1. 引言
近年来，随着城镇化进程的加快，建筑能耗占我国社会总能耗量的30%以上 [1]。未来几年，我国住宅建造量继续增加，出于对绿色节能建筑的发展、节能和经济效益的考量，研究学者将科研方向更多的集中于新材料、新结构、新工艺的研究。
冷弯薄壁型钢轻质混凝土组合墙体结构体系采用冷弯薄壁轻型钢和轻质混凝土，组成了一种与传统结构房屋建造方式不同且适用于低层房屋的新型结构体系。该体系以冷弯薄壁型钢形成的钢骨架作为主要受力构件，外侧固定水泥板或钢网模等免拆模板，其间浇筑混凝土，构成墙体和楼板等结构构件 [2]，骨架表面覆盖的钢网模是由镀锌薄钢板加工成的蛇皮网，该体系具有工业化程度高，能耗低、减少资源浪费和环境污染、自重低等优点。
2. 试验方案
2.1. 试件设计
本试验采冷弯薄壁型钢，通过规格为ST4.8 × 19的盘头自攻自钻螺钉连接在一起，形成两种不同的墙体钢骨架，外侧固定钢网模，每种形式的钢骨架内浇筑两种不同的轻质混凝土，制成1500 × 1200 × 100的墙体模型，所有组合墙体试件的立柱和上下导轨采用Q235级镀锌钢，其中立柱的规格为C89 × 44.5 × 12 × 1.0 mm，上下导轨的规格为U91 × 40 × 1.0 mm，试件具体尺寸及型钢布置方式如图1所示。
(a) 竖向直撑 (b) 斜撑
Figure 1. Construction site and foundation pit
图1. 试件的几何尺寸与构造
2.2. 材料属性
轻质混凝土是由水泥、砂、水和筑粒或聚苯颗粒按照一定的比例配合搅拌而成，制作100 × 100 × 100 mm的立方体试块进行抗压强度试验，其中，筑粒颗粒由北京顺港筑邦环保科技公司生产。轻质混凝土的材料性能见下表1。
Table 1. Slight concrete strength
表1. 轻质混凝土试件强度
组合墙体的立柱、导轨均采用Q235B级镀锌钢材，试验前对钢材进行单向拉伸试验，试验方法参考规范 [3] 的方法，力学性能见表2。
Table 2. Mechanical properties of cold-formed thin-walled steel
表2. 冷弯薄壁型钢力学性能
2.3. 试验装置及加载制度
本试验是在内蒙古工业大学结构实验室完成的，加载装置如图2所示，其中垫块与固定槽钢和固定底槽的连接为焊接，固定槽钢与墙体底部采用钻尾丝连接。
该装置采用的是成都液压伺服加载系统，主要由竖向荷载千斤顶(200 t)、千斤顶与反力横梁之间的滑板、分配梁、反力墙和横向千斤顶(60 t)组成。
水平荷载是由液压伺服加载系统施加荷载，并对墙体施加水平往复荷载。
竖向荷载采用竖向液压千斤顶对墙体施加荷载，千斤顶的中心要，跟墙体中心在一条直线上，保证轴心受压，墙体无附加弯矩。
Figure 2. Device of low cyclically loading
图2. 低周反复加载装置示意图
本次试验采所施加的竖向荷载由荷载控制，水平荷载由位移控制，这样为了更好地观察试验现象。首先通过荷载控制的加载方式对试件进行竖向加载，加至其轴压力，水平荷载切换到位移控制加载，其具体步骤为下：
(1) 试验开始之前，先对墙体的竖向方向进行预加载，加载量为3 KN。
再将墙体水平方向进行预加载，加载量为2 KN。之所以预加载一方面可以检测各测试仪器是否正常工作，另一方面使加载装置与试件各结合部位更加紧密，加载完毕后，将荷载卸载至零，并读取各仪表的初始数据。
(2) 试验开始后，首先对墙体施加竖向荷载10 kN，并在加载过程中保持不变，轴压比为0.1，在水平方向逐级施加往复荷载，用位移控制加载，且每级位移循环两次，然后逐级增大墙体顶部位移，墙顶最大位移(对应位移角)分别为1 (1/1500)、1.25 (1/1200)、1.5 (1/1000)、2 (1/750)、3 (1/500)、4 (1/375)、6 (1/250)、8 (1/187.5)、12 (1/150)、15 (1/100)、20 (1/75)、25 (1/60)、30 (1/50)、37.5 (1/40)当荷载下降到峰值荷载的85%以下时，试验结束加载。此过程注意观察裂缝的出现。
2.4. 测点布置
试验共布置5个位移计，见图3，其中位移计1测量墙体顶部随水平作动器变化的位移；位移计2测量墙体底部水平方向相对于底部固定槽钢的位移；位移计3测量底部固定槽钢相对于加载架的水平位移，位移计4测量底部固定槽钢相对于加载架的竖向位移，位移计5测量墙体平面外位移。
3. 试验现象
3.1. Q1的试验现象
Q1的采用聚苯颗粒混凝土，竖其型钢间距为244 mm，无斜撑。在试件受竖向荷载时，Q1试件表面无明显变化。准备施加水平位移，当加载至5 mm第二个循环时，墙体内部聚苯颗粒混凝土受到挤压发出轻微响声，墙体的左上角出现少许裂缝，当加载至10 mm第二个循坏时，墙体发出较大的响声。当加载至12 mm第一个循环时，墙体右下角出现0.4 mm裂缝，随着水平荷载值持续增大，墙体所产生的裂缝持续增多，并沿竖向型钢有大量细小裂缝产生。加载至15 mm第一个循环时，型钢骨架发生倾斜，此时内部轻质混凝土能承受的荷载已大大减小，荷载主要由型钢承受，当加载至18 mm第一个循坏，峰值荷载为21.24 KN，此时可以较明显的看出沿型钢布置出的裂缝，加载至24 mm第二个循环时，荷载为18.24 KN，试件产生剧烈响动，部分混凝土应变片溢出。随着水平位移的变大，墙体背面继续掉渣，有的甚至大区域掉渣，墙体正面右下角的型钢周围的泡沫混凝土碎裂，裂缝愈加明显，裂缝开展就是沿着墙体内部型钢的放置位置开展，期间也有响动产生。当加载至27 mm第二个循坏时，型钢有屈曲，墙体的抗剪承载力急剧下降，试验停止。Q1墙体破坏现象，如图4。
(a) 墙体左上角开裂 
(b) 墙体右下角开裂 
(c) 墙体向右倾斜
Figure 4. Failure process of Q1
图4. 试件Q1破坏过程
3.2. Q2的试验现象
Q2的采用筑粒混凝土，型钢骨架有斜撑。加载至5 mm第一个循环时，墙体内部发出轻微响声，墙体表面看不出任何变化，加载至8 mm第二个循环时，墙体远离加载一侧的角部出现第一条细小裂缝，加载至12 mm第二个循环时，在第一条裂缝周围又形成许多细小裂缝，在墙体右下角又出现了新的裂缝，同时在沿型钢布置方向上出现了第一条裂缝，加载至15 mm第二个循环时，墙体表面沿型钢骨架布置方向出现的裂缝增多，加载至20 mm第一个时，此时承载力达到最大值为28 KN，沿型钢出裂缝更加明显，基本贯通，此时轻质混凝土和型钢之间的约束力大大减小，主要靠型钢受力，加载至30 mm第二个循环时，此时荷载为24 KN，加载过程中主要表现为位移的增加要比荷载的增加更为明显，且墙体右下角型钢变形明显，承载力急剧下降，试验停止，如图5。
(a) 墙体右下角裂缝 
(b) 右下角裂缝扩展 
(c) 应变片溢出 
(d) 裂缝两侧混凝土鼓起
Figure 5. Failure process of Q2
图5. 试件Q2破坏过程
3.3. Q3的试验现象
Q3采用聚苯颗粒混凝土，型钢骨架有斜撑。加载至5 mm第一个循环时，墙体内部发出轻微响声，墙体表面看不出任何变化，加载至8 mm第二个循环时，墙体远离加载一侧的角部出现第一条细小裂缝，加载至12 mm第二个循环时，在第一条裂缝周围又形成许多细小裂缝，在墙体右下角又出现了新的裂缝，同时在沿型钢布置方向上出现了第一条裂缝，加载至15 mm第二个循环时，墙体表面沿型钢骨架布置方向出现的裂缝增多，加载至20 mm第一个时，此时承载力达到最大值为28 KN，沿型钢出裂缝更加明显，基本贯通，此时轻质混凝土和型钢之间的约束力大大减小，主要靠型钢受力，加载至30 mm第二个循环时，此时荷载为24 KN，加载过程中主要表现为位移的增加要比荷载的增加更为明显，且墙体右下角型钢变形明显，承载力急剧下降，试验停止，如图6。
(a) 右下角裂缝 
(b) 沿斜撑的裂缝
Figure 6. Failure process of Q3
图6. 试件Q3破坏过程
3.4. Q4的试验现象
Q4的采筑粒混凝土，竖向龙骨间距244 mm，无斜撑。其破坏过程和Q1相似，加载至5 mm第一个循环时，在墙体右下角部出现第一条细小裂缝，当加载至8 mm第二个循环时，轻质混凝土与型钢互相挤压，墙体内部发出轻微响声，加载至12 mm第一个循环时，在原来产生裂缝的周围，又产生了新的裂缝，形成区域，同时在沿型钢龙骨布置方向开始出现细小裂缝，加载至15 mm第一个循环时，沿型钢布置方向上的裂缝逐渐增多，墙体内部因为轻质混凝土和型钢的挤压发出较大响声，加载至20 mm第二个循环时，沿型钢龙骨布置方向已形成较明显的裂缝，此时，墙体倾斜较明显，内部轻质混凝土对型钢的约束力较小，裂缝两侧的混凝土凸起，脱落，加载至27 mm时，越来越多的混凝土应变片开始溢出，型钢有屈曲，承载力下降，试验停止，如图7。
(a) 右下角裂缝裂缝 
(b) 沿竖向型钢裂缝
Figure 7. Failure process of Q4
图7. 试件Q4破坏过程
4. 试验结果分析
4.1. 滞回曲线
它可以反映结构或者构件的承载力、滞回耗能能力、刚度退化特征及变形能力等。滞回曲线越饱满，结构或构件的抗震性能越强。
4个试件的墙体顶部位移–荷载滞回曲线如图8所示，试件的滞回环形状随着加载循环的次数的变化而变化，根据滞回环的形状和面积可以反映试件的耗能能力，可以看出其相似之处：
(a) Q1的滞回曲线 
(b) Q2的滞回曲线 
(c) Q3的滞回曲线 
(d) Q4的滞回曲线
Figure 8. Hysteretic curve of composite wall
图8. 组合墙体滞回曲线
(1) 前几次加载，控制位移很小，试件未开裂，滞回曲线基本为通过原点直线，卸载时基本无残余变形，所包围的面积也很小，刚度较大，耗能少，组合墙体处于弹性工作阶段；
(2) 随着位移的增大，滞回曲线呈现梭形，刚度下降，滞回环的面积逐渐增大，卸载时出现明显的残余变形，耗能能力有所改善；
(3) 位移继续增加，此时滞回曲线向弓形发展，滞回环面积继续加大，承载力不断提高，卸载时残余变形明显增加，刚度退化明显，并伴有捏缩；
(4) 当试件达到最大荷载后，试件表现出明显的刚度退化和强度退化，捏缩效应更明显，具有良好的耗能能力，滞回曲线基本呈反S形；
(5) 随着位移的增加，承载力开始下降，此时滞回曲线开始呈Z形。
但不同的是：
(1) 组合墙体Q2的极限承载力明显大于其他三个组合墙体；
(2) Q3和Q4的承载力也均大于Q1，组合墙体Q2的滞回曲线相也比其他墙体较为饱满，包围面积更大，表示耗能能力更好；
(3) 组合墙体Q1的滞回曲线对比其他三个相对不饱满，包围面积也小，表示耗能能力差；
(4) 通过Q2与Q3相比可知，使用筑粒混凝土的墙体要比使用聚苯颗粒混凝土的墙体承载力大的多，塑性变形能力更强，初始刚度也较大，通过Q2与Q4相比，设置斜撑虽然也能提高组合墙体的承载力和变形，但与筑粒混凝土相比对墙体的提高要小的多。
4.2. 骨架曲线
在试件滞回曲线的基础上，将同方向各次加载的峰值点依次相连得到其骨架曲线 [4]，它反应了试件的刚度、延性，受力和变形的关系，是结构抗震的性能的综合体现。4个试件的骨架曲线如图9所示。
本文参考《建筑抗震试验规程》(JGJ/T101-2015) [5] 的研究方法，来确定组合墙体的屈服荷载和破坏荷载。
(a) Q1骨架曲线 
(b) Q2骨架曲线 
(c) Q3骨架曲线 
(d) Q4骨架曲线
Figure 9. Skeleton curves of specimens
图9. 试件骨架曲线
如图10所示，在骨架曲线中，通过原点做曲线的切线，即可求出骨架曲线的屈服点、极限点和破坏点。其中切线与最高荷载点的水平线相交点的位移定义为结构的屈服位移Δy，与之对应为屈服荷载Py，而破坏荷载Pf = 0.85 Pm。
表3给出了各模型的P − Δ骨架曲线的特征值。
Figure 10. Characteristic points on envelop curves
图10. 骨架曲线的特征点
Table 3. Feature points of skeleton curve
表3. 骨架曲线的特征点
从骨架曲线和表3中可以得出以下结论：
(1) Q1的承载力、弹塑性最大位移和小于其他试件，抗震性能较差，初始刚度仅为2.9，相比其他3个墙体的屈服位移和屈服荷载最小。
(2) Q2初始刚度在3.6，是4个组合墙体中初始刚度最大的试件，屈服荷载和屈服位移均大于其他3个试件，表示使用筑粒混凝土和设置斜撑不会使墙体过早屈服。
(3) 由组合墙体Q2和Q1相比，表示同时使用筑粒混凝土和设置斜撑可以使组合墙体极限承载力提高53%，极限位移提高45%；
(4) 由组合墙体Q2和Q3相比可知，在同时设置斜撑时，筑粒混凝土相比聚苯颗粒混凝土可以使组合墙体的极限承载力可以提高30%，极限位移提高30%；
(5) 由组合墙体Q2和Q4相比可知，同时使用筑粒混凝土时，设置斜撑可以使组合墙体极限承载力提高15%，极限位移提高16%；
(6) 由组合墙体Q3和Q1相比，在同时使用聚苯颗粒混凝土的情况下，设置斜撑可以使组合墙体的极限承载力提高18%，极限位移提高16%；
(7) Q4和Q1相比，在型钢全为竖向排列的情况下，不设斜撑，使用筑粒混凝土相比聚苯颗粒混凝土，可以使组合墙体的承载力提高33%，极限位移提高25%。
综合来看，引起4个墙体之间的差异主要是轻质混凝土的种类不同和型钢骨架的形式不同，使用筑粒混凝土和设置斜撑，都会提高组合墙体的抗侧刚度、承载力和极限位移，这是因为筑粒混凝土的力学性能要优于聚苯颗粒混凝土，有斜撑的型钢骨架相对于无斜撑的可以抵抗一部分水平力，但如果单独考虑这两种因素，用筑粒混凝土代替聚苯颗粒混凝土对墙体承载力和极限位移的提高，都远远大于设置斜撑的提高效果，进一步可以推断出，组合墙体内部轻质混凝土的种类对抗震性能的影响程度要远大于型钢骨架对抗震性能的影响。
4.3. 延性指标
延性是指结构达到屈服后承受变形的能力，衡量延性的延性指标可以用位移延性系数、转角延性系数、曲率延性系数等不同的系数来表示，在低周反复荷作用下，常用位移延性系数 来反映结构在屈服后的塑性变形能力，是评价结构或构件的抗震性能的一个重要指标，在地震作用下，结构或构件通过产生变形来吸收和耗散地震能量，以减小地震所带来的影响。其延性性能越好，耗能能力和承受塑性变形的能力越强，因而其抗震性能就优越， 为极限位移与屈服位移的比值，根据上表给出的数据，可得出各个组合墙体的延性系数，Q1的延性系数为3.25，Q2的延性系数为3.83，Q3的延性系数为3.33，Q4的延性系数为3.60。从组合墙体的延性系数可以看出：
(1) Q2的延性系数均比其他三个试件的延性系数大，Q2与Q1相比，延性系数提高了17%，说明同时使用筑粒混凝土和设置斜撑，能提高组合墙体的延性，使组合墙体具有较大的变形能力；
(2) 由Q2和Q4在同时使用筑粒混凝土的组合墙体中，设置斜撑比不设斜撑延性系数提高了6%；
(3) 由组合墙体Q2和Q3相比可知，在同时设置斜撑时，筑粒混凝土使延性系数提高了15%；
(4) 由组合墙体Q3和Q1相比，在同时使用聚苯颗粒混凝土的情况下，设置斜撑可以使延性系数提高2%；
(5) Q4和Q1相比，在型钢全为竖向排列的情况下，不设斜撑，使用筑粒混凝土相比聚苯颗粒混凝土，可以使延性提高10%。
4.4. 刚度退化
刚度是结构抗震性能的重要指标，定义试件的刚度为同级荷载作用下割线刚度的平均值 [6]，即为正负两个方向峰值荷载绝对值与位移绝对值之和的比值。
如图11所示，由图可知，4个墙体的初始刚度基本相同，随着位移的增大，刚度K呈现下降趋势，在较小的位移是刚度下降较明显，在位移较大时刚度则下降逐渐变慢；但值得注意的时，Q2初始刚度要比其他墙体高，下降的数值更少，最小刚度约为0.8，大于其他三个试件的最小刚度，这是因为筑粒混凝土性能更好，且设置斜撑提高了墙体的变形能力和抗剪承载力。同时，在位移相同的情况下，4个墙体的负向刚度小于正向刚度，其原因是首先正向施加荷载对试件造成了损伤。
5. 结论
本章通过对4个冷弯薄壁型钢与轻质混凝土组合墙体进行低周反复加载试验，从滞回曲线、骨架曲线、延性指标、刚度退化详细分析了组合墙体的抗震性能，试验结果表明：
(a) Q1的刚度退化曲线 (b) Q2的刚度退化曲线
(c) Q3的刚度退化曲线 (d) Q4的刚度退化曲线
Figure 11. Stiffness degradation curve of composite wall
图11. 组合墙体刚度退化曲线
(1) 4个组合墙体的主要破坏形式基本相同，在控制位移较小时，墙体只在角部出现细小裂缝，随着位移的增大，渐渐的在沿型钢布置方向处出现细小裂缝，并慢慢沿此方向延伸，直至贯通，最后型钢屈曲，墙体破坏。
(2) 组合墙体Q2的滞回曲线最为饱满，包围面积大，Q4次之，Q3不及Q4，Q1的滞回曲线相对最不饱满的，包围面积小。
(3) 从4个组合墙体的骨架曲线及其特征点可以看出，骨架曲线形状虽然很相似，但Q2初始刚度最大，随着位移的增大，其差距也越来越大，说明筑粒和斜撑在位移较大时发挥的作用明显，使得组合墙体Q2的荷载峰值点，极限位移得以提高，但通过4个组合墙体两两对比可以发现，单独使用筑粒混凝土对承载力和极限位移提高的效果要好于单独使用斜撑时的效果。
(4) 从组合墙体的延性性能、刚度退化、残余变形等方面分析可知，使用筑粒混凝土和设置斜撑，可以使墙体具有良好的整体性能和抗震性能。