聚氨酯夹芯钢板冷弯薄壁型钢复合墙体抗剪试验研究

　　1.冷弯薄壁型钢体系简介

　　冷弯薄壁型钢体系 是由卷边槽型截面作为主承重梁柱构件，以槽型截面作为连接构件，并由结构板材共同构成的新型结构体系。其显著特点是构件、板材和连接件均为定型化产品，易于实现工业化生产和装配化安装，见图1所示。

　　其突出特点有以下几个方面：

　　1.1 构件标准化

　　所有构件壁厚最薄为0.75mm，最厚不超过3mm，由冷轧或热轧钢板经冷弯成型机自动成型，并通过热浸镀锌或镀铝锌工艺作为防腐保护层，见图2所示。以自钻或自攻螺钉[2]连接为主，见图3所示。

　　1.2 设计制造一体化

　　设计软件不仅具有建模、设计和分析的作用，还能够自动生成包含截面信息的数据文件，实时在冷轧机上进行生产、编号和打包等后续工作，真正实现CAD-CAM的无缝衔接，见图4所示。

　　1.3 板材兼有围护和结构的双重作用

　　由于构件壁厚较薄，承载力较低，因此在该体系中板材不仅作为围护系统起到建筑作用，而且作为结构系统与梁柱共同承受竖向力和水平力。

　　1.4 优良的保温性能

　　钢构件和板材之间的空隙填充保温棉，墙体和屋面外侧由保温板覆盖见图5所示。全隔断了冷桥和热桥效应，使得房屋具有优良的保温性能，其保温能力基本上为同等规模砌体房屋的2倍以上。

　　1.5 较强的抗震性能

　　柔性材料的板材和钢构件共同承担地震产生的水平力，使结构体系具有很强的变形性能能力。足尺振动台试验表明，在9度罕遇地震作用下整个建筑保持完整，只有门窗周边和板材接缝处局部被挤压破坏，具有极其优良的抗震性能，见图6所示。

　　聚氨酯夹芯钢板作为一种新型的配套板材，是由两侧彩色涂层钢板﹑中间聚氨酯材料复合而成，整个生产工艺由设备自动完成，见图7所示。本次试验所采用的聚氨酯夹芯钢板厚度为50mm，板宽为1m，两侧彩色涂层钢板厚度为0.5mm。

　　2. 试验研究

　　2.1 试验内容

　　本次试验准备了2块足尺复合墙体试件，试件立柱为s350钢材，屈服强度345MPa。试件按水平单调方式进行加载，墙体试件均施加竖向荷载，试件尺寸见图8所示，试件编号和加载方式见表1所示。

　　2.2 试验装置

　　本次试验在沈祖炎院士专家企业工作站实验室进行，试验设备为自平衡的抗剪试验反力架，见图9所示。竖向荷载利用20t的油压千斤顶加载，水平荷载采用50吨作动器来施加。

　　2.3 加载制度

　　本次试验目的，为校核竖向荷载对复合墙体抗剪承载力的影响，试件施加竖向荷载后，再进行水平加载抗剪试验。竖向荷载的取值，参照足尺模型振动台试验[8]的竖向荷载水平，换算到三层房屋结构底层墙体的竖向荷载。底层墙体的竖向荷载计算结果，折合到标准宽度2.4m，竖向千斤顶荷载约为20kN。

　　2.4 试验过程及破坏特征

　　2.4.1 试件SW1

　　试验开始后，试件处在弹性变形的范围，无明显的破坏。在水平荷载达到43kN时，可观察到墙体顶部边立柱处石膏板受压开裂，螺钉与石膏板相脱离，见图10所示。此后，随着荷载的下降位移进一步增大，伴随着“啪塔，啪塔”的声音，连接PU 板与钢柱的螺钉头沉入PU 板中;PU板水平接缝处的相对位移明显增大，另一侧的石膏板出现贯通裂缝，并且向面外突起;从远处看试件，可以看到三块PU板在两条水平接缝处出现明显的水平错动，见图11所示。

　　2.4.2 试件SW2

　　在试验开始的初期，由于聚氨酯夹芯钢板本身具有足够的刚度和抵抗变形的能力，同时在接缝处与钢立柱用两排螺钉紧密连接，试件本身没有明显的破坏现象。当水平荷载达到42kN 时，两块夹芯钢板之间产生水平错动，见图12所示。

　　在试验后期，采用位移控制加载，水平荷载最大达到了56kN。此时，墙体受压区石膏板与钢立柱脱离，向外突出。夹芯钢板在两块板接缝处出现较大水平位移，见图13所示。

　　3. 试验结果及分析

　　3.1 数据分析

　　3.1.1 试件SW1

　　试件SW1的荷载-位移曲线见图14所示。从图中显示，试件在水平荷载达到42kN 之后，随着荷载微小的增长，水平位移大幅度增加。在达到最大水平荷载49.4kN后，曲线开始出现了下降段。

　　3.1.2 试件SW2

　　试件SW2的荷载-位移曲线见图15所示。

　　根据我国《建筑抗震设计规范》[9], 在小震下组合墙体的层间变形角限值为1/300

　　层高，从P-Δ曲线中可以找到相应于墙体剪切变形H/300时对应的水平荷载P300。根据以上原则，确定的试验荷载见表2所示。根据试验结果﹑计算公式和规范取值，可以求得聚氨酯夹芯钢板的抗剪参数取值，见表3所示。