guò)對(duì)輕鋼龍骨墻體進(jìn)行有限元分析，葉繼紅等[34]發(fā)現(xiàn)冷彎薄壁型鋼復(fù)合墻體Open Sees數(shù)值分析模型具有較高的預(yù)測(cè)精度，試件的滯回曲線(xiàn)表現(xiàn)出明顯的捏縮滑移特征基于數(shù)值分析結(jié)果，得到試件的抗剪剛度，并對(duì)墻板螺釘力流模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，發(fā)現(xiàn)該模型能較為精確的對(duì)螺釘群進(jìn)行受力分析。Kechidi和Bourahla[35]考慮了材料強(qiáng)度、剛度退化及滯回曲線(xiàn)捏縮效應(yīng)對(duì)冷彎薄壁型鋼剪力墻板滯回性能的影響，采取了2種分析方法對(duì)試件的側(cè)向荷載位移進(jìn)行分析，提出了基于EEEP模型的多線(xiàn)型滯回環(huán)包絡(luò)曲線(xiàn)模型，通過(guò)Open Sees有限元分析程序計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該模型對(duì)冷彎薄壁型鋼剪力墻板滯回性能具有較高的預(yù)測(cè)精度。Guan等[36]在設(shè)防烈度為7度的條件下，對(duì)全尺寸裝配式冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)房屋開(kāi)展地震反應(yīng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和簡(jiǎn)化非線(xiàn)性有限元模型分析。研究表明，裝配式冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)房屋具有優(yōu)良的抗震性能，滿(mǎn)足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的最大層間位移角要求，具有較高的地震作用安全儲(chǔ)備。

此外，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)冷彎薄壁型鋼墻體-樓板節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下，節(jié)點(diǎn)承載力和耗能能力增大，但對(duì)于角鋼加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)，覆板后節(jié)點(diǎn)的耗能能力反而下降。這是因?yàn)?，覆板?duì)于自攻螺釘?shù)牧W(xué)性能要求較高，當(dāng)自攻螺釘失效后，試件將快速發(fā)生破壞[37]。

綜上所述，輕鋼龍骨組合剪力墻具有良好的抗震性能，斜撐可以有效提高輕鋼結(jié)構(gòu)的承載力、剛度和耗能能力。采用等代拉桿法原理，推導(dǎo)了試件抗側(cè)移剛度和抗剪承載力的計(jì)算模型。

3 展望

目前輕鋼龍骨墻板大多應(yīng)于中低層民用住宅和輕型工業(yè)廠(chǎng)房的結(jié)構(gòu)或圍護(hù)構(gòu)件中，是一種力學(xué)性能好、施工周期短、經(jīng)濟(jì)效益高且節(jié)能環(huán)保的新型鋼結(jié)構(gòu)體系。因此，在我國(guó)大力推行建筑產(chǎn)業(yè)化的背景下，輕鋼龍骨墻板有著非常廣闊的市場(chǎng)前景。但輕鋼龍骨的工作性能易受到溫度變化和環(huán)境侵蝕的影響，保溫性能較差，易出現(xiàn)工程耐久性方面問(wèn)題，因此選擇合適的材料作為輕鋼龍骨墻板的芯材將成為今后的研究重點(diǎn)。

與此同時(shí)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，越來(lái)越多的人口向城市集中，造成了城市用地緊張。為滿(mǎn)足住宅需求，城市高層或超高層建筑發(fā)展必然成為一種趨勢(shì)，因此如何將輕鋼龍骨墻板應(yīng)用到高層建筑中，大力發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化和工業(yè)化生產(chǎn)，是未來(lái)較好的研究方向。

此外，在輕鋼龍骨墻板的施工過(guò)程中，如何解決墻板縫的密封與防裂、爆板防控、空鼓外脹以及脫釘防控等重點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題，以及優(yōu)化冷彎薄壁型鋼組裝結(jié)構(gòu)形式、連接形式和面板材料，仍需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

（1）輕鋼龍骨墻板材料利用率高，結(jié)構(gòu)性能好，結(jié)構(gòu)自重較傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)降低了50%以上。目前輕鋼龍骨墻板及樓板應(yīng)用范圍廣泛，是一種力學(xué)性能好、施工周期短、經(jīng)濟(jì)效益高且節(jié)能環(huán)保的新型鋼結(jié)構(gòu)體系。

（2）輕鋼龍骨組合墻板具有良好的抗彎性能，冷彎薄壁型鋼短直卷邊試件的受彎承載力高于短斜卷邊試件；通過(guò)設(shè)置抗剪連接鍵和加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接，可使冷彎薄壁型鋼桁架組合樓蓋的抗彎極限承載力分別提高約10%和50%；在試驗(yàn)研究及有限元模擬分析的基礎(chǔ)上，給出了其抗彎承載力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。

（3）立柱為C形截面輕鋼和Σ型截面輕鋼的極限承載力比立柱為復(fù)雜截面輕鋼分別提高30%和50%以上；在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化墻板對(duì)柱的約束作用，給出了輕鋼龍骨復(fù)合墻板的受壓承載力計(jì)算公式。

（4）輕鋼龍骨墻板表現(xiàn)出了優(yōu)良的抗震性能，有足夠的耗能儲(chǔ)備，可作為地震區(qū)建筑的豎向承重單元和圍護(hù)構(gòu)件。

（5）優(yōu)選合適材料作為輕鋼龍骨墻板的芯材，將輕鋼龍骨墻板有效推廣應(yīng)用于高層建筑以及進(jìn)一步加強(qiáng)板縫的密封與防裂、爆板防控、空鼓外脹以及脫釘防控等重點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題的研究，將成為今后的研究重點(diǎn)與方向。