褚云朋 钟 燕 伏金蓉 侯鸿杰

(西南科技大学土木工程与建筑学院 四川绵阳 621010)

冷弯薄壁型钢组合墙体装配时楼层连接处构造不连续，地震作用下易发生墙体错位开裂、自攻螺钉脱落等现象。因楼层梁宽肢薄壁，在外载作用下易造成梁局部压曲破坏。同时地震作用随结构高度增加而增大，对墙体连接处性能要求提高。墙体构造不连续易使电梯间沿楼层高度上缺少支撑，空间整体刚度差，成为抗震薄弱部位，故楼层连接处抗剪性能成为结构整体承载的关键。

墙体易于实现模块化，与轻钢框架可形成混合结构体系，二者结合提高使用功能，同时具有很好的装配性。混合结构中因墙体龙骨宽肢薄壁，龙骨板厚低于2 mm，直接使用高强螺栓连接二者，易造成骨架板件的拉裂或局部挤压破坏，也易造成螺栓预紧力损失，难以发挥其高强性能，无法达到两种结构协同抗力目的，影响混合结构整体性能。

笔者依据已有规范[1]给出的连接构造，提出既能增强两者间连接能力，又能提高墙体层间抗破坏能力的加强部件，见发明专利[2]。已有研究表明，增设层间加强部件相较于不增设，层间位移角更易满足规范限值要求，抗震性能提高明显[3]。层间加强部件起到楼层间重要传力媒介作用，故对部件竖向承载能力及耗能要求较高，需通过竖向承压试验及水平加载模拟获得部件竖向承载能力及耗能能力，进而根据抗震性能选定加强部件类型。

Pushover分析可通过能力谱法确定结构在弹塑性阶段的抗震性能。地震作用下可依据能量原理建立评价结构抗震性能的标准，并完成对结构损伤状态判别[4]。本文对加入层间加强部件的4～6层结构进行7～9度地震作用下基于振型和加速度的Pushover分析，获得多层结构的抗震性能。

1 层间加强部件

根据已有层间加强方法[5]，笔者提出图1所示的改进型连接部件。部件长宽为600 mm×200 mm，高度与楼层梁等高；水平及斜向杆件均采用半径为8 mm的HRB335级钢筋；采用板厚10 mm的Q235B级钢。桁架在纵向不加耗能钢板，斜向相交处采用对接焊缝连接，用符号GHJ表示；含钢板的空间桁架在其纵向加耗能板，用符号GHJB表示。试件主要参数见表1。

图1 试件模型Fig.1 Specimen model

表1 试件参数Table 1 Parameters of the specimen

2 加强部件试验

已有研究[6]表明：层间加强部件在弹性阶段主要起到提高结构竖向及水平抗侧刚度的作用，避免楼层梁受压屈曲；在结构进入到弹塑性变形阶段，首先屈曲耗能，避免楼层梁发生严重破坏。因此，对部件进行竖向承压能力试验，荷载增加，当试件承载力下降至最大承载力的85%时停止试验，获得试件的竖向极限承载力。通过数值模拟分析试件在单调及往复荷载作用下的抗震性能。

2.1 竖向轴压试验

第一组试件粘贴6个应变片，分别位于横向钢板两侧竖杆、钢板上侧横杆、纵向下部杆件的中点处；纵向斜杆1/4及纵向上部杆件1/3处，见图2。

图2 试验加载Fig.2 Test loading

试件达极限承载力时立柱端部与纵向斜杆连接处断开，为平面外失稳破坏，工程应用时需加强连接。荷载-位移曲线、荷载-微应变曲线如图3所示。从图3可看出：(1)荷载作用较小时试件竖向变形均不明显，GHJ-1，GHJB-2，GHJB-3的极限承载力分别为1 172.93，1 125.56，1 144.07 kN，竖向承压能力满足多层建筑要求。(2)相较GHJB-2和GHJB-3，GHJ-1达极限承载力后下降更快，下降曲线更陡。(3)加载过程中GHJ-1应变片1，2，3数值变化较大；GHIB-2应变片1，2数值变化较大；GHJB-3应变片1，3数值变化较大。表明加载过程中立柱和钢板受力较大，工程应用时需注意。

图3 加强部件的荷载-微应变及位移曲线Fig.3 Load-microstrain and displacement curve of strengthening components

2.2 水平加载分析

第二、第三组试件使用ANSYS数值模拟分析在水平单调及往复荷载作用下试件的工作性能，采用solid185单元。模拟过程中，施加位移固端约束在立柱底部，竖向荷载与纵向水平杆件相平行的位移荷载分别施加到试件立柱和侧向钢板顶部。

2.2.1 单调加载

加载至70 mm时，试件已有较大变形且稍加荷载便会出现破坏。第二组试件在荷载作用下应力分布及荷载-位移曲线如图4所示。(1)随荷载增加试件纵向水平和斜向杆件变形均较大。GHJ-4一侧钢板变形较大，因GHJB纵向耗能钢板与杆件有效连接使受力能够有效传递至另一侧钢板，而GHJ无法有效传递水平荷载至另一侧。实际应用中可增强水平及斜向杆件以提高部件承载能力。(2)GHJ-4极限承载力为131.09 kN，曲线加载到后期时上升较平缓。GHJB-6在加载过程中承载力虽提高，但变形已较大而无法继续加载，其极限承载力为102.29 kN。GHJ系列极限承载力高于GHJB系列，GHJ-4较GHJB-6极限承载力高22%。

图4 加强部件的变形及荷载-位移曲线Fig.4 Deformation and load-displacement curve of strengthening components

2.2.2 低周往复加载

对第三组试件进行水平往复加载，确定其抗震性能。加载位移超过70 mm时，因纵向杆件产生过大变形而无法继续承载，纵向杆件与钢板连接处有局部破坏现象。滞回曲线见图5。从图5可以看出：(1)滞回曲线形状相似，相较GHJB系列试件，GHJ-7耗能能力最强。表明纵向钢板加入未起到很好的耗能效果，板厚与杆直径接近，耗能效果明显。(2)根据竖向承压试验及水平单调、往复荷载作用分析，建议工程应用中采用GHJ系列，竖向承压能力及耗能能力均较强，满足多层结构在地震作用下对部件抗震性能的要求。

3 混合结构Pushover分析

3.1 简化力学模型验证

混合结构分散承载，具有明显空间整体性，内部杆件多，且宽肢薄壁，易发生三类屈曲，建立精细化模型进行耗能计算时不易收敛[7]。参照文献[8]的精细化模型，建立用等代拉压杆法[9]和Pivot单元简化墙体的混合结构简化力学分析模型。冷弯薄壁型钢墙体与框架间采用铰接，框架梁柱节点采用刚接，分析其抗剪和抗震性能。混合结构简化力学分析模型与文献[8]中精细化模型吻合较好，层间位移角相差最大为14.7%，加速度变化趋势相同(图6)，周期符合JGJ 227—2011规范[10]中对底层房屋周期的要求，可采用简化力学分析模型计算。

图6 加速度曲线对比(Elcentro波)Fig.6 Comparison of acceleration curves (El centro waves)

3.2 整体结构模型

建立4～6层组合墙体-钢框架混合结构房屋模型，层高均为3 m，建筑长18 m，宽11 m，平面布置图见图7(图中单位：mm)，具体构件与荷载布置参考文献[6]。楼层连接处设置了层间加强部件，简化力学分析模型可将连接处改为固接与link单元连接相结合的连接方式，所建的4层结构简化力学模型如图8所示。

图7 平面布置图Fig.7 Layout plan

图8 简化力学模型Fig.8 Simplified mechanical model

对结构进行动力特性分析，4～6层结构自振周期分别为0.33，0.43，0.51 s，与经典公式T=0.03H计算结果吻合较好。结构振型均是前两阶以平动为主，第三阶扭转为主。结合Pushover分析的两个基本假定[11]和水平荷载作用分类[12]，采用振型和加速度两种加载模式进行后续模拟分析。加速度工况为均布荷载，施加到X，Y向。振型工况为倒三角荷载，第一阶振型加载到结构X向，第二阶振型加载到结构Y向。

3.3 Pushover计算分析

采取位移控制，取0.01H，H为建筑总高。分析模型信息见表2，其中L1为对模型施加第一振型和X向加速度的侧向荷载，L2为对模型施加第二振型和Y向加速度的侧向荷载。

表2 模型信息Table 2 Model information

3.3.1 顶层位移及层间位移角

不同加载模式下层间位移角及顶层位移见表3。层间位移角过大可能会引起结构发生严重破坏，JGJ/T 421—2018规范[1]中弹性阶段结构层间位移角限值为1/250，弹塑性阶段层间位移角限值为1/100。(1)多遇地震作用下，层间位移角均满足限值要求。同一地震烈度下，随结构高度增加，顶层位移增大。(2)振型侧向荷载作用下，薄弱楼层随结构高度增加由低层向高层转移；加速度侧向荷载作用下，薄弱楼层未有明显变化趋势。(3) 7度和8度罕遇地震下，结构层间位移角均满足限值要求，但在9度罕遇地震作用下，层间位移角大多超过限值。

表3 顶层位移及层间位移角Table 3 Top displacement and interlayer displacement angle

3.3.2 荷载-位移曲线及损伤分析

施加加速度、振型两种水平荷载得到荷载-位移曲线(图9)，从图9可以看出：(1)加速度和振型加载作用下的曲线变化趋势较接近。同一条件下加速度加载作用下的最大基底反力均大于振型加载作用下的最大基底反力。(2)加载初期位移较小，基底反力相差不大且增长较快；加载后期，两者离散程度加剧，基底反力增长缓慢，曲线斜率减小。(3)相较第二振型和Y向加速度，第一振型和X向加速度作用下得到曲线下降段更平缓。

图9 荷载-位移曲线Fig.9 The load-displacement curve

将荷载作用下构件关键点对应荷载-位移曲线确定结构损伤状态，以便工程应用中能更好控制结构损伤。损伤状态定义原则为：首个构件屈服时为结构出现轻微损伤；达到荷载-位移曲线等效屈服点时为结构出现中等损伤；达到荷载-位移曲线峰值点时为结构发生严重损伤。模型各极限状态点见图10，从图10可知：(1)结构出现第一阶段损伤后易发生第二阶段损伤，出现第三阶段损伤需要长时间累积。(2)结构抗震性能较强，产生严重破坏前需要长时间累积，有较强耗能能力。

图10 极限状态点Fig.10 Limit state point

4 结论

多层房屋中用层间加强连接部件对冷弯薄壁型钢结构组合墙体与钢框架连接，可明显提升上下层墙体协调能力，提高结构的竖向和侧向承载能力以及耗能能力，结构有较强抗震性能。

(1)GHJ系列竖向极限承载力为1 172.93 kN，略高于GHJB系列试件；水平单调荷载作用时，GHJ系列极限承载力为131.09 kN，最大高于GHJB系列22%；两系列的滞回曲线相似，但GHJ系列耗能能力更强。GHJ系列更适用于层间加强连接部件。

(2)两系列试件均存在侧向钢板和纵向杆件变形较大现象，为避免负荷状态下过早发生大变形而无法继续承载，可增大加强部件的杆件直径。

(3)加入层间加强部件的多层结构Pushover分析表明，层间位移角在多遇地震作用下均满足不大于限值1/250，除9度罕遇地震层间位移角超出限值1/100，7度及8度罕遇地震作用下均满足要求。地震作用下，相较X向加速度及第一阶振型，Y向加速度及第二阶振型对结构性能影响更大。

(4)结构进入中等破坏后需经历较长时间损伤累积才会发生严重破坏，结构耗能能力较强，具有较强抗震能力。