研究背景
研究背景
由于我国农村和城镇地区经济水平相对落后，住宅建设存在设计施工水平低、施工质量低、污染和资源浪费严重等一系列亟待解决的问题，劳动生产效率低，物料运输困难。为改善村镇人居环境，建设美丽宜居乡村，推动新型城镇化发展，国家大力支持村镇发展低成本、易复制的装配式住宅轻钢结构体系，建立了相应的农村和城镇住宅设计与施工成套技术。
框架结构作为一种由梁、柱、杆组成的杆系系统，具有明确的传力和良好的受力性能。具有高度的装配潜力，适合农村和城镇建筑的快速建造。目前，一些农村和城镇住宅采用框架结构。形式。然而，铰接式轻钢框架结构体系在高强度区域的横向刚度很难满足设计要求。常用的措施包括增强节点刚度或增加抗侧力系统（如剪力墙）。但提高节点刚度会导致节点形式复杂，给施工带来不便；如果设置剪力墙，由于剪力墙的尺寸和质量较大，与框架的连接节点会更加复杂，需要更多的施工人员才能完成安装。或者采用大型起重设备，成本较高，不适合在道路交通条件较差的乡镇使用。
2018年，颜翔宇等人。提出了一种钢框架-网格墙结构形式，如图1所示。其基本思想是在钢框架内设置双向对角布置的网格构件作为抗侧力构件。网格墙不仅具有良好的抗震性能，而且重量轻、体积小，可在工厂预制，便于运输和吊装。村镇住宅采用网格墙时，由于网格墙起抵抗侧向力的主要作用，框架可采用轻质轻钢材料。网架构件与框架通过连接板或冷弯角钢用自攻螺钉连接（图2）。这种连接方法非常简单，并且避免了专业的焊接操作。不需要使用大型起重设备，最多只需要两个人。安装只需一名施工人员即可完成，施工简单。此外，网格构件可选用钢、木、竹三种材料，并可因地制宜选择相应的建筑材料进行村镇住宅的建设。
图1 钢框架-网格墙
图2 节点形式
目前，轻钢框架-网架墙结构尚未在村镇建筑中广泛应用，相应的关键施工技术研究几乎空白。为此，将轻钢框架-网架墙结构体系应用于原天津大学附属中学框架-网架墙结构示范工程（图3），并相应设计了低成本、易施工的框架网墙结构体系。开发的系统可以在不使用重型机械和设备的情况下完成。简单连接节点及关键施工技术。
图3 轻钢框架-网架墙结构示范房屋
以本工程钢网格墙为例，从柱脚与基础连接、框架安装、钢网格墙安装、墙板安装、等，开展现场试验，测试采用简单施工关键技术建成的轻钢框架-网架墙结构的侧向性能。
研究内容
研究内容
1 项目概况
1.1 基本信息
该项目位于天津市南开区原天津大学附属中学。长5.5m，宽3.7m，建筑面积20.35m2。一层，层高3.05m，建筑高度4m。结构形式为轻钢框架-钢、木、竹网格墙混合结构体系。
本项目建筑设计使用寿命为50年。建筑结构安全等级为二级，抗震设防等级为丙类，抗震设防烈度为8度，设计地震分组为二级，防火等级为二级钢结构自攻钉，场地土类为Ⅲ类，基本风压0.5kN/m2（50年一遇）。
1.2 结构布局
结构主要由轻钢框架、网架墙、弦支撑檩条组成，如图4所示。框架部分由框架梁、框架柱、屋架竖杆、屋架上弦杆组成。所有框架部件均采用□100×100×2方钢管制成。本文研究的钢网格墙由4□60×40×2钢管组成，布置在东框架内。
图4 结构三维图
1.3 节点连接设计
各部件通过连接器采用自攻螺钉连接，如图5所示。这种连接方式具有安装灵活、操作方便、精度要求不高的优点。它不仅克服了焊接连接操作复杂、容易出现焊接缺陷的问题，而且克服了螺栓连接对施工精度要求高的缺点。适合在乡镇低层住宅中推广使用。
图5 物理节点
2 轻钢框架-网格墙施工关键技术
2.1 基础工程及钢杯口后灌浆节点
本工程基础采用钢筋混凝土十字条形基础（图6），钢柱脚节点采用钢杯口后注浆节点（图7）。此类柱脚接头的特点是在浇筑混凝土前钢结构自攻钉，将一根底端密封、内径略大于钢柱外径的预埋钢管放入钢筋笼内（图8） 。混凝土浇筑完成后，直接插入钢柱，通过预埋钢管并用灌浆材料填充间隙，即可完成钢柱的安装，避免了整体安装时定位困难的问题。便于后续施工中单框框架的整体安装。
图 6 条形图基础知识
图7 柱脚节点
图8 预埋钢管的放置
2.2 框架的安装
安装框架时，先在地面上沿一个方向完成框架组装，将整个框架插入预埋钢管中，然后将剩余的框架部件安装在空中，如图9所示。这种方法所需工作量相对较少高空作业，操作安全方便，装配质量好。但对地面装配精度要求较高。组装时，需要控制立柱的间距和柱顶的偏移量，以防止框架立柱后续失效。预埋管道安装情况。为此，在安装框架时，首先将框架柱放入预埋件中进行定位，在框架柱与预埋管之间的间隙中插入木楔，调整框架柱的垂直度，并测量框架柱的垂直度。框架柱。间距和柱顶高度如图10所示。
a——东西向框架整体安装； b——南北向框架梁的安装； c——屋架立杆安装； d——屋架斜杆安装。
图9 框架安装流程
图10 钢柱垂直度调整
然后从预埋管道中取出框架柱，按照之前测量的间距平行放置框架柱，定位框架梁，将东西向的框架梁和柱拼接在地面上，如图11所示。
图11 框架组装
在地面组装完成后，整个框架在预埋钢管中进行架设、吊装和重新放置，如图12所示。框架的架设、整体吊装和放置均由人工完成。整个过程必须始终保证整个框架处于同一平面，避免两跨框架连接处变形过大，导致安装不准确或节点损坏。
图12 框架整体安装
其余框架梁、屋架斜杆、屋架立杆的安装需要在空中完成。空钉缺乏焦点，因此建议在元件和连接器上预先钻孔，然后用钉子固定元件。
2.3 钢格墙安装
钢格栅构件底端通过自攻螺钉与格栅预埋件连接（图13），顶端通过自攻螺钉与100×50×2、100毫米长的冷弯角钢连接。自攻螺钉（图 14）。首先将冷弯角钢固定在梁的底部，并保证冷弯角钢与钢格栅构件的接触面、预埋件与钢格栅构件的接触面在将网架构件的宽面紧贴预制预埋件和冷弯角钢放置在同一平面上，将网架构件调整到设计位置，将网架预埋件和冷弯角钢上的设计点对齐并固定钢格板组件，完成钢格板墙的安装，如图15所示。
图13 钢网墙底部节点
图14 钢网格墙顶部节点
图15 实际钢格墙
2.4 硅酸钙板墙板安装
本工程采用厚度为10毫米、长×宽为1220毫米×2440毫米的硅酸钙板作为钢格栅墙两侧的墙板，两侧板之间填充玻璃棉以满足保温要求。硅酸钙板的安装可参考相关文献。具体流程如下：
安装硅酸钙板时，首先需要在网格墙两侧安装水平和垂直龙骨（图16）。龙骨的位置应保证板边能落在龙骨上。本工程采用矩形钢管作为墙板龙骨，并采用自攻螺钉将龙骨固定在钢框架内。
图16 龙骨安装
龙骨安装完毕后，在硅酸钙板上拉螺纹并标记自攻螺钉固定点，预钻凹孔，然后将沉头螺钉打入固定点，将两侧墙板固定侧面到龙骨。玻璃棉应就位。一侧的墙板固定并插入钢框架中。硅酸钙板安装完毕如图17所示。
网格墙的存在给墙板的安装带来了一定的不便。但考虑到该系统具有无焊接、节点形式简单、构件轻量化等优点，总体上降低了施工难度和人工成本。
图17 实际硅酸钙板墙板
3 轻钢框架-网架墙结构横向性能研究
3.1 试验装置
为了测试采用上述简易施工工艺施工的轻钢框架网格墙的抗侧力性能，进行了原位静载试验。试验在原天津大学附属中学框架网墙结构示范现场进行。为了对结构施加横向荷载，建造了如图18和19所示的简单加载装置。该装置主要由装载架、手扳葫芦、拉力传感器、钢丝绳、沙袋等组成。装载架由钢管连接，顶部安装滑轮。试验时，顺时针转动手扳葫芦，拉紧链条，对钢丝绳施加拉力，作用在结构上。为了提供足够的反力，防止整个装载装置翻倒，装载架上堆放了2.5吨的沙袋。
图18 测试装置
图19 测试装置实景
3.2 加载系统
本次试验是对实际工程的侧向阻力性能的研究。这是一种非破坏性测试。为了尽可能施加较大的荷载并保证结构和试验的安全，正式荷载的最大荷载和荷载分类考虑通过试验加载方法获得。试载时，以位移达到层高1/250或试验装置出现松动迹象时的荷载为正式加载的最大荷载，荷载分级。正式加载时，每级载荷取最大载荷的25%，每级载荷保持时间为10分钟。当载荷达到试加载设定的最大载荷时，停止加载，如图20所示。
图20 加载系统
3.3 测量计划
测试测量设备为静态电阻应变采集器，测量仪器为电阻应变仪、位移计、全站仪、拉力传感器。应变片分别布置在四个钢网格件的1/4、1/2、3/4位置。截面长、短边各位置沿轴向布置应变片，共24个应变。应变片如图21所示（长边应变片编号为奇数，短边应变片编号为偶数），用于监测试验过程中钢格栅构件的应变变化。
a——受拉钢网构件的应变测点和位移测点； b——受压钢网构件应变测点； c——应变片在元件截面上的布置位置。
图21 钢网格墙测点
使用位移计和全站仪测量结构的整体变形。位移计沿平面（加载方向）安装在框架柱（图21a中标记为1#）的顶部，以监测试验过程中的结构变形，获得结构的荷载-位移曲线。
在钢格墙两侧1/3、2/3框架柱上与位移计等高处粘贴反光贴纸。利用全站仪测量装载过程中反光贴的坐标，以获得框架柱的整体变形特征。 。
4 测试结果与分析
4.1 测试流程
首先进行试验荷载，通过转动手扳葫芦对轻钢框架网格墙施加侧向荷载。当载荷达到11 kN时，位移达到8.64 mm。此时，虽然位移没有达到层高的1/250，但装载装置发出“嘶嘶”的声音，装载装置尾部微微抬起，底部垫板略微松动。考虑到试验的安全性，选择10 kN作为正式加载的最大载荷，并在试验加载后使用全站仪测量各点的坐标。
随后轻钢框架-网架墙体结构正式荷载开始。每次添加2.5 kN，测量柱顶反光贴的坐标。当增加10 kN时，再次测量所有点的坐标，然后卸载。整个加载过程中，仅观察到轻钢框架-网格墙沿加载方向有轻微的横向移动，钢网格构件与预埋面板之间出现间隙，但没有其他明显变形。结构应力处于弹性阶段。 。
4.2 载荷-位移曲线
从试验结果中提取拉力传感器、柱顶位移计、全站仪数据，以拉力为纵坐标，位移为横坐标，得到轻钢框架-网架墙结构的荷载-位移曲线（图 22）。可以看出，根据位移计和柱顶全站仪测点数据分别绘制的荷载-位移曲线基本一致。从曲线可以看出，在拉力达到1.5 kN之前，位移基本没有变化； 1.5 kN后，位移开始近似线性增加；当载荷达到10 kN时，停止加载，位移达到7.4 mm。负载保持一段时间然后卸载。最后荷载、位移均卸载至0，无残余变形。
图22 载荷-位移曲线
载荷-位移曲线上的最大位移为7.46 mm，此时的载荷为9.64 kN。计算所得结构的侧向刚度为1.29 kN/mm。南北向设计风荷载为5.0 kN，等效静震作用为2.9 kN。假设5.0 kN风荷载完全由轻钢框架-网格墙承受，则根据侧向刚度计算位移为3.88 mm，小于层高1/250的位移极限，表明：钢格板墙的侧向刚度满足设计要求。
4.3 应变分析
由于GWG1和GWG3的应变变化规律一致，GWG2和GWG4的应变变化规律一致，因此选取GWG3和GWG4进行应变分析，如图 23所示。通过材料的屈服应变进行测试以获得应变比。当应变比大于1时，意味着零件已经屈服。
图 23 应变结果
随着荷载的增加，各部件的应变呈线性增加，且所有部件的应变比均小于1.0，表明钢格栅部件的应力始终处于线弹性阶段。比较同一截面上的应变，长边应变小于短边应变。原因是钢网组件的长边与冷弯角钢连接（图21）。受力时，轴向力作用在构件截面的长边上并绕其旋转。质心产生面外弯矩，弯矩在长边应变片处产生的应变方向与轴向力在长边应变片处产生的应变方向相反，导致拉紧。
4.4 框架柱变形分析
图24为轻钢框架网墙结构边框柱上反光贴在加载至10 kN后沿加载方向的变形情况。可以看出，框架柱沿加载方向的变形呈现曲线特征。分析原因是混凝土基础和预埋钢管对柱脚有一定的旋转约束作用，且强于梁柱节点的旋转约束作用。因此，柱脚节点可视为旋转弹簧支撑，梁柱节点可视为旋转弹簧支撑。为铰接点，如图25所示。在柱顶集中荷载作用下，框架柱左侧受拉，变形向左凸，呈现弯曲变形特征。
图24 钢网格墙框架柱变形
图25 框架柱力学模型
综上所述
结论
本文以原天津大学附属中学框架网格墙结构工程示范为背景，针对轻钢框架网格墙之一提出了轻钢框架网格墙简易施工的关键技术。 ，并开发它。通过现场静力试验，获得了采用这种简单施工关键技术完成的轻钢框架-网架墙结构的抗侧力性能和变形特性。主要结论如下：
1）轻钢框架-网架墙结构所用材料截面小，重量轻，解决了运输不方便的问题。另外，轻钢框架与网架墙的连接节点均采用自攻螺钉安装，只需人力和手电钻即可完成，无需大型机械设备。综上所述，这是一种成本低廉、易于运输、易于安装的结构形式，非常适合在农村和城镇地区推广使用。
2）采用简单的施工关键技术完成的轻钢框架-网架墙结构在侧向力荷载下表现出良好的抗侧向性能，其侧向刚度足以抵抗设计风荷载和地震作用，满足设计要求。
3）钢格板构件在侧向力荷载作用下，由于构件受力存在偏心，在计算中应将其视为偏心受力构件。
4）由于钢杯口后注浆柱脚的旋转刚度强于梁柱节点，因此本工程边架柱在荷载作用下的变形呈现弯曲特征。
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关于作者
陈志华
天津城建大学副校长
天津大学二级教授 讲座教授 博士生导师
《钢结构（中英文）》编委
博士，国家百千万人才、天津市杰出人才、天津市杰出学者、国务院政府特聘专家、天津市科协常委、全国百名优秀博士导师，中国首届钢结构杰出人才，天津市工程勘察设计大师。 2019年荣获中华人民共和国成立70周年奖章。 天津大学建筑工程学院钢结构研究所所长，兼任中国建筑金属结构协会铝结构分会会长、副会长兼任中国钢结构协会专家委员会主任、中国建筑业协会钢木分会副会长、天津市钢结构协会理事长。天津市钢结构协会会长等。发表SCI论文126篇，EI论文216篇。作为负责人获得国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步一等奖6项，发明专利36项。研究成果已应用于十三运系列场馆、天津文化中心重点工程、国家会展中心（天津）等100多个大型基础设施建设项目。
严翔宇
天津科技大学教授、硕士生导师
博士，兼任天津市钢结构协会副秘书长、天津大学设计院工程技术研究所副所长、钢结构中心主任。从事预应力钢结构、空间结构、装配式住宅钢结构、海上光伏清洁能源布局选择与优化、结构智能建造技术等方面的技术研发、推广应用和人才培养。主持或参与国家及地方科研项目。十多个项目，负责完成了数十个大跨度空间结构项目和装配式钢结构住宅项目，代表性项目包括2022年冬奥会冰上比赛场馆和沧州富康家园钢结构住宅等。荣获二等奖1项国家科技进步奖1项，省部级科技进步特等奖2项，一等奖4项，专利金奖1项；荣获省部级行业优秀设计奖一等奖2项、二等奖4项；荣获优秀设计一等奖10余项；主持或参与编写国家和地方标准、图集17项，获得授权专利22项，出版专着2部，在国内外期刊发表学术论文80余篇，培养研究生10余名。获天津大学优秀硕士论文导师称号、2019年第十五届天津市青年科技奖。
