轻钢龙骨房屋足尺模型低周反复试验

第31卷第5期
2011年10月地震工程与工程振动JOURNAL OF EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING VIBRATION Vol．31No．5Oct．2011收稿日期：2010－03－10；
修订日期：2011－08－10基金项目：江苏省自然科学基金资助项目（BK2005116）；国家自然科学基金资助项目（50878105）作者简介：董军（1964－），男，教授，博士，主要从事钢结构理论及应用、结构抗震抗风与结构控制研究.E-
mail ：dongjun@njut．edu．cn 文章编号：1000－1301（2011）05－0043－07
轻钢龙骨房屋足尺模型低周反复试验
董
军，马庆平，周伟（南京工业大学新型钢结构研究所，江苏南京210009）摘要：对一个具有完整边界条件的轻钢龙骨体系房屋足尺模型进行了低周反复试验。

试验主要考
虑转角墙对轻钢龙骨体系房屋抗震性能的影响，以及龙骨壁厚对复合承载墙体破坏模式的影响，研
究房屋在低周反复荷载作用下的变形过程、
破坏特征和滞回性能等。

试验结果表明：轻钢龙骨房屋的抗震性能与自攻螺钉连接性能密切相关。

自攻螺钉的连接性能决定了轻钢龙骨房屋的耗能机制、
耗能能力以及破坏形态。

由于螺钉在该结构中分布广泛，使得结构的侧向变形能力和耗能能力较
好，同时，试验验证了轻钢龙骨复合墙体抗剪承载力计算时关于自攻螺钉连接受力方向的假设和受
力大小分析结果的正确性。

关键词：轻钢龙骨；低周反复试验；滞回性能；捏缩；刚度退化
中图分类号：P315．69文献标志码：A
The reversed cyclic loading test of a full-size
light-gauge steel framed residence
DONG Jun ，MA Qingping ，ZHOU Wei
（Research Institute of Steel Structures ，Nanjing University of Technology ，Nanjing 210009，China ）
Abstract ：The paper presents a reversed cyclic loading test on a full-size light-gauge steel framed specimen with full boundary conditions．The test mainly considers the influence of corner wall on seismic performance of light-gauge steel framed residences and the influence of stud thickness on failure modes of composite walls．The paper studies the specimen ’s distortion process ，failure modes and hysteretic performance．The results show that ：the seismic be-havior of light gauge steel framed structure is closely related to the performance of screw connections ，which decide its energy dissipation capacity and failure modes．Because of wide distribution of screw ，the structure shows good lateral distortion and energy dissipation capacities．The test also verifies the correctness of the assumption about di-rections and distributions of sheathing fastener forces used in shear strength of light －gauge steel framed composite walls．
Key words ：light-gauge steel framed ；reversed cyclic loading test ；hysteretic performance ；pinching ；stiffness dete-rioration
引言
轻钢龙骨复合承载墙体由冷弯薄壁型钢龙骨和结构罩面板经自攻螺钉连接组成，是轻钢龙骨体系住宅的主要承载单元，它不仅承受房屋的竖向荷载，还承受风和地震等水平荷载。

在国外，轻钢龙骨复合承载墙
体的抗震性能研究主要以单片墙体试验为主，尤其是以美国、日本、澳大利亚和欧洲等发达国家的研究最为成熟。

国外对于轻钢住宅结构抗震性能的研究起始于Gad［1］等人。

基于他们的研究，得到了结构抗震性能最基本的结构荷载－位移曲线；Fulop和Dubina［2－4］随后作了类似的研究；我国也进行了一部分墙体试验［5－8］，但是相对国外而言还处于起步阶段。

文献［1］对具有完整边界条件的轻钢龙骨复合承载墙体进行了有限元分析，研究了边界条件的影响，但缺乏试验的支持。

另外，轻钢龙骨体系房屋中发挥结构作用的构件一般较小，难以采用常规的缩尺模型进行试验。

本文通过具有完整边界条件的轻钢龙骨房屋足尺模型低周反复试验，研究轻钢龙骨房屋在地震作用下的滞回性能、耗能机制、耗能能力、刚度退化和破坏形态等，为此类结构的抗震设计提供依据。

1试验模型设计
试验模型根据北美《住宅冷成型钢骨架设计指导方法》［9］的构造要求、兼顾实验室条件进行设计，模型开间2500mm，进深2400mm，高2440mm。

墙体龙骨柱间距为600mm，龙骨柱（C形，C180ˑ70ˑ20ˑ2.0）与上下导轨（U形，U184ˑ60ˑ2．0）采用自攻螺钉连接，墙体两端设置转角墙，构造如图1所示。

楼板结构体系与墙体相同，托梁采用规格为C200ˑ60ˑ20ˑ2．0的冷弯薄壁型钢，间距为600mm，跨度为2500mm，托梁导轨规格为U204ˑ70ˑ2．0。

所有钢龙骨的额定屈服强度为345N/mm2，额定壁厚为2．0mm。

墙体和楼板外侧罩面板为OSB板，厚15mm；墙体内侧罩面板为纸面石膏板，厚12mm。

模型中，龙骨之间采用4．2ˑ19mm（直径ˑ长度）的平头自钻自攻螺钉连接，龙骨与OSB板采用4．8ˑ35mm沉头自钻自攻螺钉连接，龙骨与石膏板采用4．2ˑ32mm圆头自钻自攻螺钉连接。

墙体部分，罩面板边缘螺钉间距为150mm，内部螺钉间距为300mm；楼面部分，罩面板边缘螺钉间距为150mm，内部螺钉间距为250mm；墙体角部背靠背连接的双肢龙骨柱采用双排、间距300mm的螺钉连接。

模型基础为焊接工形钢梁，墙体底部导轨与钢梁采用双排M16、8．8级高强螺栓抗剪连接，抗拔连接件（如图2）与基础采用两个M16、10．9级高强螺栓连接（如图2）。

模型墙体中的所有构件，包括龙骨、罩面板、螺钉，都是基于承载能力设计原理设计的，目的是使罩面板和龙骨之间的螺钉连接充分发挥其抗剪强度。

因此，抗剪螺栓与抗拔连接件在设计时，要求避免墙体底部抗剪破坏或由水平力引起的墙体倾覆破坏，此外，端部龙骨柱的构造也有效防止了端部龙骨柱的屈曲破坏。

试验模型在现场拼装制作，制作完成后的试验模型如图3所示。

图1转角处龙骨柱构造详图Fig．1Corner stud
construction
details 图2抗拔连接件安装图
Fig．2Construction of a
hold－down
connector
图3模型制作完成后的图
Fig．3Set up of specimen
2低周反复试验
2．1加载装置
试验在江苏省土木工程与防灾减灾重点实验室进行，使用实验室大型电液伺服加载系统，以美国MTS 公司生产的243型作动器加载。

试验模型基础工形钢梁通过地脚锚栓锚固到地面孔道内，水平荷载通过分配梁分配到两个墙体上。

分配梁与墙体顶部导轨采用摩擦型高强螺栓连接，并对局部进行加强，以防止加载44地震工程与工程振动第31卷
点局部破坏。

楼板中部放置重37.5kN 的混凝土质量块，以模拟多层房屋的重量。

试验装置如图4所示。

2．2测点布置
测点布置如图5所示，用以测试试验中墙体的变形。

其中位移计D1与D6分别测试两片墙顶部相对地
面的水平位移，量程为200mm ；位移计D2、D3与D7、D8分别测试两片墙中部相对地面的水平位移，量程为
100mm ；位移计D4、D5与D9、D10分别测试两片墙底部相对地面的水平位移，量程为50mm ；位移计F1与F2分别测试两片墙基础相对地面的滑移，量程为50mm ；同时，
MTS 作动器自带的位移传感器可以测试出作动器的行程。

此外，在墙体两端背靠背双肢龙骨柱中部和底部的腹板内侧分别布置电阻应变片以测试端部龙骨柱的拉压力变化。

图4
试验实际加载装置图Fig．4Photo of model
setting 图5测点布置图Fig．5Instrument arrangement
2．3加载制度
本试验采用水平低周反复加载方式，加载过程中采用位移控制。

MTS 作动器使用预先编制的加载程序，试验中取初始加载位移为2mm ，级差2mm ；当达到10mm 时，以5mm 的级差加载；当达到40mm 时，以10mm 的级差加载，最大加载位移为80mm 。

加载等级为2mm 、4mm 时各循环一周，6mm 时循环两周，其余加载等级均循环三周。

加载制度如图6所示。

图6低周反复加载制度Fig．6Cyclic test protocol
2．4试验过程及试验现象
在试验模型加载过程中，每一级荷载加
载完毕后试验暂停，观察试验现象。

当位移
较小，墙体处于弹性阶段，滞回曲线较饱满；
位移为6mm 时，墙体中两块OSB 板开始出
现明显的相对错动；位移达到25mm 时，局
部自攻螺钉开始被剪断，
OSB 板角部和龙骨之间拉开；继续增加位移，不断有自攻螺钉
被剪断，且OSB 板边缘部位自攻螺钉松动；
当位移达到35mm 时，石膏板与龙骨连接处
因石膏板在反复荷载作用下正反承压传递
剪力，导致螺钉孔壁石膏板挤压、损伤，石膏板掉渣，螺钉孔出现明显的扩张，特别是当位移继续增大时，墙体周边、角部因螺钉孔损伤扩张加大，产生较
大的“旷动量”———由于存在空隙而不受力能发生的变形量，在水平荷载推、拉的过程中出现“空载滑移现象［10］”；当位移为60mm 时，由于墙体OSB 板周边螺钉大部分被剪断，墙角明显被拉开，位移循环第二周时，OSB 板最大错动量达20mm ，位移循环第三周时，OSB 板最大错动量达30mm ，墙体即将脱落，墙体内部石
膏板最大有26mm 的旷动量，
石膏板角部破坏；加载到80mm 时，大部分OSB 板和石膏板脱离龙骨骨架，只通过局部少量自攻螺钉连接，荷载下降较多，加载完毕。

试验过程中，与加载方向垂直的转角墙没有出现任何破坏。

试验结束后，拆掉罩面板，发现OSB 板周边和角部的螺钉全部被剪断，内部螺钉没有被剪断；连接石膏
54第5期董军等：轻钢龙骨房屋足尺模型低周反复试验
板和龙骨骨架的螺钉没有被剪断，主要是由于石膏板是典型的脆性材料，其强度和韧性均较低，在低周反复荷载作用下，出现较大的旷动量。

同时发现，内部的龙骨骨架基本没有任何破坏，只有墙体上下导轨在两端和中部出现轻微的局部屈曲。

抗拔连接件和连接基础的抗剪螺栓没有松动和破坏现象。

试验中OSB 板和
石膏板破坏如图7、
8所示。

图7
OSB 板破坏现象Fig．7Failure of OSB
sheathing
图8
石膏板破坏Fig．8Failure of GWB sheathing
3
试验结果分析3．1破坏模式分析
石膏板上形成的螺钉孔“旷动量”，在板两边中部（长边）螺钉孔是竖向的，在板两边接近端部位置螺钉
孔出现倾斜，而在板两端（短边）螺钉孔是倾斜的。

螺钉孔的长度方向反映了螺钉连接的受力方向，螺钉孔
的长度大小反映了螺钉连接的受力大小，与理论分析结果一致［11］。

OSB 板与龙骨之间的自攻螺钉连接破坏主要是螺钉剪断，其原因为：钢龙骨壁厚为2mm ，相对较厚，限
制了自攻螺钉转动，同时，OSB 板也相对较厚，螺钉产生松动但不能从板中拉脱，螺钉在剪力达到最大时被
64地震工程与工程振动第31卷
剪断。

尽管如此，螺钉连接处孔壁在反复挤压下也有累积损伤和扩张，但由于OSB 板较石膏板的韧性和强
度好得多，产生的螺钉孔“旷动量”比石膏板小很多。

3．2滞回曲线
以单位长度墙体承受的剪力（v ）和墙体水平侧移（d ）之间的关系表示轻钢龙骨体系剪力墙的滞回性能。

这里，
v 定义如下：v =V L t （1）
式中：V 为施加在房屋模型上的水平荷载；L t =4800mm ，模型中剪力墙的总长度。

v －d 曲线如图9所示。

图中，定义正方向为初次加载方向，
v R +1表示整个加载过程中单位墙体承受的最大剪力（正方向）；v R +3表示第三周循环荷载作用下墙体发生与v R +1相对应的位移时单位墙体承受的最大剪
力。

v R －1、v R －3的定义与上面类似，不同的是它们表示负方向上单位墙体承受的剪力。

从图中可以看出，整个
加载过程中最大荷载发生在位移为60mm 时，
对应的单位墙体抗剪承载力为v R +1=22．1kN /m 。

随着位移和循环周数的增加，滞回环由反S 形向反Z 形发展，具有明显的捏缩效应，主要是螺钉连接处罩面板经反复挤压而损伤扩张产生空载滑移引起的，且结构刚度和强度都迅速退化。

从滞回曲线中还可以看出，在加载和反向加载过程中，每级滞回环几乎在同一荷载水平上都存在拐点，
这与文献［12］中的现象一致，验证了罩面板与转角墙之间缝隙的存在对荷载－位移曲线有影响。

3．3骨架曲线和延性
将滞回曲线中的每一级荷载第一次循环的峰值点（开始卸载点）连接起来，得到结构的骨架曲线（包络线），
如图10所示。

可以看出在骨架曲线中具有明显的屈服平台，取曲线上斜率出现明显变化时的点为屈服点，得到屈服荷载为v y =16．9kN /m ，屈服位移为d y =15mm 。

骨架曲线出现屈服平台的原因为：由于转角墙的存在，在OSB 板的外边缘存在两排自攻螺钉，当边、角部螺钉剪断后，里面的一排螺钉开始受力，两者共同作用使得墙体的承载力基本不变，但位移继续增大，骨架曲线出现屈服平台。

根据《建筑抗震试验方法规程》（JGJ 101－96）［13］计算得：最大荷载为v max =22．1kN /m ，相应的位移为
d m =60mm ；破坏荷载为v u =18．8kN /m ，相应的位移为d u =64．6mm 。

根据前面确定的屈服位移和极限位移，结构的线位移延性系数为μ=d u /d y =4．3＞4，结构延性较好。

图9
v －d 曲线Fig．9Curves of v －
d 图10骨架曲线Fig．10Skeleton curve
3．4滞回耗能和等效黏滞阻尼
耗能特征和结构的阻尼是结构恢复力特征的重要标志，也是衡量结构抗震性能的一个重要指标。

结构屈服进入明显的弹塑性阶段后，主要借助结构的弹塑性变形来吸收和耗散输入的能量。

通常，采用能量耗散系数E 反映结构的耗能能力，该值越大表示耗能能力越好。

能量耗散系数E 的计算公式为：
E =S ABC +CDA S OBE +ODF
（2）式中，S ABC 、S CDA 、S OBE 、S ODF 如图11所示。

图12为根据试验滞回曲线、按公式（2）计算的结构能量耗散系数随位移变化的关系。

可以看出，能量耗散系数并没有随着位移的增大逐渐增大，而是总体上成减小趋势，其原因主要是：在结构屈服后，边、角部自攻螺钉剪断后退出耗能，而内部螺钉又开始参与耗能，使得滞回环面积
74第5期董军等：轻钢龙骨房屋足尺模型低周反复试验
基本不变，但位移迅速增大，耗能系数减小。

结构能量耗散系数平均值为0．57，达到最大承载状态和破坏状态时，能量耗散系数分别为0．54、0．48，因此，结构在整个变形过程中耗能能力比较稳定。

结构阻尼可以用等效黏滞阻尼衡量，等效黏滞阻尼系数大则耗能能力强。

等效黏滞阻尼系数可按下式计算：
h e =
E
2π
（3）
图12同时表示了相应的等效黏滞阻尼系数与位移的关系，计算得结构达到最大承载状态和破坏状态时等效黏滞阻尼系数分别为0．086、0．077，结构在整个变形过程中的等效黏滞阻尼系数平均值为0．091，该值大于《建筑抗震设计规范》GB50011－2001［14］中规定的钢结构大震阻尼比0．05，说明结构体系的耗能能力较好。

图11耗能系数确定Fig．11Determining the dissipative ratio
图12E－d（h
e
－d）关系曲线
Fig．12E－d（h
e
－d）curve of specimen
3．5刚度退化分析
墙体刚度大小是影响墙体位移和承载力的重要因素，本试验主要研究墙体的抗侧刚度K。

K随着位移增大而减小，K值随位移减小的快慢程度反映了结构的变形能力，K随着位移减小较慢时，说明结构的变形能力较强，反之，K随着位移减小较快时，说明结构的变形能力较弱，不同阶段K值减小的快慢程度不同。

根据《建筑抗震试验方法规程》（JGJ101－96）规定，试验墙体在每级荷载下的刚度按下式进行计算：
K=|+F
1
|+|－F
i
|
|+X
i
|+|－X
i
|
（4
）
图13刚度退化曲线
Fig．13Stiffness degeneration curve
式中：F i为第i次峰点荷载值；X i为第i次峰
点位移值。

按上述公式计算的试验刚度K随着位
移的增加而逐渐减小，这种现象称作刚度退
化现象。

将刚度和位移无量纲化，得到刚度
退化与位移的关系，如图13所示，图中K表
示按上式计算的割线刚度，K0表示初始割线
刚度，d表示位移，d y表示屈服位移。

从图中
可以看出，随着位移增大，结构刚度退化较
严重，当结构达到破坏极限状态时，抗侧刚
度只保持初始刚度的26%。

4小结
通过轻钢龙骨单间房屋足尺模型水平低周反复试验，研究了轻钢龙骨体系结构的破坏形态、滞回性能、耗能机制、耗能能力、刚度退化等特征，结果表明轻钢龙骨房屋的抗震性能主要由自攻螺钉连接的性能决定，84地震工程与工程振动第31卷
主要结果总结如下：
（1）OSB 板与龙骨之间的自攻螺钉连接破坏模式以螺钉剪断为主。

（2）螺钉连接最大剪力发生在OSB 板的角部和周边。

石膏板由于强度较小，形成了螺钉孔“旷动量”，螺钉孔的长度方向反映了螺钉连接的主要受力方向，螺钉孔的长度大小反映了螺钉连接的受力大小。

这些现象验证了理论分析的结果。

（3）在水平荷载推、拉的过程中螺钉孔产生损伤扩张，卸载和反向加载时，自攻螺钉连接需要经历螺钉孔处的“旷动量”才能继续承载，使得此时位移迅速增大，但荷载增加很少，滞回曲线表现出较强的捏缩现象，残余变形较大，表现出较强的非线性性能。

（4）结构在最大承载极限状态时位移达60mm ，延性系数为4．3，表现出较好的侧向变形能力。

（5）在水平荷载作用下，边、角部自攻螺钉剪断后退出耗能，同时内部螺钉又开始参与耗能，两者共同作用使得结构在整个变形过程中能量耗散系数基本不变；结构的等效黏滞阻尼系数大于抗震规范中规定的常用阻尼比0．05，结构的耗能能力较好。

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