轻质混凝土拼装墙板填充钢框架协同抗震性能试验研究_李悦.pdf

轻质混凝土拼装墙板填充钢框架协同抗震性能试验研究李悦1)，高崇铭2)，宋波3)，李晓润4)，刘楚涵4)1)北方工业大学土木工程学院，北京1001442)北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京1001243)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000834)中冶建筑研究总院有限公司，北京100088通信作者，E-mail:摘要为了研究墙板与钢框架结构之间的协同抗震性能，对采用不同墙框连接节点的轻质混凝土拼装墙板填充钢框架进行了低周往复荷载试验.通过对比试件的承载力、滞回性能、刚度、耗能以及延性性能，探讨了轻质混凝土拼装墙板及其整体性对结构抗震性能的影响.结果表明：填充墙板钢框架结构的最终破坏形态以墙板挤压开裂，框架梁柱端部翼缘屈曲为主；轻质混凝土拼装墙板与钢框架协同工作，有利于提高结构整体的承载力和变形能力，减轻钢框架在平面内的屈曲破坏；与刚性节点相比，采用柔性节点连接墙板与钢框架对结构的承载力、层间刚度和耗能能力更为有利；增强拼装墙板的整体性，有助于提高结构整体刚度、变形和耗能能力.研究结果可为轻质混凝土拼装墙板填充钢框架结构的抗震设计提供参考.关键词轻质混凝土墙板；装配式结构；钢框架；抗震性能；低周往复荷载试验分类号TH213.3ExperimentalstudyofthesynergisticseismicperformanceofsteelframefilledwithassembledlightweightconcretewallpanelsLI Yue1)，GAO Chong-ming2)，SONG Bo3)，LI Xiao-run4)，LIU Chu-han4)1)SchoolofCivilEngineering,NorthChinaUniversityofTechnology,Beijing100144,China2)TheKeyLaboratoryofUrbanSecurityandDisasterEngineering(MinistryofEducation),BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China3)SchoolofCivilandResourceEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China4)CentralResearchInstituteofBuildingandConstructionCo.,Ltd.,MCCGroup.,Beijing100088,ChinaCorrespondingauthor,E-mail:ABSTRACTInChina,moreandmorebuildingsuseassembledframestructuressuchasprefabricatedautoclavedlightweightconcretewallpanelsusedastheexteriorwall.Instructuraldesign,thesewallpanelsareusuallyconsiderednon-structuralcomponents.However,intheeventofanearthquake,thedamageandcollapseofthesewallpanelsarelikelytoleadtocasualtiesandeconomiclosses.Inadditiontothedamagedwallpanels,theconnectionbetweenthewallpanelsandthemainstructureisalsoanimportantfactoraffectingtheseismicperformanceofthestructure.Thetraditionalconnectionbetweenthewallpanelsandtheframecanbeeasilydamagedinanearthquake.Theseismicperformanceofframestructuresbasedonthenewconnectionsandtheintegrityofthelightweight,concrete-filledwallpanelsneedstobeexplored.Toinvestigatethesynergisticseismicperformanceofthewallpanelsandthesteelframestructures,lowcyclereciprocatingloadtestswerecarriedoutonthesteelframesinfilledwiththelightweightconcreteassembledwallpanels.Anewslidingjointwasdevelopedtoconnectthewallpanelsandthesteelframes,anditsperformancewascomparedwiththetraditionalhookingjoints.Theeffectoflightweightconcretewallpanelsandtheirintegrityontheseismicperformanceofthestructureswas investigated by analyzing the load-bearing capacity,hysteresis performance,stiffness,energy dissipation,and ductility of the收稿日期:20220426基金项目:国家自然科学基金资助项目（51408009,52078038）；科技部国家级外专项目（G2021105009L）；北京市属高校基本科研业务费资助项目（110052971921/062）工程科学学报，第45卷，第8期：13641375，2023年8月ChineseJournalofEngineering,Vol.45,No.8:13641375,August2023https:/doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.26.001;http:/specimens.Theresultsshowthatextrusioncrackingofthewallpanelandbucklingattheendoftheframecolumnsaretheultimatedamagemodesofthefilledwallpanelsteelframestructures.Thesynergyofthewallpanelsandthesteelframeimprovestheload-bearinganddeformationcapacityofthestructureascomparedtoahollowframe.Thestructurewithslidingjointsisbetterintermsofload-bearingcapacity,stiffness,andenergydissipationcapacity.EnclosedbyCFRPcloth,theenhancedintegralwallpanelscanimprovethe ductility,stiffness,deformability,and energy dissipation capacity of the structure.It is suggested that the improved seismicperformanceofframestructuresbytheinfilledwallpanelsshouldbeconsideredinthedesignofprefabricatedframestructuresandthatthewallpanelsandtheframesshouldbeconnectedbyslidingjoints.Theseexperimentalresultscanprovideareferencefortheseismicdesignofsteelframestructuresfilledwithlightweightconcreteassembledwallpanels.KEYWORDSlightweightconcretewallpanels；prefabricatedstructure；steelframes；seismicperformance；lowcyclicloadtests在进行结构设计时，通常将墙板作为框架结构中的非结构构件1.然而近年来的震害调查结果表明，墙板的损坏和倒塌将会导致人员伤亡和经济损失23.除了整体性差和挤压错位引起的填充墙板破坏以外，在框架填充墙结构中，墙板与主体结构之间的连接方式也是影响结构整体抗震性能的重要因素45.针对框架填充墙结构的震害现象，国内外对墙板与框架间协同抗震性能和失效机制开展了研究.Pavese 与 Bournas6对预制混凝土墙板进行了往复荷载试验，发现未开洞的预制墙板整体性较好，表现出更良好的抗震性能.Wang 等7通过对开洞填充墙板钢框架结构进行试验，发现墙板与框架间的协同效应可以提高结构的承载力、刚度和耗能，且洞口位置对结果有影响.Matteis 与Landolfo8通过对墙板填充钢框架结构进行分析，发现轻质复合墙板在中、低抗震设防区可以作为抗震构件，代替传统的斜撑系统.Hashemi 等9研究了填充墙板的高宽比对结构整体抗震性能的影响，结果表明高宽比越小，结构的极限承载力和耗能能力越高.Wang 等10进行了填充墙板钢管混凝土框架的抗震性能试验，发现合理的连接方式有助于提高结构的承载能力和刚度.王曙光等11对填充新型保温墙板的框架结构开展了振动台试验，结果表明填充墙板的框架结构较空框架抗侧刚度提高了 2.42 倍，阻尼比提高了 1.87 倍，结构整体性较强，适宜在地震区推广使用.曹万林等12发现填充墙板易发生剪切破坏，墙板的类型、厚度等对框架结构的延性和耗能能力有显著影响.贾穗子等13通过开展轻钢框架结构低周往复荷载试验，发现利用墙板与框架协同工作可以实现分级抗震的目的，同时建议采用 ParkAng 指数确定结构的损伤.王如伟等14对复合墙板在钢框架内的嵌入深度开展了研究，结果表明随着嵌入深度的增加，试件的承载力、变形与耗能能力有显著提高.可以看出，填充墙板与框架结构协同抵抗地震作用后，提升了结构的抗震性能，但针对墙板连接方式的研究还较少.此外，Li 等15，Maddaloni 等16，以及 Dizhur 等17采用纤维增强筋材和碳纤维布对砌块墙体进行加强后发现，墙板整体性对结构的平面内抗剪强度和平面外抗弯强度会产生影响.目前，填充墙板框架结构的抗震性能已有研究.然而，传统墙板与框架连接节点在地震中易损坏，针对墙框连接节点以及轻质混凝土填充墙板整体性对框架结构抗震性能的影响研究还较少.因此，通过开展轻质混凝土拼装墙板填充钢框架低周往复荷载试验，对拼装墙板与框架的协同抗震性能进行研究，探讨新型刚性和柔性墙框连接方式及墙板整体性对结构破坏模式、滞回性能、强度和刚度退化以及能量耗散的影响.以期为装配式墙板填充钢框架结构的抗震设计提供参考.1试验概况1.1试件设计研究对象源于某实际工程中的装配式住宅项目，选取其中单榀框架作为原型结构.由于缩尺模型可以仅缩小结构尺寸即获得结构的反应规律18，因此设计制作了 4 榀缩尺比例为 12 的拼装墙板填充钢框架和 1 榀空钢框架试件，主要参数如表 1 所示.其中，试件 CGI 和 CGII 内置竖向布置的常规轻质混凝土拼装墙板，墙板与框架梁间分别采用刚性节点（Hookingconnector）和柔性节点（Slidingconnector）.试