框架钢结构与墙体（板）共同作用的研究

框架钢结构与墙体（板）共同作用的研究

摘 要：从钢框架与墙体（板）共同作用的几种简化计算模型入手，介绍国内外对钢框架与各类墙体（板）共同作用的研究效果，并偏重总结墙体（板）对钢框架的抗侧刚度和抗侧承载力的影响；对新型钢框架墙体（板）研发与应用进行展望。

近年来，框架钢结构在国民用建筑特别是钢结构住宅建筑中得到广泛应用。但是由于框架钢结构体系对墙体（板）要求较高，钢框架与墙体（板）之间的共同作用机理成为值得研究的课题。由于墙体（板）主要起围护作用，并非主要承载构件，国当前的设计方法是使钢框架承担全部竖向和水平荷载，墙体（板）构件不参与工作¨1实际上，钢框架受水平力作用时，墙体（板）会参与共同抵抗水平力，并且墙体（板）破坏经常造成生命和财产的重大损失。此外，墙体（板）处置不当还可能使框架结构体系的抗震能力降低，特别是发生短柱（混凝土柱）剪切破坏。理论和实践都表明，墙体（板）对于提高钢框架体系的刚度与承载力具有重要意义。本文目的于通过总结现有的钢框架与墙体（板）共同作用的研究效果，对钢框架与墙体（板）共同作用的研究前景提幽看法。

1简化计算模型

利用弹性屈曲理论分析带墙体（板）钢框架，得到结果较为精确，但是求解的过程非常复杂和繁琐，而且由此得到结果对分析实际工程有过多冗余的精度。为此，国内外学者已提出若干种带墙体（板）钢框架的简化计算模型。水平线之间的夹角；A为墙体与钢框架刚度比；E为混凝土墙体资料弹性模量；E为钢材弹性模量，I为钢框架柱截面惯性矩。等在总结众多研究效果的基础上，提出了框架与填充墙接触长度^等效对角支撑的总截面面积A计算公式，即三支杆模型¨]刘建新提出了填充墙元模型，模型中墙板单元上、下端设刚性横梁，4个角结点为只传送水平剪力而不传送竖向力的铰结点，并与四周梁柱节点铰接，墙板单元的厚度取砖填充墙的实际厚度，单元的长度和宽度取相应填充墙块的实际长度和宽度口]另外，童根树等针对带竖缝钢筋混凝土剪力墙建立壁式框架模型，缝间墙简化为只有抗弯刚度和抗剪刚度，而没有轴压刚度的柱；实体墙简化为等效面积和惯性矩的柱；认为钢框架梁高度范围内抗弯刚度无穷大，抗剪刚度有限，剪切面积为钢框架梁腹板沿梁长的截面面积。

通过建立以上各种简化计算模型，国内外学者得以对带墙体（板）框架钢结构体系进行数值分析，并且利用这些简化计算模型得到分析结果与试验结果吻合较好。

2研究方法

目前，对于框架钢结构与墙体（板）共同作用的研究主要采取试验方法和有限元分析方法。

2.1诚验方法

填充墙对框架钢结构的影响水平有多大，个比较复杂的问题。国内外很多科研人员做了大量填充墙框架的抗震试验，包括模拟地震振动台试验、水平静力及低周反复加载试验和水平拟动力试验等。

李国强等对于带墙板框架钢结构开展了多次试验。文献[8]对钢结构住宅体系进行了足尺模型的模拟地震振动台试验研究，测试了内外墙板及其与钢框架连接节点处的加速度反应，复合外墙板钢骨架及其与钢框架连接节点的动应变。由试验观察到振动使墙板自身未出现裂缝和破坏，但导致其与钢框架之间有较明显的撞击和摩擦，因此可知该墙板有较好的抗震性能，但需做好其与钢框架之间的柔性连接。文献[9]介绍了带AI_C墙板框架钢结构的水平静力及低周反复加载试验，试验模型的框架局部为单跨两层平面框架钢结构，ALC墙板有横排外挂、竖排外挂和竖排内嵌三种安装方式。研究发现，由于墙板与钢框架之间采用了接缝钢筋加灌注砂浆的方法，较好地保证了墙体的整体性，试验过程中未发生墙板内斜裂缝和整体大开裂等破坏。文献[10]介绍了7榀平面钢框架及带填充墙框架钢结构的水平静力及低周反复加载试验，试验按墙面与框架柱主轴平面相对位置的不同分为两组，即柱子弱轴位于平面内祁柱子强轴位于平面内两种。文献中给出了结构抗震弹性层间角位移的建议取值为1/350

关国雄等ll]研究了钢筋混凝土框架砖填充墙结构的抗震性能，对于钢框架一填充墙结构的试验有一定的借鉴意义。介绍了一个框架填充墙结构模型模拟地震振动台试验，模型结构是模拟一座1:34层房屋的一个开间，研究了结构动力特性与反应特征。通过试验得知，填充墙开裂前，地震力主要由填充墙承担，裂缝出现后，则由框架承担，并且随着墙体的倒塌破坏还会导致框架失稳，故应采取约束措施保证墙体与框架之间的连接。文献[12]中将钢筋混凝土剪力墙结构（模型1钢筋混凝土框架砖填充墙结构（模型2和钢框架混凝土填充墙结构（模型3三种模型对比研究，进行了1/3地震模拟振动台试验，试验模型的整体尺寸相同，均按静力等强度原则设计。通过试验可知，各结构的抗震性能好坏依次为模型3模型1模型2．同时也注意到填充墙与框架的可靠连接是防止房屋倒塌的重要环节。

王春武等¨胡也进行了钢筋混凝土框架与砌体填充墙共同作用的试验研究，以真实工程为背景，取底层一榀框架一砖墙按l/o比例制作了框架一砖墙试验模型，进行了水平拟动力试验。结果标明，底层框架抗剪力碡墙上部砖砌体房屋形式完全能满足6度、7度甚至更高抗震设防烈度设计的要求。文献[14]介绍了两榀15比例模型的框架一砖砌体填充墙组合结构的拟静力试验，试验者为了减小试验误差，采用了作动器力控制方式下进行拟静力试验的方法，研究了结构的破坏形态和受力性能。结果标明，层间侧移角不大于1/170时，框架与砖填充墙能够实现周边紧密连结共同工作，但试验模型的尺寸较实体小，存在尺寸效应”因而模型试验结果较理论分析结果大。

H.A ．Moghadam为研究中小尺寸的内填砌体墙或混凝土墙钢框架在水平静力往复试验下的开裂强度¨副，将试验的11组试件依照尺寸和是否带水平钢筋及组合梁分为两类，由试验观察到砌体墙在较低荷载水平下，砌块的粘结界面处出现开裂和相对滑移，继而发展成为对角线开裂形态；而混凝土墙则是框架角部压碎．砌体墙的抗侧能力和刚度.