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钢框架轻质砖砌体填充墙的国内外发展应用与研究现状

日期:2018-07-16 / 文章来源:


钢框架轻质砖砌体填充墙的国内外发展应用与研究现状


1. 钢框架轻质砖砌体填充墙的发展应用


在我国,改革开放以后我国的钢铁产业发展迅速, 2000 年以后,随着城市化的浪潮,各种超高层建筑更是如雨后春笋一般出现在全国各大城市,如在建的武汉 606,由绿地集团投资建设,完工时将以 636m 的高度成为世界第二高楼。在大跨度空间领域,钢结构广泛地应用于各种高铁站、体育馆、航空候机楼、大型工业厂房中,如北京奥运主场馆鸟巢。在桥梁结构领域,早在新中国成立初期,第一个“一五”计划,建成了武汉长江大桥和南京长江大桥,两座集公路铁路于一题的大型钢桁架桥梁。至今,长江沿线,上百座钢结构大桥横跨长江两岸,将中国的南北连接起来。在轻钢结构领域,越来越多的企业用轻钢结构形式做中小型生产的工业厂房,储存物料用的中小型仓库,用于商品换地的超市、集贸市场,物流业的包裹存放场地,屋面或阳台上的遮阳棚,临时停车场等等,能适应新农村建设中的各种低、多层民用建筑和中小型工业建筑的需要。


随着钢结构领域的发展和创新,由钢框架和砌体组成的新型的钢框架-轻质砖砌体填充墙这种新型的结构也被推广开来,这种结构体系类似于钢筋混凝土(ReinforcedConcrete 简称 RC)框架砌体组合墙体结构,钢框架由型钢构成,填充砌体主要是由绿色环保新型轻质的砌块和砂浆组成,但填充部分不考虑为承重结构,由于这种墙体符合节能环保、绿色建筑的要求,钢框架填充墙结构具有很广阔的应用前景。


2 钢框架轻质砖砌体填充墙的国内外研究现状


虽然钢框架砌体填充墙结构形式还没有广泛地应用,但对于这种结构形式的研究早在上世纪 60 年代就开始了。国内外的学者提出了多种框架填充墙结构的力学模型,如层模型、墙元模型、等效斜撑压缩失效模型、滑移剪切失效模型、填充墙对角拉伸开裂模型[23]。

1956 年 Polyakov 阐述 “等效对角支撑”的概念[24],Stanford 和 Cater[25]在带填充墙的钢框架抗侧力试验中观察到钢框架与填充墙在变形过程中相互分开,这是对 Polyakov 的等效对角支撑的理论的认可,同时也指出等效支撑理论只能用于框架填充墙在弹性阶段的性能分析,而不能很好地进行弹塑性阶段的分析。Wood[26]和 Nadjai and Kirby[27]分别于 1978 年和 1988 年提出了将塑性设计理论用于计算带有填充墙的框架的极限抗侧承载力,这样就弥补了等效对角支撑不能分析这种结构形式不能分析非线性变形和强度极限的缺陷,而对于简单的结构都可以进行弹性和非线性弹性荷载分析。Dawe、Seah[28]和 Mehrabi et al[29]分别于 1989 年和 1996年在他们的试验成果中证明要考虑填充墙对框架刚度的提高作用。2001 年J.L.Dawe[30]等人通过 31 个钢框架砌体填充墙的试验研究与分析,提出一种新的预测钢框架填充墙体的性能的计算模型,通过不同的弹簧单元模拟砌体和框架之间的复杂接触和相互作用,得到了可靠的计算方法。

M.Yasar Kaltakci[31]等人对钢框架-石膏砌体和钢框架-非石膏砌体两种组合墙体的抗侧承载力进行了分析。在非石膏砌体的弹性模量的基础上,用一个具有经过调整和校准弹性模量的弹簧单元模拟石膏砌体。得出了填充墙的刚度对钢框架的抗侧承载力是有很大影响的,并且建议应在工程中考虑此因素,从而在工程设计真实的情况下达到建筑成本更经济的作用。

我国于 1962 年和 1972 年,中国科学院工程力学研究所就对轻质砖砌体填充墙对框架水平承载力的影响的试验研究[32]。但在 1977 年之前对框架填充墙的研究都十分缓慢,随着改革开放的步伐加快,1980 年以后我国很多学者对框架填充墙这种结构形式做了更进一步的试验研究和理论分析。出这种结构基本满足延性框架设计的要求,具有较好的抗震性能,在 8 度地区,也可以满足两阶段设计要求。




2001 年刘雁、邹筱静、吕西林等[34],对底部两层框架,框架上多层砖混结构的房屋进行了 1:5 的缩尺试验研究 ,得出底部的两层框架填充轻质砖墙结构在地震的作用下,呈剪弯型分布,以剪切为主。钢框架-砌块墙体进行了极限承载力试验,并利用有限元 ANSYSY 软件建模进行静力分析和非线性分析,证明了三支杆模型比一个对角支撑更为精确,比弹簧、接触单元的模型更高效。

2005 年戴绍兵、余欢、黄俊等人[36]对钢框架-加气混凝土填充墙体试件做了试验研究,及基于非线性理论的有限元分析,得出了填充墙可以提高钢框架的极限承载力、刚度和结构的抗震性能。

2006 年谷倩、彭波、刘肖凡[37]对 1 比 2 的钢框架-砌体填充墙缩尺模型进行试验研究,并用 ANSYSY 建模分析,提出基于试验现象的分析做出相关假定,用三支杆对填充墙体进行替换后,这种模型相比于单支对称杆模型,更能准确地反映水平荷载作用下钢框架-砌体填充墙的破坏模态,并且三支杆模型的计算结果更加接近实际的内力计算结果。结构进行了试验研究,结果表明这种结构形式的墙体部分先于框架部分破坏,且框架的破坏机制符合“梁铰机制”,耗能能力强并且抗震性能好。

不难发现,几十年来,国内外学者在试验结果的基础上,对框架-轻质砖砌体填充墙假设出多种研究和计算分析方法,如将墙体简化成斜撑杆,或者具有一定弹性模量的弹簧单元,还有将墙体简化为三支杆模型的,给框架-砌体填充墙这种结构形式提供了有效的理论计算依据。但由于很多是基于 RC 框架-砌体填充墙试验结果上的,这种结构形式的试验研究和有限元分析成果只能给对钢框架-砌体填充墙的相关研究起到一个参考作用。至目前为止,但有关钢框架-砌体填充墙这种结构形式的研究尚且不是很多,而轻钢框架-轻质砖砌体填充墙的研究就非常鲜见了。