葉繼紅

(混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室(東南大學)，210018 南京)

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多層輕鋼房屋建筑結構
——輕鋼龍骨式復合剪力墻結構體系研究進展

葉繼紅

(混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室(東南大學)，210018 南京)

摘要:輕鋼結構是天然的綠色建筑，也是天然的工業(yè)化建筑.中國人口眾多，土地資源緊張，地震災害嚴重，因此發(fā)展多層冷成型鋼房屋建筑符合中國國情.將低層冷成型鋼結構體系拓展至多層結構，存在4個主要技術難點.課題組通過結構體系與主要部件兩個層面的改進，提出了多層冷成型鋼龍骨式復合剪力墻結構體系及其兩個重要部件——冷成型鋼托梁龍骨-ALC板組合樓蓋和帶有夾心墻板單元的輕鋼龍骨式復合墻體.還針對該新型體系的抗側、抗火等基礎理論問題，闡述了課題組研究進展及國內外同行的相關研究工作.最后，從宏觀角度指出了該新型體系尚需開展的研究工作.

關鍵詞:冷成型鋼結構；多層輕鋼龍骨式復合剪力墻結構體系；抗震；抗火；研究進展

冷成型鋼(冷彎薄壁型鋼)厚度一般為0.4～6.4 mm，常用厚度一般低于3.0 mm，是目前最“輕”的一種建筑結構用鋼.它是以熱軋或冷軋卷材和帶材為原料，在常溫下，用連續(xù)輥彎成型、拉拔彎曲成型、沖壓折彎成型等方法，加工制造出熱軋方法難以生產的各種斷面的型材和板材，其中，輥彎成型是冷成型鋼目前的主要加工手段.因此，不同于熱軋型鋼，冷成型鋼通過合理截面形狀而非增加截面厚度提高構件承載力，具有令人滿意的強重比.目前，發(fā)達國家冷成型鋼已占鋼材總量的5%，建筑業(yè)用冷成型鋼已占冷成型鋼總量的70%.

與傳統(tǒng)結構相比，冷成型鋼結構具有以下優(yōu)勢：

1)結構輕質高強，抗震性能好，經濟指標好.現(xiàn)有冷成型鋼房屋建筑結構用鋼量20～35 kg/m2，而傳統(tǒng)鋼框架結構約為50 kg/m2.較小的自重可有效降低結構的水平地震作用，加上合理的結構構造形式，因而具有較好的抗震性能；同時自重的減輕對地基承載力要求也相應降低，可減少地基基礎造價.

2)建筑設計美觀、空間利用率高.墻板結構四壁規(guī)整，可按用戶的需求設計出色彩鮮艷、立面豐富、具有現(xiàn)代化氣息的建筑.管線暗埋于墻體及樓層結構中，日后檢修與維護簡單.墻體厚度小，房屋利用率較傳統(tǒng)結構提高5%～7%.

3)住宅的居住舒適性高.冷彎薄壁型鋼住宅采用新型建筑材料，防潮、防霉、防蟲蛀、不助燃，居住環(huán)境衛(wèi)生健康，隔熱和隔聲性能好，是良好的宜居場所.

4)施工便利、環(huán)保、周期短.工地施工主要為構件的安裝.一般3層住宅建筑，從設計、生產到施工安裝完畢僅需一個月左右時間.

5)節(jié)能、節(jié)地、節(jié)材.所采用的主要結構材料是冷彎薄壁型鋼，用鋼量少，且鋼材可回收利用；組合墻體所用的墻架鋼柱、保溫棉、石膏板取代了中國村鎮(zhèn)大量使用的實心粘土磚，減少了水泥的使用，節(jié)約了不可再生資源.此外，這種輕自重的結構體系可建設在坡地、劣地，節(jié)約了土地資源.

6)有利于住宅產業(yè)化.冷彎薄壁型鋼結構現(xiàn)場拼裝，所用構件可實行模數化設計、工廠標準化生產、市場化采購，配套性好，避免了現(xiàn)場人工制作對質量的影響，有利于推動住宅建筑向工業(yè)化和產業(yè)化發(fā)展.

目前，低層冷成型鋼房屋建筑結構在歐美、澳洲、日本等國家得到廣泛應用，主要用于別墅及三層以下公寓類型房屋.近十余年，多種形式的四至八層多層冷成型鋼結構建筑在北美日益增多，在2008年北美鋼框架聯(lián)盟(NASFA)10周年慶祝大會上，理事會主席Don Moody 亦指出今后十年NASFA發(fā)展方向即包括多層冷成型鋼房屋建筑結構.可見，多層冷成型鋼房屋建筑是目前國際冷成型鋼領域的重要研究、應用與發(fā)展方向.

由于歷史原因，鋼結構過去在中國一直被認為是工程造價高、設計施工復雜的建筑結構體系.住建部在2000年左右開始推廣低層冷成型鋼房屋建筑，但應用僅局限于少量別墅，總體效果不夠理想.分析其原因可能是：

1)中國人口眾多，土地資源緊缺，多層及小高層住宅是目前中國住宅產業(yè)需求量最大的建筑形式，更適合中國國情.

2)國內在滿足冷成型鋼結構設計及使用功能的高性能建筑板材以及高強度、低厚度冷成型鋼構件方面產量不足，不能形成規(guī)模效應，導致結構造價偏高.

3)國內冷成型鋼研究滯后，導致現(xiàn)行規(guī)范在冷成型鋼結構技術層面相對落后.

中國目前正處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展階段，資源消耗嚴重，環(huán)境惡化壓力巨大，發(fā)展綠色建筑已被列為國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要中重點領域中的優(yōu)先主題，而冷成型鋼結構是天然的綠色建筑，也是天然的工業(yè)化建筑.

然而，將低層冷成型鋼結構體系拓展到多層結構，將面臨諸多技術難點.對此，本課題組從2003年開始對多層冷成型鋼結構體系進行研究，提出了多層輕鋼(冷成型鋼)龍骨式復合剪力墻結構體系，并對其抗側、抗火等基礎理論問題展開系統(tǒng)試驗與理論研究.下面針對這三方面內容結合國內外同行及本課題組的最新研究進展進行闡述.

1新型多層冷成型鋼房屋建筑結構體系

將低層冷成型鋼房屋建筑結構體系擴展至多層結構存在以下技術問題：

1)成倍增大的豎向荷載導致常用的單根C型墻體龍骨立柱難以滿足承載力要求.

2)結構抗側力體系難以滿足中國現(xiàn)行建筑抗震設計規(guī)范的多層結構抗剪及抗傾覆要求.由于低層冷成型鋼房屋建筑結構的上、下層組合墻體不連續(xù)，構造上通常在上、下層組合墻體之間加設抗拔錨栓.但在多層建筑結構中，伴隨著房屋高度增加，由于錨拴處的變形而引起的墻體整體轉動變形不可忽略，并將明顯降低結構側向剛度及承載力.

3)低層冷成型鋼房屋建筑中普遍采用的冷成型鋼托梁-OSB板(定向刨花板)組合樓蓋由于剛度偏小，存在振動、隔音等使用功能問題，在分戶式多層房屋建筑中不適用.

4)現(xiàn)有的冷成型鋼組合墻體及樓蓋形式不能滿足中國多層建筑結構嚴格的建筑構件耐火要求.實際工程中的低層冷成型鋼房屋建筑結構，其常用組合墻體耐火時間不足40 min，遠低于中國建筑設計防火規(guī)范的多層普通民用建筑承重墻至少三級(120 min)耐火極限要求.此外，OSB板、膠合板具有可燃性，在多層冷成型鋼房屋建筑中不可作為承重墻體及樓蓋的覆面板材使用.

因此，低層冷成型鋼房屋建筑結構體系不能直接應用于多層建筑結構，而多層冷成型鋼房屋的結構形式一般可采取以下兩種方案：

1)采用普通熱軋型鋼框架或框架支撐結構作為主結構，將低層冷成型鋼房屋建筑結構體系中的各部件僅作為填充墻體、樓面及屋面等次結構，形成熱軋型鋼與冷成型鋼的混合結構體系.

2)對低層冷成型鋼房屋建筑結構進行體系改進，使之在豎向承載、抗震、抗火等多方面性能得以強化、提升，最終拓展至多層建筑領域.

綜合分析，第二種方案能夠充分發(fā)揮冷成型鋼結構優(yōu)勢，且經濟成本優(yōu)于第一種方案.近幾年，在北美地區(qū)已建的多層冷成型鋼房屋建筑多采取第二種方案，且主要用于住宅、公寓、辦公樓及旅館等商用房屋，見圖1.然而，圖1中冷成型鋼建筑在中國并不適用，且并非多層冷成型鋼房屋結構的最合理形式，主要體現(xiàn)在：

1)其承重組合墻體具有60～80 min的耐火性能，滿足北美地區(qū)多層建筑承重墻60 min耐火極限要求，卻遠低于中國建筑設計防火規(guī)范的耐火極限要求.

2)其樓蓋結構采用冷成型鋼托梁-壓型鋼板現(xiàn)澆鋼筋混凝土的樓蓋形式，施工現(xiàn)場存在大量現(xiàn)澆鋼筋混凝土作業(yè)，喪失了冷成型鋼結構高度預制裝配化、施工速度快、環(huán)境污染少等特點.部分北美已建多層冷成型鋼建筑還有采用預制空心板樓蓋形式，從抗震角度在中國亦不適用.

圖1　北美多層冷成型鋼房屋建筑

鑒于此，針對前述將低層冷成型鋼建筑結構體系擴展至多層結構存在的4個技術問題，本課題通過體系與主要部件2個層面的改進，提出了多層冷成型鋼龍骨式復合剪力墻結構體系.其中，在體系層面的改進措施：

1)提高結構構件豎向承載力——各樓層復合墻體的冷成型鋼龍骨立柱可根據其豎向荷載水平分別采用單C、雙拼或三拼C型截面形式.

2)采取若干措施提升結構整體性及抗側性能——其中包括在結構關鍵部位設置豎向連續(xù)的方鋼管輕質混凝土柱代替C型龍骨立柱(圖2)，這是與傳統(tǒng)冷成型鋼復合墻體的顯著區(qū)別.

圖2　具有連續(xù)方鋼管邊柱的組合墻體

在主要部件層面的改進措施：

1)提出新型樓蓋形式——冷成型鋼托梁龍骨-ALC板(蒸壓輕質加氣混凝土板)組合樓蓋(圖3).新型樓蓋在滿足樓蓋剛度以及振動、隔音等使用功能要求方面，與傳統(tǒng)鋼筋混凝土樓蓋無明顯區(qū)別，滿足中國規(guī)范相關耐火要求(本文第2節(jié)).

2)提出新型組合墻體——帶夾心墻板單元的輕鋼龍骨式復合墻體(圖4)，可提高復合墻體抗側性能(本文第3節(jié))，并滿足中國規(guī)范的多層結構承重墻耐火要求(本文第2節(jié))，同時，有效簡化了組合墻體的施工工序.

圖3　新型冷成型鋼托梁龍骨-ALC板組合樓蓋結構

多層輕鋼龍骨式復合剪力墻結構體系的各樓層混凝土面層及方鋼管內混凝土均采用輕質自密實混凝土，而該體系的其余部分均可實現(xiàn)工廠預制，現(xiàn)場拼裝，并且可大量使用輕質環(huán)保節(jié)能材料.本體系包括龍骨立柱、復合墻體、組合樓蓋等所有構件均參與受力，是一種高效的結構體系，可以獲得顯著經濟指標.

圖4　帶有夾心墻板單元的輕鋼龍骨式復合墻體

2新型多層冷成型鋼結構抗火研究

2.1冷成型鋼結構主要組成材料及連接件高溫力學性能

冷成型鋼結構的主要組成材料包括冷成型鋼構件、建筑板材及填充材料等，各組成材料的高溫力學性能是進行冷成型鋼結構抗火問題熱力耦合研究的基本輸入參數.由于冷成型鋼截面厚度小，熱傳導速率高，同時材料冷加工特性隨溫度升高逐漸消失，導致其高溫力學性能降低程度快于熱軋型鋼，故現(xiàn)行各國規(guī)范中的熱軋型鋼高溫力學特性曲線及公式對冷成型鋼并不適用.同時，歐洲規(guī)范(EC3 part1.2)與英國規(guī)范(BS5950)的冷成型鋼高溫材性建議曲線均基于熱軋型鋼研究結果，缺乏足夠合理性.冷成型鋼結構常用建筑板材包括OSB板、石膏板、玻鎂板及硅酸鈣板等，其常用連接件包括冷成型鋼構件間的自攻螺釘連接件以及冷成型鋼構件與建筑板材間的自攻螺釘連接件.目前，冷成型鋼、建筑板材及其連接件的高溫力學性能大多通過試驗獲得，國內外尚未有規(guī)范對其做出明確規(guī)定.

試驗方法主要分兩種：穩(wěn)態(tài)試驗方法(恒溫加載)和瞬態(tài)試驗方法(恒載升溫).國內外均有學者對多種類型鋼材的高溫力學性能進行穩(wěn)態(tài)試驗研究，但是，限于試驗設備條件，以及不同地區(qū)冷成型鋼材料差異性，導致這些試驗不夠理想且試驗結果相互差異明顯.對于瞬態(tài)試驗，僅有少量學者涉及[1-3]，但并未給出基于瞬態(tài)試驗的鋼材高溫應力-應變曲線以及高溫極限強度折減系數曲線.此外，上述研究均針對冷成型鋼平板部位，而其轉角部位由于冷彎效應，常溫與高溫材料特性均與平板部位有所不同.但是，國內外目前對冷成型鋼轉角部位的相關研究明顯不足[1,4].

本課題組針對國內常用的Q345、G550冷成型鋼進行了200余次高溫穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)試驗，定量比較了Q345及G550冷成型鋼瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)試驗結果、平板與轉角部位的差異性，在此基礎上，最終提出了統(tǒng)一的高溫材性折減系數表達式及應變-應變本構模型[5-8].

對于建筑板材及連接件，已有研究大多針對其常溫力學特性，尚未發(fā)現(xiàn)常用建筑板材高溫力學性能研究文獻，僅有極少文獻進行了少量冷成型鋼(不銹鋼)的螺栓連接件、自攻螺釘連接件及射釘連接件高溫穩(wěn)態(tài)試驗[9-11]，試驗表明現(xiàn)行北美、澳洲及歐洲規(guī)范的連接件常溫計算公式在考慮了鋼材高溫材性折減后，對連接件高溫極限承載力估計仍過于保守.

2.2冷成型鋼承重組合墻體、組合樓蓋抗火試驗

冷成型鋼承重組合墻體是冷成型結構主要豎向承重及抗側部件.火災情況下，墻體通常為單側受火，因此冷成型鋼墻體立柱溫度會呈現(xiàn)明顯不均勻分布，由此產生溫度彎曲(向受火墻體側彎曲變形)及中性軸偏移，伴隨著材料高溫力學特性折減，組合墻體承載力較常溫情況將明顯下降.中國現(xiàn)行建筑設計防火規(guī)范(GB50016)規(guī)定3至5層普通民用建筑承重墻不應低于三級耐火要求，耐火極限120 min(4至9層住宅建筑的防火要求可按現(xiàn)行住宅建筑規(guī)范GB50368的規(guī)定執(zhí)行，其承重墻耐火極限為90 min)；單、多層重要公共建筑承重墻的耐火等級不應低于二級，耐火極限150 min，遠高于美國、加拿大等國家的多層民用建筑承重墻60 min耐火極限要求.

國內外冷成型鋼組合墻體抗火研究主要集中在最近十幾年，且多為試驗研究.其中，國內部分建筑廠商在天津消防所進行了冷成型鋼承重組合墻體耐火檢驗，最長耐火時間為78 min，試件首先發(fā)生完整性破壞，未充分發(fā)揮建筑板材的耐火性能；國外則已進行了較多冷成型鋼承重組合墻體耐火試驗，但大多只針對以(防火)石膏板作為覆面墻板的冷成型鋼承重墻體，難以滿足中國規(guī)范防火要求，即使采用兩側各三層15 mm厚防火石膏板組合墻體能夠滿足中國規(guī)范防火要求(其耐火時間136 min)[12]，但由于石膏板層數過多造成的建筑成本增大及施工的明顯不便，亦會限制多層冷成型鋼結構在中國的推廣應用.

為了有效提高該類墻體耐火極限，課題組完成了十余片新型冷成型鋼承重組合墻體足尺耐火試驗(圖5)[13-14]，同時考查了墻板類型、填充層及荷載水平等因素對墻體耐火性能的影響.發(fā)現(xiàn)：(1)墻體呈現(xiàn)3種破壞模式(圖6)，即立柱向受火側彎曲屈曲同時伴隨中部高度處冷翼緣局部屈曲(F-Lcold)、距柱頂600～900 mm處熱翼緣局部屈曲導致立柱向背火側彎曲-畸變相關屈曲(Lhot-FD)、立柱頂端由局部屈曲引起的全截面壓屈破壞(LC)；(2)不同荷載水平可能造成墻體產生不同的破壞模式，進而影響其耐火時間；(3)硅酸鋁棉外填充層的設置可明顯延緩墻體龍骨立柱升溫，大幅度提高復合墻體耐火時間；(4)絕大多數墻體試件首先發(fā)生承載力破壞，建筑板材的耐火性能得以充分發(fā)揮，極少數墻體發(fā)生完整性破壞，說明新型墻體構造合理.其中，該類墻體在65%軸向極限荷載水平下的最長耐火時間達到165 min，而前文提到的國外最長耐火時間136 min的墻體，其荷載水平不但低于本課題組墻體試驗荷載而且低于正常使用荷載水平，同時墻板厚度也大于本課題組的新型墻體.

冷成型鋼組合樓蓋是冷成型鋼結構主要豎向荷載傳遞部件.由于冷成型鋼組合樓蓋具有組合梁工作特性，因此應至少滿足中國現(xiàn)行建筑設計防火規(guī)范(GB50016)及住宅建筑規(guī)范(GB50368)的多層民用建筑的梁構件三級耐火極限要求(60 min).火災條件下，冷成型鋼托梁受樓板及吊頂板保護，托梁截面溫度亦呈現(xiàn)明顯不均勻分布.僅有少量文獻涉及冷成型鋼組合樓蓋抗火試驗研究[15-16]，但大多針對冷成型鋼托梁-OSB板(膠合板)組合樓蓋或存在大量現(xiàn)澆作業(yè)的冷成型鋼托梁-壓型鋼板現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋.如前所述，上述樓蓋形式在分戶式多層房屋建筑中不適用.

圖5　冷成型鋼承重復合墻體足尺耐火試驗

圖6　火災下承重組合墻體3種屈曲破壞模式

課題組針對圖3所示的新型冷成型鋼組合樓蓋，完成了近十片足尺耐火試驗，考查了吊頂板材類型、填充層及荷載水平等因素對樓蓋耐火性能的影響[17].發(fā)現(xiàn)：(1)組合樓蓋的破壞模式與均布靜載下簡支板的變形形態(tài)相一致；(2)與承重組合墻體不同，組合樓蓋的破壞模式不隨荷載水平而變化；(3)外置填充層對樓蓋抗火不利，但內置巖棉填充層可將組合樓蓋的耐火時間延長10%以上.課題組所提出的新型組合樓蓋，各試件耐火時間均大于60 min，其中包括書庫(5.0 kN/m2)等高樓面荷載工況.

2.3冷成型鋼組合墻體、組合樓蓋抗火簡化理論

冷成型鋼組合墻體、樓蓋的抗火理論研究主要涉及瞬態(tài)傳熱及熱-力耦合分析.

目前，冷成型鋼組合墻體、組合樓蓋抗火研究的常用計算分析方法為有限元方法及簡化理論模型方法，其中有限元方法計算耗時長、效率較低.為進一步提高計算效率，部分學者分別通過顯式有限差分方法以及串并聯(lián)熱阻能量方程方法預測組合墻體橫截面溫度分布情況[18]，但存在以下不足：(1)顯式差分方法收斂準則較為嚴格，對于部分建筑材料將難以收斂；(2)串并聯(lián)熱阻能量方程方法精度偏低.

在熱-力耦合分析方面，部分學者分別通過對歐洲ENV1993規(guī)范建議公式、北美AISI規(guī)范的直接強度法計算公式進行修正，以此用于冷成型鋼承重組合墻體單側受火計算[19-20]，其不足之處在于：(1)修正公式計算過程繁瑣，且計算結果為構件高溫極限承載力，而不是實際工程更為關心的耐火時間，不便工程設計使用；(2)冷成型鋼組合墻體受火破壞模式已較常溫情況發(fā)生明顯改變，但其仍沿用墻體常溫屈曲計算思路，物理意義不明確；(3)計算過程中無法考慮構件由于溫度彎曲變形引起的二階P-△效應，而其在墻體的側向變形所占比重以及對墻體破壞模式的影響都非常重要，由此導致墻體高溫極限承載力計算結果精度不夠理想.

為了提高冷成型鋼組合墻體、樓蓋的抗火分析精度與計算效率，課題組提出了瞬態(tài)傳熱簡化模型——隱式差分模型[21-23](圖7).該模型可考慮各層覆面板材隨溫度變化的不同熱物理特性(包括受火過程中脫水、分解及水蒸氣移動現(xiàn)象)及板材脫落影響.課題組還提出了熱力耦合簡化理論模型[20-22](圖8).模型將問題簡化為輕鋼龍骨在不均勻溫度、荷載下的二階分析問題，可以考慮截面材料不均勻熱物理特性、強幾何非線性、中性軸偏移等.利用上述模型，組合墻體、樓蓋破壞模式模擬結果與試驗結果一致，耐火時間估算結果與試驗結果相比整體偏于安全，相對誤差在15%以內.此外，課題組還利用有限元軟件ANSYS進行了墻體耐火數值模擬，模擬過程一般需要花費幾個甚至十幾小時，而采用熱力耦合模型僅需幾秒鐘即可完成求解.特別是，熱力耦合模型的時間-側向變形曲線計算結果與試驗結果整體亦較為吻合，由此大幅度提高了該類墻體及樓蓋的耐火計算分析效率.

圖7　冷成型鋼復合墻體有限差分傳熱模型

圖8　冷成型鋼復合墻體熱-力耦合簡化理論模型

3新型多層冷成型鋼結構抗側研究

3.1多層冷成型鋼龍骨式復合剪力墻結構體系抗震特點

地震模擬振動臺實驗和震害調查表明，低層冷成型鋼房屋具有良好的抗震性能，9度罕遇地震下一般不會出現(xiàn)整體倒塌.但多層輕鋼龍骨式復合剪力墻結構，隨著結構高度的增加，P-Δ效應將加?。煌瑫r，輕鋼龍骨式復合墻體在各樓層處上、下構造不連續(xù)，由此會明顯降低結構的側向剛度和承載力，導致震害程度和破壞概率大大增加.

輕鋼龍骨式復合剪力墻結構的破壞機理與延性的框架結構和剪力墻結構不同，也和采用脆性材料的砌體房屋結構不同.前文已提到，輕鋼龍骨式復合墻體在各層的不連續(xù)會明顯降低結構的側向剛度和承載力，因此，單純從墻體抗剪強度角度低于砌體結構.另一方面，復合墻體中的C形和U形輕鋼龍骨立柱壁厚多為2 mm以下，截面板件寬厚比大，水平荷載作用下易在構件端部受壓區(qū)域發(fā)生屈曲破壞.大量單層石膏板(或OSB板)龍骨復合墻體的滯回曲線多為反S形和Z形[24-25]，曲線形狀不飽滿，“捏攏”現(xiàn)象明顯，說明墻板的延性和吸收地震能量的能力較差，因而無法像框架結構或剪力墻結構形成理想塑性屈服機制.綜上，多層輕鋼龍骨式復合剪力墻結構是介于延性與脆性結構之間的一種新型結構體系.

3.2多層輕鋼龍骨式復合墻體抗剪性能

國內外學者普遍采用低周反復抗剪足尺試驗和數值模擬方法研究輕鋼龍骨式復合墻體的抗剪性能，并以實驗手段為主.大量的試驗集中于單層墻體，試驗墻體分為單面覆板和雙面覆板，墻板種類包括波紋鋼板、OSB板、石膏板和膠合板等.試驗結果非常一致，即：墻板對結構抗側剛度和承載力起主要作用；立柱間距對墻體抗剪性能影響不大；墻體滯回曲線形狀不飽滿，曲線基本呈反S 形或者Z形，滯回曲線滑移及“捏攏”現(xiàn)象明顯，結構的耗能機制主要是通過鋼龍骨與覆面板之間的相對變形，墻板吸收地震能量能力較差.

本課題組針對圖4所示墻體形式，進行了50余片的單層、雙層及三層低周反復抗剪足尺試驗(圖9).發(fā)現(xiàn)[26-30]：(1)破壞模式與普通雙拼邊柱墻體明顯不同.對于多層結構，邊柱穩(wěn)定尤為重要，且因抗拔螺栓與螺栓孔的間隙帶來的相鄰墻體之間的相對側向變形同樣不容忽視.一旦墻板失效，傳統(tǒng)的雙拼C型邊柱很容易被壓屈(圖10(a))，進而導致整片墻體的失效；采用方鋼管混凝土邊柱則可同時解決邊柱穩(wěn)定和抗拔問題(圖10(b))，因為其自身穩(wěn)定性能大大提升，且能有效抑制螺釘傾斜.墻體破壞時，邊柱螺釘被剪斷，但除墻板周邊螺釘外的其余螺釘無明顯變形，保證了失去周邊螺釘約束的墻板仍可發(fā)揮蒙皮受力作用；當邊柱剛度足夠大時，上下層通長的方鋼混凝土邊柱可保持穩(wěn)定并為墻體提供除墻板以外的另一道安全防線，從而進一步提升了加強型墻體的安全性能；(2)新型墻體的抗剪承載力可較普通墻體提高30%～50%.雖然各試驗墻體的材料、龍骨截面尺寸和螺釘間距均存在一定差異，但總體來說，采用方鋼管混凝土柱作為墻體邊柱可顯著提高冷成型鋼組合墻體的抗剪承載力；(3)與普通型邊柱墻體相比，采用方鋼管混凝土邊柱可顯著提高墻體的彈性抗側剛度，且墻體屈服后表現(xiàn)出較好的耗能能力.這是由于柱內混凝土對螺釘尾部約束較強，降低了螺釘的傾斜幅度，從而減小了墻體的側向變形、提高了墻體的抗變形能力.組合墻體的耗能機制主要是螺釘連接件及立柱的變形，墻體屈服后，鋼管混凝土邊柱改善了墻體的側向變形，使墻體內部螺釘變形得以充分開展，提高了墻體的耗能能力；(4)提出了開洞墻體抗剪承載力簡化計算方法.冷成型鋼組合墻體主要通過墻板與骨架經螺釘連接后產生的蒙皮效應抵抗水平荷載，墻體開洞削弱了這種作用.開洞面積越大，墻體抗剪承載力越小，且與洞口位置有關.美國AISI規(guī)范采用經驗公式對傳統(tǒng)開洞墻體的抗剪承載力進行估算，但計算結果偏保守.課題組將洞口兩側及洞口上部墻體等效為組合柱和連梁，提出了新型墻體開洞后的抗剪承載力簡化計算方法，與試驗結果對比表明，簡化方法不但適用于單層開洞墻體的抗剪承載力計算，還可用于計算多層開洞墻體的底層剪力，且計算精度理想.

4新型多層冷成型鋼結構體系尚需研究的問題

4.1整體結構抗火

一般結構發(fā)生火災時，只有部分構件受熱，且受熱構件之間以及受熱構件與非受熱構件之間相互影響，因此采用單獨構件進行標準火災試驗的方法分析實際結構在火災下的性能不夠精確.為了達到安全經濟的防火設計目標，需要對火災下的結構進行整體分析.

圖9　雙層組合墻體抗剪試驗

圖10　雙拼邊柱與方鋼管混凝土邊柱破壞模式對比

由于造價昂貴，目前整體結構火災試驗很少[31-33].文獻[30]提及了著名的Cardington火災試驗，該試驗使人們對輕鋼工業(yè)廠房的實際抗火能力有了全新認識，并為該類結構抗火設計提供了寶貴的經驗與數據.目前缺少多層輕鋼房屋整體結構的基準火災試驗.通過建立分析模型進行整體結構數值模擬的方法亦是研究結構火災反應的重要手段.冷成型鋼結構通常含有幾百上千根龍骨，同時大片的墻板及自攻螺釘連接件對冷成型鋼骨架的約束作用不可忽略，導致冷成型鋼整體結構數值模型較傳統(tǒng)框架結構復雜許多.大量文獻涉及鋼框架整體結構抗火數值模擬，甚至包括火災誘發(fā)的結構連續(xù)倒塌過程仿真，僅有極少量文獻涉及冷成型鋼整體結構抗火數值模擬，其中，文獻[34]采用美國GSA和DOD綱要中的線彈性分析方法對一棟3層冷成型鋼結構兵營進行彈性受火倒塌分析.該方法可避免整體結構模型中部分構件進入塑性后引起的數值計算收斂困難問題，但計算結果準確性難以保證.尚未檢索到冷成型鋼整體結構受火彈塑性連續(xù)倒塌數值模擬研究文獻.

4.2地震下抗倒塌相關設計理論與方法

中國低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術規(guī)程(JGJ227—2011)未給出罕遇地震下抗倒塌設計方法.美國AISI協(xié)會于2013年3月20日批準編制AISI S400, North American Standard for Seismic Design of Cold-Formed Steel Structural Systems，該標準已與2016年2月1日正式公布實施，相關設計理論在我國的適用性尚需驗證.

中國現(xiàn)行抗震規(guī)范GB 50011—2010給出了多層鋼結構和鋼筋混凝土框架結構房屋“大震不倒”的驗算方法和彈塑性層間位移角限值.但前文已述，多層輕鋼龍骨式復合剪力墻結構由于材料、構件和結構體系均存在獨特之處，罕遇地震下的失效機理和破壞模式勢必與上述鋼結構和鋼筋混凝土框架結構不同，故無法照搬其抗倒塌設計方法.

5結論

中國人口眾多，土地資源緊張，又是世界上地震災害最為嚴重的國家之一，因此發(fā)展多層冷成型鋼房屋建筑更加符合中國國情.將在北美、澳洲、日本等廣泛應用的低層冷成型鋼結構體系拓展至多層結構，本文指出了4個主要技術難點.在此基礎上，介紹了一種新型多層輕鋼結構體系，即多層冷成型鋼龍骨式復合剪力墻結構體系及其兩個重要部件(冷成型鋼托梁龍骨-ALC板組合樓蓋、帶有夾心墻板單元的輕鋼龍骨式復合墻體)，并針對該新型體系的抗側、抗火等基礎理論問題，闡述了課題組研究進展及國內外同行的相關研究工作.最后，從宏觀角度指出了該新型體系尚需開展的研究工作.

致謝

感謝我的學生們在此文所提及的研究成果中所做的貢獻，他們是：陳偉博士、王星星博士生、江力強博士生、賈鴻遠碩士、彭貝碩士、劉巍碩士、尹亮碩士、汪正流碩士、趙孟圓碩士、趙明月碩士生、許陽碩士生、于強碩士生.

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(編輯趙麗瑩)

An introduction of mid-rise thin-walled steel structuresResearch progress on cold-formed steel framed composite shear wall systems

YE Jihong

(Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures (Southeast University), Ministry of Education, 210018 Nanjing, China)

Abstract:Cold-formed steel structures are natural green and industrialized buildings. Due to the large population, shortage of land resource, as well as serious earthquake disasters, the development of mid-rise cold-formed steel structure becomes very consistent with Chinese national conditions. At present, there are four major technical difficulties existed in the expansion of low-rise cold-formed steel structure systems to mid-rise buildings. Based on the investigation and improvement on the structure system and major components, a new mid-rise cold-formed steel framed composite shear wall structure system was proposed, and two important components of the new structure system were developed, including a composite floor system combining cold-formed steel joists with autoclaved lightweight concrete slabs and cold-formed steel shear wall with sandwich panel units. This paper also reviewed our and other researchers’ latest investigation on some fundamental theory problems, such as the lateral and fire resistances of the new structure system et al. Finally, the author points out some research work need to be conducted for the new structure system from a macroscopic perspective.

Keywords:cold-formed steel structures; mid-rise cold-formed steel framed composite shear wall structure system; seismic resistance; fire resistance；research progress

中圖分類號:TU392.5

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)06-0001-09

通信作者:葉繼紅，yejihong@seu.edu.cn.

作者簡介:葉繼紅(1967—)，女，教授，博士生導師.

基金項目:國家自然科學基金重點項目(51538002).

收稿日期:2016-02-23.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.06.001