双片OSB覆面冷弯薄壁型钢墙体滞回性能研究

双片OSB覆面冷弯薄壁型钢墙体滞回性能研究

刘鹏、钱哲、王连光、

, 王元清

摘要：为研究墙体结构对双层OSB板覆盖冷弯薄壁型钢墙体滞回性能的影响，对6块冷弯薄壁型钢墙体进行了单调、低荷载作用下的试验研究。反复荷载作用。分析了边梁、石膏板、次龙骨等参数对墙体抗剪承载力、滞回性能及延性的影响。试验结果表明，边梁的存在提高了墙体的承载力约12%;内侧添加石膏板使复合墙体的初始刚度增加约20%,但对延性比及极限承载力对应的位移影响不大,表明荷载-位移曲线下降段试件主要依靠OSB与冷弯型钢框架之间较强的连接；降低次龙骨厚度和强度会降低复合墙体承载力、初始刚度和极限承载力对应的位移，试件破坏集中在复合墙体侧柱下1/3处，底轨与竖板缝处未发生断裂，未见次龙骨局部屈曲破坏；试件破坏模式为螺钉左右倾斜将OSB板拔出，螺钉剪断、OSB板在端面撕裂。组合墙体拐角处，试件滞回曲线呈现“夹紧”现象，荷载-位移曲线下降段承载力衰减、刚度退化明显，且能耗较低。

关键词：冷弯薄壁型钢墙体；滞回性能；OSB；石膏板；板节点

：为了研究OSB冷钢墙体，对六块冷钢墙体进行了低周试验。试验中，边缘梁、板和螺栓等的剪力、墙体的承载力和抗剪承载力都进行了研究。试验结果表明，边梁可使墙体的承载力降低12%。板墙体的承载力为20%，但比重较小，说明OSB的承载力下降以及冷钢框架。

立柱的和将 ， 和 到墙的 。 的在墙的侧面的下1/3处，导轨和板缝。 立柱的号数。 的模式就是螺丝左右倾斜，OSB就出来了。

发现螺钉位于墙体的 处，OSB 板被撕裂。 的曲线呈现“收缩”形状，荷载曲线的 处的 和 为 ，且 较低。

：冷钢墙体； ；OSB； 板；接缝

OSB覆层冷弯薄壁型钢组合墙体是抗侧力体系的基本单元，冷弯薄壁型钢抗侧力体系主要由冷弯薄壁型钢框架和因此研究多壁板复合墙体的力学性能及破坏机理，对研究整体抗侧力体系具有现实意义。近年来，OSB 覆面冷弯薄壁板的力学性能研究取得了丰硕成果。钢组合墙体引起了研究者的关注,并进行了一系列的研究,特别是在组合墙体的抗剪、抗震性能方面[1-10]。其中,FULOP等[1-2 ]等[3]对OSB覆盖冷弯薄壁型钢组合墙体龙骨的强度和抗剪性能进行了相关理论与试验研究，并通过数值模拟对相关影响因素进行了系统的可靠性分析；等等[4]和姚等。 [5] 对不同结构截面组合墙体进行了数值研究，在相关参数比较的基础上，提出了组合墙体强度提升及局部几何缺陷预测模型；吴汉衡等 [6] 研究了组合墙体的抗震性能轻质脱硫石膏改性材料填充冷弯型钢复合墙体的研究。研究表明，与空心墙相比，填充墙的抗剪承载力和侧向刚度有较大提高；苏明洲等[7]、石俞等 [8] 为研究冷弯薄壁型钢组合墙体的抗震性能，考虑试件刚度退化、滑移及捏合效应的影响，建立了组合墙体的恢复力模型。袁琪等 [9] 研究了开孔尺寸及位置对墙体抗剪性能的影响，研究发现，当构件发生损伤时，靠近开孔处的带肋波形钢板发生剪切屈曲，墙脚侧柱弯曲。此外，周旭红等 [10] 对组合墙体进行了水平单调荷载试验和循环荷载试验，探讨了墙板材料、高宽比、竖向荷载对墙体剪切性能和抗震性能的影响。研究结果表明石膏板墙体与OSB复合墙体的抗剪承载力可近似视为单块石膏板与单块OSB墙体的抗剪承载力之和。

目前关于冷弯薄壁型钢墙体中OSB节点、边梁位置等构造细节对墙体力学性能影响的研究相对较少，因此本文对冷弯薄壁型钢墙体进行了静力和循环荷载作用下的 ...对6栋以双层OSB为墙板的复合墙体进行了荷载试验，分析了边梁、内石膏板、次龙骨等主要因素对复合墙体剪切性能和滞回性能的影响，研究结果可为建筑结构设计、施工及验收提供参考适合实际工程应用。

1 实验概述

1.1 试样设计

试验共设计制作了6块双层OSB贴面冷弯薄壁型钢组合墙体试件，设计参考了实际工程实践[11-12]，墙体边柱采用由两块C型钢制成，通过双排自钻螺钉（直径4.8mm，间距300mm）背对背连接成I形接头面；边梁与上部柱连接墙体部分用6颗自钻螺钉（直径4.8mm，间距50mm）固定；墙体钢架在墙体中间用40mm×1.5mm槽钢加固，并通过角钢与柱自钻螺钉连接；上下导轨采用U型钢，立柱与导轨采用自钻螺钉连接，OSB、石膏板厚度均为12mm； OSB板水平接缝采用宽度40mm、厚度1.5mm钢筋通过双排自钻螺钉连接，柱子与盖板采用双排自钻螺钉连接。背对背边柱与盖板连接钻孔螺钉采用十字交叉布置，螺钉间距为150/300mm。采用三根次檩条，间距为600mm。次檩条螺钉间距为300mm，拼接板节点处螺钉间距为150mm。试件两侧边柱底部内侧均设有预挠度扣件，以防止试件拼接过程中边柱底部发生局部屈曲。加载中。 次檩条、边柱背靠背连接及导轨尺寸见图1，墙体构造及几何尺寸见图2。墙板采用两块1.22m× 2.44m OSB，水平接缝位于2.44m高度，试件编号及参数如表1所示。

图1 模块化墙柱及导轨截面尺寸（单位：mm）

墙体立柱及轨道示意图（单位：mm）

图2 墙体结构及几何尺寸（单位：mm）

墙体图及（单位：mm）

1.2 材料特性

对试验所用钢材进行了材料性能试验，试验结果见表2。材料性能试验采用4482试验机进行，均匀加载速率为1.27 mm min-1。柱为为-54型，自攻螺钉为高强度8号螺钉。

材料试验结果表明:去除涂层后,试验所用钢板厚度满足北美标准AISI S201-07[11]的最小厚度要求;所有试件均满足北美标准延展性的要求AISI S100-2007[12]，即抗拉强度与屈服强度之比大于1.08，伸长率大于10%。

1.3 加载试验及位移测量

加载装置采用MTS电液伺服控制系统，液压伺服作动缸水平推力为150kN，作动缸行程为±127mm，试验数据采用NI数据采集系统采集。试件通过螺钉与热轧T型钢梁连接，以传递水平推力，水平T型钢梁与作动器铰接；为保证试件在加载过程中在平面内移动，两定制多排钢滚轮，固定在顶部反力架上，水平T型钢梁嵌入钢滚轮内，保证受力在平面内。试验加载装置如图3所示，底部导轨为采用螺栓固定，螺栓间距及排列如图4所示，图中大实心点表示预挠度紧固螺栓位置，小实心点表示底部导轨螺栓位置。

图3 试验装置（单位：mm）

图3 试验装置（单位：mm）

图4 试件底部螺栓间距（单位：mm）

端螺栓示意图（单位：mm）

采用5台位移计测量试件的水平和垂直位移，具体布置如图5所示。位移计1、4和5、6测量加载过程中试件底部的垂直和水平位移，位移计3测量加载过程中试件顶部的水平位移。

单调加载和循环加载均采用位移控制，循环加载采用CUREE（of for in）准则，加载系统曲线如图6所示。其中，控制位移取单调加载时的极限位移。

图5 位移计布置图

图。

图形加载系统

如图。

在使用 CUREE 标准之前，必须先确定参考位移。参考位移可以测量构件在承受循环载荷时的变形能力。它可以通过先前相同类型的试验的经验值来确定，或采用相同参数的静力试验。本文按照ASTM E2126[13]中的CUREE标准进行循环加载试验。具体步骤如下：

（1）计算参考位移。参考位移根据本次静力试验极限承载力对应的位移乘以相应系数计算得出。

(2) 循环加载时，以单调加载极限承载力对应的位移乘以相应的膨胀系数作为基本位移；每次循环加载的位移为基本位移乘以相应百分比的位移值。 .试验采用43次循环的循环加载规则，频率为0.2Hz。

2 实验现象

试件破坏模式为OSB螺钉拔出、角部螺钉剪切破坏、OSB撕裂破坏。试件DSW-11c单调加载，随着荷载的增加，位移逐渐增大，破坏发生在水平板节点，一侧OSB的所有侧向螺钉连接均被拉出OSB，如图7a所示。DSW-12、DSW-13和DSW-16为带边梁的复合墙体。随着随着循环次数的增加，DSW-12的位移逐渐增大，水平板节点处发生破坏。随着循环次数的继续增加，其底部导轨与OSB的连接完全破坏，同时在边柱下方1/3高度，如图7b所示）。 DSW-13的柱底与OSB连接破坏，石膏板及OSB底连接螺钉被拉出，OSB一侧底导轨螺钉连接完全破坏，发生剪切破坏石膏板上方拐角处。OSB节点与边柱连接处未发现损坏，如图7c所示。DSW-16只有内层石膏板，顶部螺钉与OSB节点连接处未发现损坏，如图7d所示。石膏板、边柱底部螺钉从石膏板中拔出，墙体转角处发生螺钉剪切破坏，石膏板从钢架上剥离，如图7f所示）。

DSW-14、DSW-15为无边梁组合墙体，在荷载作用下，水平缝相对位移较小，整体性较好。DSW-14底轨与OSB板螺钉采用剪断，边柱底部1/3高度处OSB连接螺钉被拔出，导致OSB破坏，如图7d所示）。DSW-15采用厚度和强度较小的次龙骨，水平板节点处有较小的相对位移，随着循环的继续增加，位移逐渐增大，水平板节点处相对位移加剧，OSB与中厚次龙骨连接处受到拉力出，如图7e所示）。

图7 试件失效模式

图模式

3 试验结果与分析

试验得到的复合墙体初始刚度、荷载降到80%达到剪切承载力时对应的位移、剪切承载力对应的位移、延性比如图8所示。可以从中看出从图中可以看出，内层石膏板的存在，增加了复合墙体的初始刚度和抗剪承载力，但对抗剪承载力对应的位移和80%荷载降到承载力对应的位移影响不大。剪切承载力。边梁的存在可提高承载力约12%。强度较弱的次龙骨的存在降低了试件的初始刚度和承载力，但对80%对应的位移影响不大荷载降幅对剪切承载力的影响。试验得到的承载力及位移结果如表3所示。

图8 双板OSB复合墙体试验结果

图8OSB墙体试验

3.1 剪切承载力

双层OSB复合墙体试件抗剪承载力对比如图9所示，DSW-13抗剪承载力最大，DSW-16抗剪承载力最小，试件抗剪承载力与北美轻钢标准AISI S213-07[14]规定的承载力进行了比较，除DSW-15和DSW-16外，其余试件的剪切承载力均超过了标准规定的剪切承载力。

图9 双板组合墙剪切承载力

面板墙图

3.2 滞后曲线

各试件荷载-位移滞回曲线如图10所示，从图中可以看出，在静力加载条件下，荷载-位移曲线无明显屈服平台，当组合墙体达到抗剪承载力后，荷载急剧下降，如图10a所示）；在循环荷载条件下，在加载初期，组合墙体的滞回循环相对稳定。在组合墙体达到最大荷载后，荷载明显减小，循环能量耗能较小，循环荷载作用下荷载-位移滞回曲线“夹紧”效应明显。从DSW-12、DSW-13组合墙体试件的滞回曲线可以看出，降维法耗能性能试件DSW-13荷载-位移曲线上升段的承载力优于试件DSW-12荷载-位移曲线下降段的承载力。在达到最大荷载后的下一循环中，由于石膏板的存在，试件DSW-13的耗能明显大于试件DSW-12。复合墙体试件DSW-14的滞回曲线如图所示图10d）。DSW-12试件（有边梁）荷载-位移曲线下降段的能量耗散明显优于DSW-14试件（无边梁）。DSW-12试件的滞回曲线组合墙体试件DSW-15如图10e所示，与试件DSW-12相比，试件DSW-15（次龙骨强度较弱）的承载力在达到峰值后没有出现明显衰减，但次龙骨的存在降低了其承载能力，且DSW-12试件的耗能性能优于DSW-15试件。复合墙体试件DSW-16的滞回曲线如图10f所示，由于石膏板与螺钉连接强度较低，导致试件DSW-16的抗剪承载力和耗能能力明显降低。

图 10 静力荷载与循环荷载作用下组合墙体的滞回曲线

墙体受荷载及荷载作用图

3.2.1 骨架曲线

试验得到的试件骨架曲线如图11所示，其中横轴偏移值为墙体水平位移除以墙高。从图中可以看出，试件DSW-13具有最大承载力。与试件DSW-12相比，无边梁的DSW-14试件的抗剪承载力较低。强度较弱的次龙骨的存在不仅降低了试件DSW-15的抗剪承载力，但也在一定程度上削弱了其初始刚度。试件DSW-16的墙板为石膏板，与以OSB为墙板的试件DSW-12相比，试件DSW-16具有更长的屈服平台和更好的延性较好，但其抗剪承载力却是所有试件中最低的。整体来看，在循环荷载作用下，试件达到最大抗剪承载力后，荷载均有较大幅度的下降。

图11 试件骨架曲线

图。

3.2.2 最大负载循环

试验得到最大荷载的循环如图12所示，其中横轴偏移值为墙体的水平位移除以墙体高度。从图中可以看出，该循环所包围的面积其中最大荷载位于组合墙体试件DSW-13处最大，即能耗最优。与试件DSW-14相比，带边梁的试件DSW-12能耗较好试件DSW-15的能耗是所有OSB外墙板试件中最低的，次龙骨的厚度和强度不仅降低了其抗剪承载力容量，同时也影响试件的能耗容量。由于采用石膏板作为外墙板，因此DSW-16试件的能耗是所有试件中最低的。

图12 最大负载下的滞后曲线

负载下图

3.3 边梁

双层OSB贴面复合墙体边梁高度为2.44m，通过对DSW-11c和DSW-14试件的对比发现，边梁的存在降低了试件的初始刚度，但略微提高了剪切承载力，而剪切承载力对应的位移、承载力降至80%剪切承载力时剪切承载力对应的位移、延性比等参数基本相同。两个标本的情况相同，如图8所示。

3.4 石膏板

试件DSW-12和DSW-13的荷载-位移曲线如图10b)和c)所示。从图中可以看出，DSW-13的滞回曲线比DSW-12的滞回曲线略丰满通过对试件DSW-12和DSW-13承载力的对比可以看出，内置石膏板使复合墙体的抗剪承载力提高了5.7%；石膏板的存在提高了试件的抗剪强度，初始刚度有一定的提高，但荷载-位移曲线下降段的滞回性能主要取决于柱与OSB之间更牢固的连接。石膏板试件DSW-13的延性比与与不含石膏板的 DSW-12 试件相比，OSB 对复合墙体的延展性的贡献较小。

3.5龙骨

冷弯薄壁型钢结构组合墙体次龙骨的作用是支撑框架提供侧向刚度，并承受竖向重力荷载，本次试验通过改变次龙骨厚度和强度进行研究次龙骨对组合墙体力学性能的影响。试件DSW-14次龙骨厚度为1.37mm，强度为；试件DSW-15次龙骨厚度为0.84 mm，强度为。两个试件的柱、边梁、导轨、墙板参数完全相同。试验结果对比见图11。从图中可以看出，剪力支座试件DSW-14的承载力比试件DSW-15高16%，初始刚度为28%，两个试件的延性比和对应于剪切承载力的位移均较小。由于两试件螺钉周长相同，其耗能机理均为螺钉连接处OSB板绕螺钉旋转消耗能量，由于次龙骨强度及厚度不同，导致OSB板强度次龙骨处螺钉连接减少，影响整个组合墙体试件的抗剪承载力。

4 结论

通过6块双层OSB覆层冷弯薄壁型钢组合墙体的静载和循环加载试验与分析结果，可以得出以下主要结论：

（1）除试件DSW-15破坏发生在水平接头处外，其余试件的破坏均发生在柱底与OSB板连接处及竖向板接头处。柱发生破坏，破坏模式为螺钉左右倾斜并被拉出OSB板，在复合墙体转角处螺钉被剪断、OSB板被撕裂。试件达到极限承载力后，承载力衰减和刚度退化较大。

(2) 低周反复加载试件的抗剪承载力比单调加载试件提高约5%。双板OSB复合墙体的水平板缝位于2.44 m处，即边缘边梁与水平板节点处于同一高度，边梁的存在使组合墙体的承载力提高了约12％。

(3) 石膏板+OSB+边梁试件的抗剪承载力最大，内侧设置石膏板使复合墙体的初始刚度增加约20%，但对延性影响不大比值与承载力对应的位移。

参考：

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