1.1 课题背景
二战后欧洲住房紧缺，为了尽快解决战后住房问题，欧洲各国开始发展装配式建筑。在工厂生产建筑构配件，并形成了一套完整的、系统的、标准化的工业化建筑体系[1]。瑞典是世界上住宅工业化最发达的国家，主要是通过将轻型钢结构与混凝土结构相结合的方式生产通用部品形成装配式建筑[2]，其 80%的住宅采用工业化的生产方式建造。1977 年法国成立了构件建筑协会，希望通过制定模数协调规则来建立一种通用构造体系。在 80 年代又统一编制了住宅通用构件 C5 软件系统，是世界上推行建筑工业化最早的国家之一[3]。在日本，住宅产业化经历了 50 年至 70 年的发展期，工业化生产的住宅已达到 70%的比例，住宅产业的发展已进入成熟期[4]。美国住宅建筑市场发育完善，住宅用构件和部品的专业化、标准化、系列化、商品化以及市场化的程度很高，几乎达到 100%[1]。实践表明，推进住宅产业化是实现住宅建设低消耗、低污染，实现住宅建设资源化和可持续化的根本途径。 我国住宅产业化起步较晚，近几年随着经济增长和房地产行业的快速发展，住宅工业化进入了一个新的发展阶段。本文在建筑工业化的基础上提出了一种带内嵌轻质夹芯外墙板钢框架结构，该墙板由两部分构成，一部分为内核保温层，另一部分为内、外隔板层，两者以一定的方式连接起来，形成整体。内、外隔板采用高性能全轻混凝土，内核保温层由阻燃硬质泡沫塑料制成。这种墙板具有密度低、比刚度和比强度高等优点。而该轻质夹芯外墙板与钢框架形成的组合结构，具有轻质、高强、绿色、环保、工业化生产等特点。
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1.2 研究意义
结合实际工程对内嵌轻质夹芯外墙板钢框架关键技术进行研究，图 1-1 为该轻质外墙板钢框架结构在实际工程中的应用。课题由吉林建筑大学与吉林省新生建筑工程公司共同合作完成，由吉林建筑大学负责项目的材性试验、关键技术的研究工作，吉林省新生建筑工程公司负责试生产、生产、示范工程建设和推广。钢结构具有轻质、高强、施工方便快捷等诸多优点，是推进住宅产业现代化非常理想的结构形式。基于固体废弃物、建筑垃圾、地方资源的多功能复合一体化轻质夹芯外墙板具有轻质、高强、保温、隔热、扩大建筑使用面积、施工速度快等多功能为一体的特点，是绿色节能建筑外墙的理想选择，将它用作钢结构建筑外墙板，从而形成内嵌轻质夹芯外墙板钢框架结构。这种结构具有工厂化生产、施工速度快、提高建筑质量、绿色环保等优点，符合住宅产业化要求。 我国目前对于钢框架结构的设计是使钢框架承担全部的竖向及水平方向的荷载[5]，围护墙更多的是在使用功能上起到分隔室内外空间及围护作用，不考虑其对抗震的贡献。实际上，在水平荷载作用下，钢框架通过连接节点将水平荷载传递到围护墙上，围护墙能够与钢框架共同抵抗水平力。理论及实践表明，围护墙与钢框架的连接节点是钢结构建筑中的关键部位，节点域的性能直接影响结构的承载能力、稳定性和抗侧刚度[6]。目前对内嵌轻质夹芯外墙板与钢框架之间连接节点的研究比较少，亦未有统一的规范标准。为研究夹芯外墙板与钢框架在不同连接形式下的受力机理及破坏特征，本文设计了内嵌轻质夹芯外墙板钢框架结构的拟静力试验，模拟整个结构在低周水平往复荷载作用下的受力性能和变形特点。
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第二章 静力试验研究
本章主要通过对混凝土的抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量以及干表观密度，墙板与钢框架连接节点抗剪承载力的试验研究，分析材料力学特性及破坏特征，为下一步内嵌轻质夹芯外墙板钢框架结构抗震试验研究提供理论依据。
2.1 材料力学性能试验研究
根据《轻骨料混凝土技术规程》[33]中整体试件烘干法测定轻骨料混凝土干表观密度。将按照标准养护条件养护好的立方体试块放置在 105~110℃烘箱中烘至恒重，然后称重、测立方体试块体积。 依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》[34]的规定，制作一组边长为 150mm的立方体试块，在标准环境下养护 28 天后按照标准试验方法进行试验。 试验采用长春科新 YAR-2000 型电液伺服万能试验机对试块进行加载。试验前，保证立方体试块表面及压力试验机承压板表面干净；将试块放置在试验机下压板中心位置，立方体承压面与浇筑顶面垂直。试验过程由计算机程序控制加载，加载速率采用 0.4Mpa/s，荷载达到极限荷载后，试件变形加剧，停止加载，结束试验。 全轻混凝土立方体试件的破坏与普通混凝土立方体试件的破坏特征不同，在荷载接近极限荷载时，试件沿着与作用力平行的方向产生多条裂缝，随后试件即被压碎，轻骨料混凝土的套箍作用较弱[35]。轻骨料混凝土的破坏是由粗骨料的断裂引起，并非发生在水泥与骨料的交界面处。试验加载装置及试件破坏过程见图 2-1。
2.2 连接件抗剪试验研究
对设计的轻质夹芯外墙板与钢框架之间的三种连接件进行推出式[35]抗剪试验研究，连接件形式分别为钩头螺栓、套筒螺栓及焊接钢板，见图2-4。将与夹芯墙板等厚度的两块实芯混凝土分别通过上述三种连接件与H型钢连接之后进行推出试验[36]，确定连接件的抗剪性能及连接件对周围混凝土的影响区域，为轻质夹芯墙板钢框架的抗震试验研究提供理论依据。试验结果表明： （1）采用钩头螺栓以及套筒螺栓连接的试件开裂荷载与破坏荷载之间有较大的荷载储备，试件先开裂，后破坏，具有一定的塑性；而焊接钢板连接的试件破坏荷载与开裂荷载较接近，试件开裂即破坏，属脆性破坏。 （2）由套筒螺栓连接的试件破坏现象表明，采用套筒螺栓连接的试件破坏是由混凝土破坏控制，其抗剪承载力与混凝土强度有关。 （3）由于焊接钢板厚度比较小，受到竖向的剪切荷载时，钢板上部混凝土与钢板的接触面比较小，对混凝土来说受到的是一个线荷载，混凝土产生劈裂破坏，因此焊接钢板连接的试件破坏时只产生一个比较大的劈裂裂缝.
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第三章 抗震性能试验研究......18
3.1 试件设计 .... 18
3.2 试件制作与安装 ...... 25
3.3 试验方案设计 ........ 27
3.3.1 加荷方案设计 .... 27
3.3.2 观测方案设计 .... 28
3.4 本章小结 .... 31
第四章 试验结果与分析..........33
4.1 不同连接方式试件破坏过程及破坏形态 .......... 33
4.2 试验结果与分析 ...... 41
4.3 本章小结 .... 60
第五章 内嵌轻质夹芯外墙板钢框架有限元分析..........62
5.1 有限元模型建立 ...... 62
5.2 有限元计算结果 ...... 68
5.3 本章小结 .... 73
第五章 内嵌轻质夹芯外墙板钢框架有限元分析
有限元法是把连续的几何体离散为有限个单元，利用分片插值法求解各种力学及物理问题的一种数值方法。ABAQUS 是一套功能强大的有限元工程模拟软件，它拥有丰富的单元种类、材料模型、接触类型等，具有强大的计算功能和广泛的模拟能力[43]。本文采用 ABAQUS 有限元分析软件对内嵌轻质夹芯外墙板钢框架结构进行低周往复荷载作用下的非线性有限元分析，并将有限元模拟结果与试验结果进行对比分析。
5.1 有限元模型建立
ABAQUS 有限元模拟分析分为三个阶段：前处理阶段、分析阶段和后处理阶段。前处理阶段主要通过 ABAQUS/CAE 各个模块来完成模型的建立，主要包括单元模型及材料本构模型选取、边界条件的定义、创建分析步、划分网格等。本文对纯钢框架 LESEW-8 及试件 LESEW-2 进行 ABAQUS 有限元模拟分析，将有限元分析结果与试验结果进行对比，验证有限元建模的可行性。钢筋混凝土结构的有限元计算模型主要有三种，即分离式模型、组合式模型和整体式模型[44]。本文采用分离式模型对墙板进行建模，其特点是采用节点共享的方式，分别对钢筋与混凝土单元建模，并计算各自的单元刚度矩阵，然后再集成到整体刚度矩阵中。分离式模型的优点是便于考虑钢筋与混凝土之间的粘结和滑移，结果更精确；缺点是，当配筋量比较大且布置不规则时，网格划分数量很大，计算收敛速度慢。
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结论
为研究带内嵌轻质夹芯外墙板钢框架的抗震性能，本文通过对不同连接形式的内嵌轻质夹芯外墙板钢框架结构进行拟静力试验，记录了结构在水平往复荷载作用下的破坏过程及破坏形式，明确了钢框架与墙板之间的协同作用机理，对比分析了不同连接形式下结构的滞回性能、荷载-位移骨架曲线、耗能能力、位移延性等。对纯钢框架及采用四个高强螺栓连接的内嵌轻质夹芯外墙板钢框架结构进行了试验模型验证的 ABAQUS 有限元模拟分析。研究结果表明：
（1）依据限行《规范》[1-2]对试验所采用的设计强度为 LC20 的全轻混凝土进行了干表观密度测定、抗压强度试验、轴心抗压强度试验及弹性模量试验，强度能够达到 LC20 的要求，弹性模量满足现行《规范》[1]的要求。
（2）全轻混凝土立方体试件的破坏与普通混凝土立方体试件的破坏特征不同，在荷载接近极限荷载时，试件沿着与作用力平行的方向产生多条裂缝，随后试件即被压碎，全轻混凝土的套箍作用较弱，材料脆性明显。
（3）通过推出试验确定连接件抗剪承载力及抗剪连接件对周围混凝土影响区域较小的结论，从而对轻质夹芯外墙板钢框架试件设计提供理论依据。&nbs
