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合肥工業(yè)大學王靜峰教授團隊：冷彎薄壁型鋼填充輕聚合物組合墻體受力性能研究

Sustainable Structures

摘要

本文做了什么？

工程結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展主要取決于所選用結(jié)構(gòu)構(gòu)件的綠色低碳特性。本文研究了一種新型、綠色、可裝配的冷彎薄壁型鋼組合墻體，即在冷彎薄壁型鋼骨架中填充輕質(zhì)EPS復合漿料形成新型組合墻體。然而，目前對于這種墻體性能和機理研究尚不充分，限制其應(yīng)用和推廣。本文回顧了課題組對這種新型墻體力學性能系列試驗研究，包括軸壓性能、受彎性能和滯回性能等試驗，對典型失效模式和試驗結(jié)果進行了介紹和討論。這項工作將為鄉(xiāng)村振興的當前實踐和未來探索提供了科學參考。

背景

為什么要做這個？

鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施是黨的十九大做出的重要決策部署，為了統(tǒng)籌謀劃、科學推動鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略。建設(shè)鄉(xiāng)村宜居型農(nóng)房，提高農(nóng)村居民居住水平，成為鄉(xiāng)村振興的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。脫貧攻堅戰(zhàn)略實現(xiàn)了農(nóng)村困難群體住房困難問題的任務(wù)，取得了良好的成績，但同時也從側(cè)面反應(yīng)了傳統(tǒng)農(nóng)村住宅的諸多問題，如：工業(yè)化建造落后、居住舒適度欠佳、抵抗災(zāi)害能力差。在中央實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的大背景下，提出農(nóng)村住房建設(shè)應(yīng)堅持“經(jīng)濟適用、安全可靠、舒適健康、環(huán)境優(yōu)良和建造迅速”的五大基本原則，并提出以綠色裝配式農(nóng)房為抓手推進鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施，倡導推進“綠色裝配式農(nóng)房”的發(fā)展。

冷彎薄壁型鋼填充輕聚合物組合墻體是在常用冷彎薄壁型鋼體系上發(fā)展起來的。輕聚合物漿料可實現(xiàn)一些工業(yè)廢棄物再利用，具有一定承載力與良好的保溫性能，改善了冷彎薄壁型鋼墻體的空心特性，提高了其隔聲、保溫及防火性能，更加適合我國北方集中供暖地區(qū)，降低供暖損耗。同時，輕聚合物的填充以實現(xiàn)從現(xiàn)場噴涂到工廠預制灌漿的轉(zhuǎn)化，大大減少了現(xiàn)場濕作業(yè)，提高了生產(chǎn)效率及現(xiàn)場裝配率，可實現(xiàn)建筑一體化設(shè)計和施工。冷彎薄壁型鋼填充輕聚合物組合墻體結(jié)構(gòu)在新農(nóng)村建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景，且已在安徽、浙江等地區(qū)工程示范和應(yīng)用推廣。

圖1 冷彎薄壁型鋼填充輕聚合物組合墻體在美麗鄉(xiāng)村應(yīng)用

方案

填充輕聚合物冷彎薄壁型鋼組合墻體是什么樣子？

冷彎薄壁型鋼填充輕聚合物組合墻體是在冷彎薄壁型鋼墻體的空心區(qū)格內(nèi)填充輕聚合物漿料而形成組合墻體，主要由冷彎薄壁型鋼骨架、輕聚合物漿料、面板/面層部分組成。輕聚合物漿料在工廠通過專用灌漿設(shè)備完成，避免了現(xiàn)場噴涂濕作業(yè)，提高施工效率，減少環(huán)境污染。輕聚合物漿料根據(jù)膠凝材料不同，分為石膏基和水泥基兩種類型。

圖2 填充輕聚合物的冷彎薄壁型鋼組合墻體的構(gòu)造

圖3 冷彎薄壁型鋼填充輕聚合物組合墻體的制作流程

力學性能

1.軸壓性能

對于無面板的試件，在軸壓作用下，組合墻體破壞模式主要包括墻體立柱畸變屈曲、填料開裂和壓潰。有面板的墻體試件顯示出相似的失效模式，除了自攻螺釘連接松動，以及墻體面板開裂和脫落，此外還發(fā)現(xiàn)面板可以延遲立柱屈曲。

與無填充輕聚合物漿料的冷彎薄壁型鋼墻體相比，組合墻體表現(xiàn)出良好的軸壓性能。研究表明，填充水泥基復合漿料組合墻體的極限荷載比石膏基復合漿料組合墻體大56%~70%。研究表明，有面板組合墻體具有明顯的承載優(yōu)越，尤其是采用有筋擴張網(wǎng)組合墻體。

圖4 墻體軸壓試驗破壞模式

2.受彎性能

墻體在平面外均布荷載作用下，主要失效模式包括：墻體邊立柱中間部位屈曲/斷裂、自攻螺釘周圍的墻板破壞、連接失效、頂部墻板的壓碎以及面板的貫通裂縫。根據(jù)荷載-撓度曲線可以發(fā)現(xiàn)，所有試件經(jīng)歷了線彈性、屈服和極限破壞三個階段；曲線形狀對稱。研究表明，試件抗彎承載力是自重的9.69-13.14倍。

圖5 墻體受彎試驗破壞模式

3.滯回性能

冷彎薄壁型鋼填充輕聚合物組合墻體的主要破壞模式為面板開裂，自攻螺釘與龍骨分離，面板開裂、脫落，角部填料破碎，立柱屈曲。填充材料對冷彎薄壁型鋼骨架的支撐作用可抑制輕鋼骨架變形，延緩墻體立柱屈曲的發(fā)生。斜向交叉鋼帶在拉壓反復作用下發(fā)生屈曲松弛。水泥基復合漿料對冷彎薄壁型鋼骨架的支撐作用強于石膏基復合漿料。墻體洞口邊緣有較強的應(yīng)力集中，洞口邊緣立柱易屈曲，角部填料及面板易開裂，因此在墻體設(shè)計時應(yīng)對洞口邊緣進行構(gòu)造加強。

隨著荷載增加，滯回曲線呈現(xiàn)出明顯的捏縮現(xiàn)象。與冷彎薄壁型鋼墻體相比，這種組合墻體表現(xiàn)出良好的剛度和承載力。輕聚合物和冷彎薄壁型鋼骨架可以協(xié)同工作，共同抵抗外力。X形支撐和面板可以一定程度上提高組合墻體的承載力和剛度，有筋擴張網(wǎng)提高效果更好。相反，墻體開孔會明顯降低組合墻體的剛度和承載力。同時，組合墻體表現(xiàn)出較好的延性和耗能能力。

圖6 組合墻體滯回試驗的破壞模式

結(jié)語

以廢脫硫石膏或水泥和EPS為基本原料制備的輕聚合物漿料具有很大潛力，可以作為一種可持續(xù)材料。

冷彎薄壁型鋼填充輕聚合物組合墻體結(jié)構(gòu)的可靠性不僅取決于舒適性、隔熱性和耐火性的要求，還取決于在長期自然條件下的安全性。因此，本文研究了組合墻體在各種荷載作用下的力學性能，對其影響因素進行了考慮和討論。對比分析表明，此類組合墻體具有良好的軸壓、平面外彎曲和滯回性能。研究表明，填充材料與冷彎薄壁型鋼骨架相結(jié)合可以很好的協(xié)同工作，提高組合墻體的力學性能。

然而，現(xiàn)有體系研究的系統(tǒng)性還有待進一步深入，如輕聚合物漿料、面層等與冷彎薄壁型鋼骨架連接構(gòu)造、界面機理等內(nèi)容，以及基于性態(tài)控制的抗震設(shè)計方法。此外，輕聚合物漿料的阻燃處理和生產(chǎn)方法對力學、物理性能影響也是值得探討。

本文研究特別感謝合肥國瑞集成建筑科技有限公司仇多宏、程佳等大力支持；本文工程應(yīng)用圖片由該企業(yè)提供。

本文已在《Sustainable Structures》 (SUST; Sustain. Struct.)發(fā)表。《Sustainable Structures》是一本專注于可持續(xù)發(fā)展結(jié)構(gòu)研究的英文國際期刊。目前期刊編委30余名，來自全球17個國家或地區(qū)。引用信息如下：

Wanqian Wang, Jingfeng Wang, Lei Guo. Mechanical behavior analysis of LEM-infilled cold-formed steel walls [J]. Sustainable Structures, 2022, 2(1): 000013. https://doi.org/10.54113/j.sust.2022.000013.

原文下載：http://www.sustain-dpl.com/picnews.asp?id=155（也可點擊文末“閱讀原文查看”）

作者簡介

王靜峰

王靜峰博士于2005年獲得同濟大學博士學位，現(xiàn)為合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院院長，教授，博導，教育部新世紀優(yōu)秀人才、安徽省學術(shù)和技術(shù)帶頭人。長期從事鋼結(jié)構(gòu)與組合結(jié)構(gòu)、智能建造與建筑工業(yè)化、工程結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)等方面研究。

汪皖黔

汪皖黔博士于2012年獲合肥工業(yè)大學學士學位，現(xiàn)為合肥工業(yè)大學結(jié)構(gòu)工程專業(yè)博士生，研究方向主要為裝配式鋼結(jié)構(gòu)，鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略中的模塊化綠色農(nóng)房，冷彎薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與應(yīng)用。

郭磊