随着中国轻钢结构的发展,国内出现了许多轻型钢结构,其中的轻钢龙骨组合墙体因其抗侧性能、节能效果出众而涌现。由立龙骨柱、天地龙骨和自攻螺钉等构成的轻钢龙骨墙体是最简单的墙体,龙骨骨架与墙体覆面板(水泥砂浆或OSB)通过拉铆钉组合在一起,形成了较为坚固的轻钢龙骨复合墙体结构体系。轻钢龙骨结构的构件通常由冷弯薄壁型钢组成,构件较小,构件与构件之间采用拉铆钉的方式连接,施工现场多采用干作业,因其具有安装简便、施工快捷的优势,在低层住宅方面具有很大的发展潜力^[1],故在中国应用推广这种新型的结构体系,具有十分广阔的应用前景。国内外对轻钢龙骨组合墙体的抗剪性能做了大量的研究^[2-15],认为影响轻钢龙骨组合墙体承载力的因素有很多,找到符合实际需要的结构形式及使用方法,就可以促进对轻钢龙骨结构的研究及合理使用。目前国内主要针对不同形式的冷弯薄壁型钢组合墙体的水平抗侧性能开展试验研究和理论分析,而对带有不同支撑形式^[6]的组合墙体和采用不同墙板布置方式的组合墙体的抗侧性能的分析研究较少,故本研究采用6个模型,3种不同支撑形式的轻钢龙骨墙体,对有无支撑、支撑形式,以及采用不同的蒙皮材料进行了试验研究。通过分析比较不同结构形式下带墙板与不带墙板墙体抗侧力的差异,以及相同结构形式下不同的墙体材料之间的抗侧力的差异,提出经济合理的轻钢龙骨墙体的结构形式,为轻钢龙骨复合墙体的设计与实际应用提供参考。

模型按照1:2的比例,共3种6个单片墙体,分为带支撑模型、不带支撑模型和不同的蒙皮结构模型,具体见表1,模型见图1。

表1 模型的主要参数
Table 1 Main parameters of models

试验所采取的模型材料及其规格如下:C型轻钢龙骨(横撑与立柱)、U型轻钢龙骨(导轨)、拉铆钉和蒙皮墙板材料(水泥砂浆和OSB板)。其中,立柱规格为C100 mm×50 mm×10 mm,U型导轨规格为U100 mm×40 mm,龙骨厚度均为1.0 mm,拉铆钉规格为M 5.0 mm×16 mm,刨花板规格为9 mm×1.22 m×2.44 m,水泥为钱潮牌普通硅酸盐水泥,代号P.O,强度等级为42.5级。

图1 3种模型示意图
Fig.1 Diagrams of three models

整个试验是在学校结构试验室完成的,由于试验仪器的原因,在加载时用竖向加载的方法模拟水平剪力,试验加载装置示意图见图2。模型顺时针旋转90°放置在木框架上(木框架是根据试验室仪器的具体情况量身制作的,模型由木框架与试验装置固定,可确保模型被固定不移动的效果),旋转后的模型顶部与木框架通过滚动轴承连接,轴承上涂抹润滑剂避免因摩擦力过大影响试验结果。试验荷载包括配重荷载和水平单调加载,试验加载装置采用控制位移加载的方式在试验模型的上导轨端部施加荷载,使模型产生层间位移10 mm,上下误差不超过0.2 mm。水平荷载的施加则通过最右侧的油压千斤顶对模型中心线处施加,在油压千斤顶对侧设置位移计,左侧两个油压千斤顶与模型紧密结合固定模型。试验加载装置实物见图3。

图2 试验加载装置示意图
Fig.2 Schematic diagram of the experimental loading device

图3 试验加载装置实物图
Fig.3 Picture of the experimental loading device and specimen

本研究建立了6个模型,轻钢龙骨骨架体系在结构体系不变的情况下,改变模型结构形式,给予模型顶部相同位移(10 mm),模型抗侧力的试验结果见表2。由表2可知,给予骨架顶部相同的位移(10 mm),同种骨架得到的抗侧力基本一致; 随着骨架结构形式的改变,给予骨架顶部相同的位移,普通骨架需要的抗侧力最小,带斜支撑的骨架抗侧力次之,是普通骨架的2倍,带角支撑的骨架需要的抗侧力最大,是普通骨架的3～4倍,是带斜支撑骨架的2倍。将表2中的轻钢龙骨骨架覆上钢丝网,连接件使用拉铆钉。给予模型顶部相同位移(10 mm),模型抗侧力的试验结果如表3所示。

表2 轻钢龙骨骨架试验结果
Table 2 The experimental result of light-gauge steel frame

表3 轻钢龙骨骨架覆钢丝网模型试验结果
Table 3 The experimental result of the light-gauge steel frame model covered with steel wire mesh

由表3可知,覆上钢丝网的模型构件抗侧力有所提高,普通骨架在覆上钢丝网后可提高约32%,带斜撑骨架覆上钢丝网后可提高约12.5%,带角支撑骨架覆上钢丝网后可提高约9.2%。结果表明,钢丝网在骨架刚度较小的情况下可提升较多,当骨架刚度较大时提升并不明显。表3中普通骨架覆钢丝网的抗侧力平均值为0.33 kN,带斜支撑骨架覆钢丝网的抗侧力平均值为0.63 kN,带角支撑骨架覆钢丝网的抗侧力平均值为1.0 kN。

在表3模型的基础上,对前3种不同支撑形式的模型覆上刨花板,连接件为拉铆钉; 对后3种模型涂抹水泥砂浆。给予模型顶部相同位移(10 mm),模型抗侧力的试验结果如表4所示。

表4 轻钢龙骨骨架覆蒙皮材料模型试验结果
Table 4 The experimental result of the light-gauge steel frame model covered with skin material

由表4可知,覆上刨花板的模型抗侧力比仅覆钢丝网的抗侧力有很大提高,覆刨花板的3种结构形式的模型抗侧力比表3中3种结构形式的模型抗侧力平均值分别提升2.3、2.1和1.9倍,这说明了板式构件的抗侧能力比较强。涂抹水泥砂浆的3种结构形式的模型抗侧力提高更多,对应表3中3种结构形式的模型抗侧力平均值分别提升2.7、2.6和2.5倍。这表明在给予模型顶部相同位移的情况下,涂抹水泥砂浆的模型抗侧力比刨花板有明显提升。

根据以上的试验数据,将不同结构形式、不同组合材料的模型分别进行了分类对比,试验结果对比见表5～7。

表5 普通骨架形式试验结果对比
Table 5 Comparison of test results of general frames

表6 带斜支撑骨架形式试验结果对比
Table 6 Comparison of test results of diagonal-bracing frames

表7 带角支撑骨架形式试验结果对比
Table 7 Comparison of test results of corner-bracing frames

根据表5～7数据进行分析对比,整理结果见图4。

图4 不同蒙皮情况下轻钢骨架抗侧力对比
Fig.4 Comparison of different skin resistance to the frame

由图4可知,在同一骨架下,钢丝网+水泥砂浆对骨架抗侧力的提升最明显,钢丝网+刨花板次之,钢丝网最小。这说明形成板件后,构件抗侧力能大大提升,蒙皮的强度对构件的抗剪起着相当重要的作用。水泥板件的抗侧力大于刨花板类的构件,在同等情况下,骨架刚度越弱,在覆上附着物后抗侧力提升越明显。在进行骨架模型试验时,随着骨架增加斜支撑,斜支撑形式转化成角支撑,骨架的抗侧力有明显提升。但是在刨花板蒙皮的情况下,骨架增强的作用并没有其他的明显,这说明在刨花板蒙皮下,刨花板本身具有较强的刚度,能够承担大部分的剪力。但在钢丝网+水泥砂浆蒙皮进行试验时,虽然水泥砂浆的强度够大,但钢骨架仍能同水泥砂浆有很好的协调作用。

以上在分析时,均仅考虑单位位移下能抵抗的剪力。但是,在实际工程中,剪力主要来自于水平地震作用,而水平地震的作用力又与自重息息相关。因此,还必须考虑蒙皮骨架在单位重量下的抗侧能力,具体见表8。

表8 蒙皮骨架在单位重量(1 kg)、单位位移(10 mm)下的抗侧力对比
Table 8 Comparison of the test power in the unit weight(1 kg), unit displacement(10 mm)to the skin frame

模型结构形式 单位重量抗侧力/(kN/kg)普通骨架 0.022普通骨架+钢丝网 0.020普通骨架+钢丝网+刨花板 0.023普通骨架+钢丝网+水泥砂浆 0.014带斜支撑骨架 0.038带斜支撑骨架+钢丝网 0.028带斜支撑骨架+钢丝+刨花板 0.025带斜支撑骨架+钢丝网+水泥砂浆 0.026带角支撑骨架 0.058带角支撑骨架+钢丝网 0.037带角支撑骨架+钢丝网+刨花板 0.024带角支撑骨架+钢丝网+水泥砂浆 0.037

由表8可知,在仅有骨架的情况下,带角支撑的骨架单位重量抗侧力最大,带斜支撑的骨架次之,普通骨架最小; 覆上钢丝网后,虽然抗侧力有一定的提升,但单位重量抗侧力却下降最为明显,所以,这类结构并不适用于实际工程。覆上刨花板后,除普通骨架的抗侧力有一定的上升外,其余骨架的抗侧力均下降,刨花板在各种骨架情况下抗侧力相差并不大,因此说明刨花板与普通骨架的结合具有更高的性价比。

对于轻钢龙骨结构,蒙皮是结构抗侧力的重要组成部分。本研究通过对不同轻钢龙骨结构形式、不同蒙皮材料组成的墙体进行抗侧力试验,得出不同组合墙体在具有单位位移情况下所需要的抗侧力。通过本试验研究,可得到如下结论:

1)在仅有轻钢龙骨没有蒙皮的情况下,带斜支撑的作用小于带角支撑的作用,带角支撑对比带斜支撑的抗侧力可提升约60%。

2)在同一普通骨架的情况下,抗侧力在覆钢丝网后提升约29.2%,在覆钢丝网+刨花板后提升358%,在覆钢丝网+水泥砂浆后提升408%。

3)在同一带斜支撑骨架的情况下,抗侧力在覆钢丝网后提升约5.3%,在覆钢丝网+刨花板后提升122.8%,在覆钢丝网+水泥砂浆后提升328%。

4)在同一带角支撑骨架的情况下,抗侧力在覆钢丝网后提升约5.5%,在覆钢丝网+刨花板后提升47.3%,在覆钢丝网+水泥砂浆后提升291%。

由以上分析可知,冷弯薄壁轻钢龙骨架与蒙皮材料作为一个整体共同承受外力作用; 蒙皮作为结构模型的一部分承担剪力; 轻钢龙骨体系带斜支撑、蒙皮均能显著提高墙体的抗侧性能; 带角支撑的结构构件的抗侧力最大。因此,在实际工程中,钢骨架+钢丝网+水泥砂浆能更好地发挥其抗侧性能,承担的侧力更大,但是其自重大,施工起来也较为不便,仅适合剪力较大的建筑; 刨花板因其本身刚度较大,所以龙骨对其作用不大。在实际使用时,应尽量使用简单的龙骨。在装配式建筑大力发展的今天,尤其需要采用刨花板+钢骨架这类施工简单,环保绿色的材料,因此当结构承受的侧力较小时,可优先选用。本试验研究可对轻钢龙骨组合墙体的设计及其在今后实际工程中的应用提供参考。