近年来，钢框架结构在我国民用建筑特别是钢结构住宅建筑中得到了广泛应用。但是，由于钢框架结构体系对墙体(板)的要求较高，钢框架与墙体(板)之间的共同作用机理成为值得研究的课题。由于墙体(板)主要起围护作用，并非主要承载构件，我国当前的设计方法是使钢框架承担全部竖向和水平荷载，墙体(板)构件不参与工作[1]。实际上，钢框架受水平力作用时，墙体(板)会参与共同抵抗水平力，并且墙体(板)的破坏常常造成生命和财产的重大损失。此外，墙体(板)处理不当还可能使框架结构体系的抗震能力降低，特别是发生短柱(混凝土柱)剪切破坏。理论和实践都表明，墙体(板)对于提高钢框架体系的刚度与承载力具有重要意义。本文目的在于通过总结现有的钢框架与墙体(板)共同作用的研究成果，对钢框架与墙体(板)共同作用的研究前景提出看法。
1 简化计算模型
利用弹性屈曲理论分析带墙体(板)钢框架，得到的结果较为精确，但是求解的过程非常复杂和繁琐，而且由此得到的结果对分析实际工程有过多冗余的精度。为此，国内外学者已提出若干种带墙体(板)钢框架的简化计算模型。
Thorbum Kulak等提出了钢板墙的斜拉杆模型，该模型基于Wagner的拉力带理论[2]。钢板墙被划分为一系列的斜杆，斜杆的截面积等于所代表的钢板墙截面积，斜杆的倾角根据最小势能原理确定。T．C．Liauw，K．H．Kwan认为在外力作用下，内填墙的受力与单向压杆的受力大致相似，可将内填墙等效为一单压杆[3]。压杆的材料与混凝土材料相同，高度取内填混凝土墙厚度，宽度W根据式(1)取值：
式中：h、t分别为墙的高度和厚度；θ为墙对角线与水平线之间的夹角；λh为墙体与钢框架刚度比；Ec为混凝土墙体材料弹性模量；Es为钢材弹性模量，Ⅰ为钢框架柱截面惯性矩。
W．W．EI—Da—Khakhni等在总结众多研究成果的基础上，提出了框架与填充墙接触长度hc、lb及等效对角支撑的总截面面积A的计算公式，即三支杆模型[4]。刘建新提出了填充墙元模型，在模型中墙板单元上、下端设刚性横梁，4个角结点为只传递水平剪力而不传递竖向力的铰结点，并与四周梁柱节点铰接，墙板单元的厚度取砖填充墙的实际厚度，单元的长度和宽度取相应填充墙块的实际长度和宽度[5]。另外，童根树等针对带竖缝钢筋混凝土剪力墙建立壁式框架模型，缝间墙简化为只有抗弯刚度和抗剪刚度，而没有轴压刚度的柱；实体墙简化为等效面积和惯性矩的柱；认为钢框架梁高度范围内抗弯刚度无穷大，抗剪刚度有限，剪切面积为钢框架梁腹板沿梁长的截面面积[6，7]。
通过建立以上各种简化计算模型，国内外学者得以对带墙体(板)钢框架结构体系进行数值分析，并且利用这些简化计算模型得到的分析结果与试验结果吻合较好。
2 研究方法
目前，对于钢框架结构与墙体(板)共同作用的研究主要采取试验方法和有限元分析方法[8~20|。
2．1试验方法
填充墙对钢框架结构的影响程度有多大，是个比较复杂的问题。国内外很多科研人员做了大量填充墙框架的抗震试验，包括模拟地震振动台试验、水平静力及低周反复加载试验和水平拟动力试验等。
李国强等对于带墙板钢框架结构开展了多次试验。文献E83对钢结构住宅体系进行了足尺模型的模拟地震振动台试验研究，测试了内外墙板及其与钢框架连接节点处的加速度反应，复合外墙板钢骨架及其与钢框架连接节点的动应变。由试验观察到，振动使墙板本身未出现裂缝和破坏，但导致其与钢框架之间有较明显的撞击和摩擦，因此可知该墙板有较好的抗震性能，但需做好其与钢框架之间的柔性连接。文献[9]介绍了带ALC墙板钢框架结
构的水平静力及低周反复加载试验，试验模型的框架部分为单跨两层平面钢框架结构，ALC墙板有横排外挂、竖排外挂和竖排内嵌三种安装方式。研究发现，由于墙板与钢框架之间采用了接缝钢筋加灌注砂浆的方法，较好地保证了墙体的整体性，试验过程中未发生墙板内斜裂缝和整体大开裂等破坏。文献[10]介绍了7榀平面钢框架及带填充墙钢框架结构的水平静力及低周反复加载试验，试验按墙面与框架柱主轴平面相对位置的不同分为两组，即柱子弱轴位于平面内和柱子强轴位于平面内两种。文献中给出了结构抗震弹性层间角位移的建议取值为1／350。
关国雄等[11]研究了钢筋混凝土框架砖填充墙结构的抗震性能，对于钢框架一填充墙结构的试验有一定的借鉴意义。介绍了一个框架填充墙结构模型模拟地震振动台试验，模型结构是模拟一座1：3的4层房屋的一个开间，研究了结构动力特性与反应特征。通过试验得知，填充墙开裂前，地震力主要由填充墙承担，裂缝出现后，则由框架承担，并且随着墙体的倒塌破坏还会导致框架失稳，故应采取约束措施保证墙体与框架之间的连接。文献E123中将钢筋混凝土剪力墙结构(模型1)、钢筋混凝土框架砖填充墙结构(模型2)和钢框架混凝土填充墙结构(模型3)三种模型对比研究，进行了1／3地震模拟振动台试验，试验模型的整体尺寸相同，均按静力等强度原则设计。通过试验可知，各结构的抗震性能好坏依次为模型3、模型1、模型2，同时也注意到填充墙与框架的可靠连接是防止房屋倒塌的重要环节。
王春武等[13]也进行了钢筋混凝土框架与砌体填充墙共同作用的试验研究，以真实工程为背景，取底层一榀框架一砖墙按1／5比例制作了框架一砖墙试验模型，进行了水平拟动力试验。结果表明，底层框架抗剪力砖墙上部砖砌体房屋形式完全能满足6度、7度甚至更高抗震设防烈度设计的要求。文献[14]介绍了两榀1：5比例模型的框架一砖砌体填充墙组合结构的拟静力试验，试验者为了减小试验误差，采用了作动器力控制方式下进行拟静力试验
的方法，研究了结构的破坏形态和受力性能。结果表明，在层间侧移角不大于1／170时，框架与砖填充墙能够实现周边紧密连结共同工作，但试验模型的尺寸较实体小，存在“尺寸效应”，因而模型试验结果较理论分析结果大。
H．A．Moghadam为研究中小尺寸的内填砌体墙或混凝土墙钢框架在水平静力往复试验下的开裂强度[15]，将试验的11组试件按照尺寸和是否带水平钢筋及组合梁分为两类，由试验观察到砌体墙在较低荷载水平下，砌块的粘结界面处出现开裂和相对滑移，继而发展成为对角线开裂形态；而混凝土墙则是在框架角部压碎，砌体墙的抗侧能力和刚度虽然比混凝土墙低，但是塑性和变形能力却更好。若墙体与框架的连接牢固，则能较好地改善此两类填充墙体钢框架的力学性能，但墙体周边是否浇注有组合梁，则对结构的强度和刚度无明显影响。
A．M．Memari等对一座施工期间的6层高带填充墙钢框架进行了足尺模型的环境与强迫振动试验[16]。环境振动试验分两个阶段进行，仅建成了框架和楼板时为第一阶段，第二阶段则是施工完成了所有的墙体(填充墙体材料为高压加气混凝土ACC)。强迫振动试验则在部分墙体施工完成后进行，该试验测得了结构体系的动力特性，包括固有频率，阻尼比和模态；试验表明，ACC墙体对钢框架有一定的刚度贡献，但不如砖和混凝土砌块的显著，但鉴于ACC墙体的经济性和轻质性，依然有较广阔的应用前景。
2．2有限元分析方法
有限元方法是分析钢框架结构与墙体(板)共同作用的有效手段，并且可以克服试验条件不足、试验周期较长、参数变化有限等不足。李国强等提出了梁单元+实体单元+弹簧单元的有限元模型，即钢框架采用Beam单元，砌体填充墙体采用Solid单元，框架和墙体之间采用Non-Linear Spring单元[10]。而H．A．Moghadam则建议用Shell单元模拟填充墙体，Beam单元模拟框架，Link单元模拟墙体与框架之间的连接[15]。虽然二者对单元的选取方式有较大差异，但数值分析的结果都令人满意。
戴绍斌等[17]运用ANSYS软件的接触单元建模对填充墙与钢框架的协同工作进行了非线性研究。建模时，用Solid 95单元模拟钢框架，Solid 45单元模拟加气混凝土填充墙，钢框架与墙体之间的接触单元采用三维Target170和Pt-to-surf 175接触单元，将墙体视为刚性，而将钢框架视为柔性建立接触对。综合考虑结构形式的特点和分析计算精度的要求，同时为了避免坏死单元的出现，对钢框架和墙体均采用映射网络划分，使单元呈规则的六面体
形状[17]。李国华同样分别采用Solid 95单元模拟钢框架，Solid 65单元模拟内填混凝土墙，但是采用Conta 173与Targe 174单元模拟混凝土与钢框架之间的接触，并且取接触之间的摩擦系数为0.3[18]。
谷倩利用ANSYS软件分析了砖填充墙对钢框架的影响，模型的建立基于W．W．EI-Da-Khakhni提出的三支杆计算方法，整体模型较为简单，建模时三支杆选用Beam 189三维线性有限应变梁单元，因为该单元基于Timoshenko梁理论，考虑了剪切变形效应，故适合分析纤细的梁结构[19]。
A．M．Memari为研究内填高压加气混凝土填充墙钢框架的环境振动性能，利用ETABS软件对结构进行了数值模拟[16]，建模时提出了若干合理假设：1)材料为线弹性；2)框架刚接在基础上并忽略地基与结构的相互作用；3)梁柱连接为剪切型；4)支撑构件仅受拉压；5)楼板在自身平面内是刚性的，垂直于其平面内则是柔性的；6)忽略柱的自重；7)每一层的重量集中在几何中心。该软件有效地对三维模型进行了线弹性范围内的动力分析。
由于一般软件不能较好地模拟砌块之间的相互作用，故Amin Mohebkhah利用专业离散单元法软件Universal Distinct Element Code(UDEC)对带洞口砌体钢框架建立了二维数值模型，进行了该种结构体系在平面内单调荷载作用下的非线性静力分析，用该软件建模时可以考虑结构的大变形和砌块之间的转动[20]。
3 墙体(板)对钢框架抗侧刚度及承载力的影响
钢框架的刚度较小，在侧向荷载作用下，往往表现出较好的柔性和较大的侧移，有时侧移值可能会超出规范中的要求而限制了钢结构的使用，然而，墙体(板)却拥有较大的抗侧刚度，因此当二者连接成整体结构时，整个结构体系的刚度和抗震性能将较纯钢结构得到很好的改善。
文献[9]介绍了无墙板和带ALC墙板钢框架的试验，通过比较发现，安装有横排内嵌ALC墙板的钢框架，其初始刚度比纯框架结构的刚度增大20％～25％，承载力增大10％左右；而安装有竖排内嵌ALC墙板的钢框架，其初始刚度比纯框架结构的刚度增大50％～70％，承载力则可增大65％左右，可见ALC墙板的内嵌方式是影响钢框架抗侧性能的重要因素。
文献[10]不仅介绍了带加气混凝土砌块填充墙钢框架结构的试验结果，而且给出了填充墙框架体系抗侧刚度简化公式。试验结果表明，加气混凝土砌块填充墙对钢框架结构的刚度有较大影响，柱子弱轴位于平面内时，结构的初始刚度增大40％～50％，承载力增大60％以上；柱子强轴位于平面内时，结构的初始刚度也增大了45％～60％，承载力增大24％左右。为了能推导出带填充墙钢框架结构体系的抗侧刚度计算公式，作者认为影响带填充墙钢框架结构体系总刚度的因素有3个方面：框架的刚度，填充墙的刚度以及二者之间的连接弹簧刚度。根据该模型系统的受力和变形关系得到：
式中：kf为框架的刚度；kw为填充墙的刚度；ks为连接弹簧的刚度；Kfw为填充墙钢框架结构的总刚度。用该公式计算得到的结果与试验数据比较吻合。
由文献[17]的数值分析结果发现，钢框架的最大刚度值和承载力由于填充墙的存在而分别提高了65％和19.6％。并且，通过钢框架屈服后的曲线可以看到，填充墙钢框架刚度曲线的下降比纯钢框架刚度曲线的下降速度要缓慢得多，因此可知结构的抗震耗能能力和安全性能也提高了。文献[18]也介绍了有限元分析的结果，与纯钢框架相比，钢框架内填混凝土墙结构体系具有更高的承载能力，可达纯钢框架的3.18倍。文献[20]则采用离散单元法研
究了内填砌体填充墙的抗侧承载力，由分析结果可知，虽然填充墙体的开洞面积达墙面总面积的17.5％，但是钢框架的抗侧承载力依然能够提高28％。文献[21]采用考虑刚度退化的三线型恢复力模型来表示复合填充墙体钢框架的抗侧力特性，即初始刚度是墙面初裂前的平均刚度；弹塑性切线刚度是填充墙已出现裂缝后的刚度，可以认为是墙面初裂点与设计屈服点之间的平均刚度；塑性阶段刚度为零。文献[22]利用Pushover分析方法对钢框架结构进行分析后发现，考虑钢框架与填充砖墙的协同作用后，砖填充墙框架的承载力提高了7％～8％。文献[23]的试验发现，带填充墙钢框架的极限荷载是纯框架的1.5倍，而侧移约相当于纯钢框架的1／3。
纵观以上研究成果可知，尽管由于墙体材料不同以及数值模拟的方法不同等原因导致各研究人员的结论不尽相同，但是墙体(板)对钢框架结构的抗侧刚度和抗侧承载力均有较大提高，而且增长幅度普遍在50％以上，这对控制钢框架结构的侧移有明显效果，同时结构的抗震性能也得到较大的改善。
4结论与展望
墙体(板)不仅对钢框架结构起到围护和分隔的作用，而且参与了结构的受力，与钢框架之间存在着显著的组合作用，墙体(板)对钢框架有支撑作用，使得钢框架的侧向刚度和强度均有明显的提高。值得注意的是，在本文提到的各类墙体(板)中，复合墙板因其具有较高的抗弯强度、较好的冻融性能、抗渗性能和保温效果等优点，而得到国家有关部门的认可，但是现阶段钢结构住宅复合墙板的研究、设计、应用相对滞后，而且复合墙板的研究工作大多局限于板本身，钢框架与复合墙板的共同作用研究则较少，还远不能指导实际工程中复合墙板的应用。因此，复合墙板力学性能的研究尚需进一步深入，尤其是其与钢框架结构共同作用的机理亟待解答。
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