钢框架的抗震设计要点（钢框架-冷弯薄壁型钢剪力墙结构抗震性能试验研究）

张 铮，陈笃海，江忠画，张其林

摘要：对钢框架-冷弯薄壁型钢剪力墙结构足尺试件进行水平低周往复加载试验，得到延性、耗能能力、刚度及承载力等指标，考察该类结构的破坏模式和耗能机理。对有无钢框架约束的冷弯薄壁型钢墙体进行比较，发现受钢框架四周约束的冷弯薄壁型钢墙体整体性增强，塑性性能得到改善，杆件材料利用率增加，可以充分发挥剪力墙的作用。钢框架-冷弯薄壁型钢剪力墙结构滞回曲线饱满、下降段承载力只略有降低，与钢框架-钢板剪力墙结构表现类似，优于与框架柱未连接的情况。试验结果表明，冷弯薄壁型钢剪力墙利用自身变形来充分发挥耗能作用，与钢框架之间耦合效应显著，整体侧向刚度大，延性系数达3.33，具有良好稳定的抗震性能。

关键词：钢框架-冷弯薄壁型钢剪力墙结构；抗震性能；四周约束；耦合效应；延性系数；耗能机理

Abstract：Through the experiment of the full-scale specimen of steel frame with cold-formed thin-walled steel shear wall structure under low-cycle lateral loading， the ductility， energy dissipation capacity， stiffness， and load-carrying capacity are obtained， and the failure mode and energy dissipation mechanism are investigated. When cold-formed thin-walled steel walls with or without steel frame constraints are compared， it is found that the cold-formed thin-walled steel wall restrained all around the steel frame has enhanced integrity， improved plastic properties， and increased utilization of members material， allowing the shear wall to play its full role. The hysteretic curve of a steel frame with a cold-formed thin-walled steel shear wall structure is full， and the load-carrying capacity of descending section is slightly reduced， which is similar to that of a steel frame with a steel plate shear wall structure and is better than that of steel frame with cold-formed thin-walled steel shear wall structure without connection with frame column. The results of the tests reveal that the cold-formed thin-walled steel shear wall completely utilizes its deformation to maximize the energy dissipation effect. The shear wall and steel frame have a considerable coupling effect， the total lateral stiffness is high， and the ductility coefficient approaches 3.33， indicating good and stable seismic performance.

Keywords：steel frame with cold-formed thin-walled steel shear wall structure；seismic performance；restrained all around；coupling effect；ductility coefficient；energy dissipation mechanism

随着建筑高度的增加，水平荷载逐渐起控制作用，钢框架结构可加入剪力墙等抗侧力部件形成双重抗侧力体系以增强侧向刚度和抗震能力。在钢框架-剪力墙体系中，剪力墙作为主要耗能构件，可确保主体结构安全^[1]。对于钢框架-混凝土剪力墙结构，二者刚度和延性相差大，协同工作不佳^[2]。对于钢框架-钢板剪力墙结构，由于剪力墙刚度偏大，框架柱易较早发生破坏，导致剪力墙无法充分发挥耗能作用，XUE等^[3]、LUBELL等^[4]、郭彦林等^[5]提出强框弱墙的设计理念。

在实际工程中，钢框架内填的冷弯薄壁型钢墙体往往被归于填充墙而未考虑其实际是参与受力的。但研究表明其与钢框架可协同工作^[6]，结构整体的承载力大于二者独立工作时的线性叠加^[7]，墙体与钢框架的剪力分担比例证明二者存在明显的组合效应^[8]。田惠文^[9]对两层单跨钢框架-龙骨桁架式复合墙体结构开展试验，发现二者协同工作良好，覆薄钢板的冷弯薄壁型钢墙体可起到剪力墙的作用。有必要考察内填在钢框架的普通冷弯薄壁型钢墙体作为剪力墙的有效性和实用性。

对钢框架-冷弯薄壁型钢剪力墙结构试件在水平方向上进行低周往复加载试验，进行纯冷弯薄壁型钢墙体的比照试验，揭示钢框架-冷弯薄壁型钢剪力墙结构的主要破坏模式和耗能机理，并提出初步的设计建议，以期推动钢框架-冷弯薄壁型钢剪力墙结构的发展与应用。

1 试验概况

1.1 试件设计

试件FW为钢框架-冷弯薄壁型钢剪力墙结构，长度为4.06m，高度为3.06m，具体构造如图1所示。刚性支撑在结构抗震时承受往复拉压作用，协同立柱抵抗水平荷载和竖向荷载，可以提高结构的抗剪承载力、侧向刚度和耗能能力^[10]，故试验中采用密布刚性支撑的布置方式。

图1 试件FW构造（单位：mm）

Fig.1 Details of specimen FW （Unit：mm）

试件FW由外部普通钢框架与内部冷弯薄壁型钢墙体通过ST5.5自攻螺钉连接而成，其中：外部钢框架中框架柱规格为HW200mm×200mm×8mm×12mm，框架梁为HM300mm×200mm×8mm×12mm，内部墙体的立柱与刚性斜撑规格为C97mm×38mm×12mm×1.2mm，上、下导轨与刚性横撑为U100mm×42mm×1.2mm，钢材选用Q235B钢。框架柱与底座通过焊接连接，框架梁与柱之间通过高强螺栓连接。立柱间距为610mm，均为单根C形立柱，两边立柱与框架柱通过间距为200mm的双排自攻螺钉连接，试件底部设有抗拔件。设两道刚性横撑，骨架每个区格内均设刚性斜撑，各杆件之间通过ST5.5自攻螺钉连接，中部斜撑采用节点板连接。

1.2 加载装置

试验采用水平低周往复加载方式，全程采用位移控制进行加载，加载装置如图2所示。竖向荷载一次加满并全程保持不变，随即施加水平荷载。试件FW施加200kN竖向荷载，经分配梁通过4等分点布置的钢垫块传递给加载顶梁。反力梁与千斤顶间安装滑动导轨，以保证竖向荷载作用位置不变。在加载梁腹板两侧设置滚动轮式侧向支撑，防止试件发生平面外倾覆。试件与加载顶梁和底座通过ST5.5自攻螺钉锁紧。底座通过地锚螺栓与地面紧固连接，并在底座两端设置千斤顶，以保证加载时底座不发生滑移。

图2 加载装置

Fig.2 Loading setup

1.3 测点布置

为测量试件和加载装置在试验过程中的位移变形，共布置9个位移计，如图3所示。为掌握试件的受力情况，在钢框架和冷弯薄壁型钢杆件上均设有应变片，如图4所示。

图3 位移计布置

Fig.3 Layout of displacement meters

图4 应变片布置（单位：mm）

Fig.4 Layout of strain gauges （Unit：mm）

1.4 材性特征

冷弯薄壁型钢材性试样选取C形杆件与U形杆件的腹板部分，热轧型钢材性试样选取框架梁、框架柱的腹板与翼缘部分，取样方向为平行轧制方向。每组制作3个标准试样^[11]，试验结果均值如表1所示。

2 钢框架-冷弯薄壁型钢剪力墙结构

2.1 试验现象

水平位移加载至4mm时，冷弯薄壁型钢杆件相互挤压发出轻微响声，连接螺钉开始松动。水平位移加载至12mm时，上下导轨、上部横撑、中立柱发生局部屈曲。随着加载位移的增加，杆件屈曲程度愈发显著。水平位移加载至32mm时，在斜撑与上下导轨、横撑连接处，多数螺钉陆续发生剪切破坏。水平位移加载至68mm时，两侧框架柱柱顶腹板发生扭曲撕裂，柱脚焊缝产生裂缝。试件FW的破坏顺序为剪力墙屈曲、屈服→框架柱柱顶腹板局部屈曲和柱脚焊缝破坏→最终破坏为受压柱侧向失稳。主要变形如图5所示。

图5 试件FW主要变形

Fig.5 Main deformation of specimen FW

2.2 滞回曲线

加载位移很小时，试件处于弹性阶段，滞回环面积很小，滞回曲线基本为直线，如图6b）所示。随着加载位移的增加，试件进入弹塑性阶段，连接螺钉开始松动，横撑、斜撑和下导轨发生局部屈曲，滞回环面积逐渐扩张，滞回曲线呈反S形，如图6c）所示。由于螺钉与冷弯薄壁型钢杆件产生的孔壁张合，“捏拢”现象较为明显。随着连接螺钉陆续发生剪切破坏，横撑和斜撑开始屈服，试件进入塑性变形阶段，滞回曲线由反S形向梭形过渡，如图6d）所示。加载后期，滞回曲线愈加饱满呈梭形，如图6e）所示。

图6 试件FW滞回曲线

Fig.6 Hysteretic curves of specimen FW

当试件FW达到极限承载力时，滞回曲线由反S形向梭形发展。这是因为峰值荷载前钢框架基本处于弹性变形阶段，滞回曲线的形状由冷弯薄壁型钢剪力墙主导，达到峰值荷载后钢框架进入弹塑性变形阶段，滞回曲线的形状由钢框架与冷弯薄壁型钢剪力墙共同决定，滞回曲线变得饱满。

2.3 骨架曲线

试件FW的骨架曲线如图7所示，主要试验结果如表2所示。如图8所示，点A为峰值点，屈服点采用能量等效面积法确定^[12]，过点A作水平线AC，过原点O作割线OD与骨架曲线OAB相交于点F，使得面积S_FGOF=S_FADF，过点D作垂线DE与骨架曲线OAB相交于点E，则点E为屈服点。由于承载力下降幅度未达到15%，故取加载试验中最大位移对应点B为破坏点。将峰值荷载P_max除以试件长度L得到抗剪强度P_s，即单位长度墙体所能承受的最大剪力值，单位：kN·m^-1。

图7 试件FW骨架曲线

Fig.7 Skeleton curve of specimen FW

图8 特征点的确定

Fig.8 Determination of characteristic points

由图7可知，试件FW的荷载上升速率较快，而下降速率平缓，避免了试件的脆性破坏。当加载位移达到罕遇地震情况下的层间位移角限值1/50时（55.2mm），试件FW的荷载为97.11kN，约为峰值承载力的98%。当试验结束时（96mm），荷载为89.4kN，约为峰值承载力的90%。结构没有发生整体破坏，保持了较强的承载能力，符合“大震不倒”的抗震设计要求。

2.4 延性性能

延性反映结构屈服后依然能够继续受力变形且承载力没有大幅下降的性能，延性系数是结构抗震性能分析的一项重要指标^[12]。位移延性系数μ计算公式为：

由表2可知，试件FW延性系数为3.33，具有良好的延性性能。试验结束时位移为96mm，层间位移角为1/30，满足《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）^[13]规定的弹塑性层间位移角限值1/50，具有良好的变形能力。当试件进入弹塑性阶段后，剪力墙通过杆件的屈曲和连接螺钉的变形来承担受力，发生显著变形，属于延性破坏，而钢框架基本仍处于弹性阶段，结构安全冗余度大。

2.5 耗能能力

取荷载达到峰值时的滞回环，能量耗散系数E由图9确定^[12]，具体数值列于表2。

图9 能量耗散系数的确定

Fig.9 Determination of energy dissipation coefficient

计算公式为：

取加载位移Δ为自变量，试件FW在每一级加载位移下的第1圈滞回曲线包围的面积E₁为因变量，如图10所示。E₁随着加载位移的增加而增大，试验结束时达到最大值12,311kN∙mm，累积耗能ΣE₁为200,235kN∙mm。钢框架-冷弯薄壁型钢剪力墙结构是通过钢框架与剪力墙的挤压、连接螺钉的屈服和钢框架自身的变形来一起耗散能量，该类框剪结构耗能性能优越。

图10 能量耗散

Fig.10 Energy dissipation

2.6 刚度退化

刚度退化可用割线刚度K进行描述^[12]，计算公式为：

式中：P_i为第i级加载循环峰值点的荷载值；Δ_i为第i级加载循环的水平位移。

取骨架曲线上1/300侧移角处的割线刚度为抗侧刚度K_c，具体数值列于表2，刚度退化曲线如图11所示。试件FW刚度退化总体上较为稳定，未见刚度异常突变。加载位移为0.5~4.0mm时，试件刚度退化速率较快，而后逐渐趋于平缓。这是因为剪力墙内部杆件在水平荷载和倾覆力矩共同作用下较早开始屈曲，而随着加载位移的增加，二者之间的耦合作用更加显著，刚度退化趋于平稳。

2.7 承载力退化

承载力退化性能可用承载力退化系数λ进行描述^[12]，计算公式为：

取试件侧移角θ为自变量，承载力退化系数λ为因变量，如图12所示。由于钢框架与剪力墙始终保持着有效连接，试件FW耦合作用得到充分发挥，λ在0.90~1.05区间内波动，承载力退化非常稳定，不会发生突然的强度破坏。

图11 刚度退化

Fig.11 Stiffness degradation

图12 承载力退化

Fig.12 Strength degradation

2.8 应变分析

图13给出了试件FW中钢框架的荷载-应变曲线，其中框架柱柱顶腹板的应变反应最大，框架柱翼缘和梁柱连接处次之，而框架梁腹板和梁柱连接板的应变反应最小。除框架柱柱顶腹板和柱脚焊缝发生破坏，其余部位基本仍处于弹性变形阶段，建议在实际工程中对框架柱柱顶和柱脚加强构造措施，防止其过早破坏，使钢框架能充分进入塑性发展阶段，以进一步增强结构的承载能力和延性性能。

图13 钢框架荷载-应变曲线

Fig.13 Load-strain curves of steel frame

3 有无钢框架约束的墙体比较

为考察冷弯薄壁型钢墙体在有无钢框架约束下的受力性能差异，对纯冷弯薄壁型钢墙体试件SW进行低周往复加载试验，其与试件FW内部墙体构造一致。试验结果表明，其主要破坏模式为下导轨、立柱发生局部屈曲，下部节点板产生平面外变形，斜撑与下导轨连接螺钉发生剪切破坏，如图14所示。

图14 试件SW主要变形

Fig.14 Main deformation of specimen SW

从试验现象来看，受钢框架约束的墙体破坏程度更加明显。试验结束时，无约束墙体除斜撑与下导轨连接螺钉发生剪切破坏，其余杆件变形均不明显。而有约束墙体内多处杆件均发生了程度较深的破坏，包括上部横撑局部屈曲、斜撑与上下导轨连接螺钉剪切破坏等，变形更加充分。可见，有约束墙体的杆件材料利用率大大增加。

从应变数据来看，受钢框架约束的墙体在各典型破坏点处的应变明显大于无约束墙体的应变。图15给出了有无钢框架约束的冷弯薄壁型钢墙体试验破坏严重处5个点的应变，其中1~5点详细位置如图5所示。在上部横撑处（1点），当加载位移为36mm时，无约束墙体的应变为28.8με，有约束墙体的应变为436.2με，约为无约束墙体的15倍。可见，有约束墙体内杆件的塑性发展更为充分。

图15 典型破坏点应变分析

Fig.15 Strain analysis of typical breaking points

4 与其他钢结构框剪体系的比较

图16a）、16f）分别为冷弯薄壁型钢墙体试件SW和钢框架-冷弯薄壁型钢剪力墙结构试件FW的滞回曲线。由图16a）、16b）^[14]可以发现，无约束冷弯薄壁型钢墙体滞回曲线捏缩明显，无剪力墙钢框架耗能能力较弱。而钢框架-冷弯薄壁型钢剪力墙结构的滞回曲线饱满，耗能能力强，如图16f）所示。当试验结束时，试件FW的荷载约为峰值承载力的90%，剪力墙的部分横撑、斜撑与上下导轨发生明显的屈曲、屈服，但剪力墙一直没有失效，结构仍保持整体性和绝大部分的承载力。试验表明二者协同良好，结构下降段承载力降低不明显。

图16 钢框架-剪力墙结构滞回曲线

Fig.16 Hysteretic curves of steel frame with shear wall structure

传统钢框架-钢板剪力墙结构^[15]承载力高，但由于剪力墙刚度过大，导致其在循环荷载作用下变形小、耗能弱，如图16c）所示。改进形式诸如对钢板剪力墙采取开缝措施进行弱化^[16]，可明显增强耗能能力，如图16d）所示。与钢框架-开缝钢板剪力墙结构相比，钢框架-冷弯薄壁型钢剪力墙结构同样能达到滞回曲线饱满、承载力达到峰值后只略微下降的效果。

田惠文^[9]进行的钢框架-龙骨桁架式剪力墙结构试验，剪力墙与两边框架柱留有缝隙，未受到充分约束，刚度贡献也滞后于钢框架。承载力达到峰值后显著下降，如图16e）所示，滞回曲线饱满情况也不如试件FW。可见后者将冷弯薄壁型钢剪力墙与四周钢框架可靠连接，是充分发挥二者间耦合作用的重要前提。

研究表明，钢框架-钢板剪力墙结构的延性系数要求大于3.0^[5,17]，而钢框架-冷弯薄壁型钢剪力墙结构试件FW的延性系数达到3.33，延性性能良好，完全满足抗震要求。总体而言，将内填于钢框架的冷弯薄壁型钢墙体作为剪力墙来参与抗震是有效的。

5 结 论

基于钢框架-冷弯薄壁型钢剪力墙结构的试验研究与分析，可以得到以下几点结论和设计建议：

（1）钢框架与内填的冷弯薄壁型钢墙体之间存在显著的耦合效应，四周受约束的核心墙体较无约束时大大强化，核心墙体在整体结构失效前始终保持整体性和承载力，完全可以起到剪力墙的作用。钢框架得到核心墙体支撑后抗侧能力和耗能能力也大大增强，二者组成可靠的框剪结构体系。

（2）钢框架-冷弯薄壁型钢剪力墙结构在出现柱顶腹板扭曲撕裂、柱脚焊缝断裂等典型框剪破坏模式时，框架其余部位塑性发展程度较轻，在大变形下仍保持较高的稳定性；小震或中震后可仅对冷弯薄壁型钢剪力墙进行维修或更换，大震下可有效避免连续倒塌，是一种全新的装配式结构抗震设计理念，能够满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计要求。

（3）钢框架与冷弯薄壁型钢剪力墙之间采用自攻螺钉进行连接是可靠的，试验中大多数螺钉未观察到变形，仅有个别螺钉发生剪切破坏。通过试验研究发现，冷弯薄壁型钢剪力墙如未与框架柱相连，二者耦合效应不明显，建议在工程实践中墙体应与框架柱可靠连接。

（4）冷弯薄壁型钢剪力墙中密布刚性支撑（包括横撑和斜撑），结构冗余度大，具有不同于梁柱集中受力体系的分散受力特征。当个别杆件或连接失效时，通过传力路径重塑和内力重分布，荷载传递持续有效。为保证冷弯薄壁型钢墙体充分发挥其剪力墙作用，建议在墙体中密布刚性横撑和刚性斜撑。

（5）钢框架内填的冷弯薄壁型钢剪力墙由于材料轻质的优点，自身刚度不大，可以更好地匹配钢框架较柔的特点，二者协同工作良好，符合“强钢框架、弱剪力墙”的设计理念，抗震性能优越。此外，该框剪结构体系内填的剪力墙采用常规作法的冷弯薄壁型钢墙体，构造与连接无需特殊处理即可达到良好效果，制作加工简单、施工安装便捷、易修复、可更换，全装配式的特征符合新型建筑工业化的要求，具有广阔的应用前景，值得开展更全面的研究。

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建筑钢结构进展

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