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冷弯型钢骨架墙体抗剪性能试验与理论研究

郭鹏  
【摘要】: 近年来,低层冷弯薄壁型钢结构住宅作为一种新型的住宅结构体系在我国开始悄然兴起。由冷弯薄壁型钢骨架、外墙板(OSB板、钢板等)和内墙板(石膏板等)通过自攻螺钉连接而成的冷弯型钢骨架墙体是低层冷弯薄壁型钢结构住宅的主要承重构件,其抗剪性能的研究对制定相关规范和加速低层冷弯薄壁型钢结构住宅体系在我国的推广应用很有意义。 冷弯型钢骨架墙体抗剪性能受众多因素影响,使得其理论计算十分困难,国内外主要依赖试验手段对其进行研究,既不经济也不利于设计应用和规范的制定。针对目前的研究现状,本文通过试验研究、有限元数值分析和理论公式推导对墙体抗剪性能影响因素、抗侧移刚度计算及变形验算、最大抗剪承载力计算、抗剪承载力设计值确定等问题进行了分析研究。 进行了16面由550MP_aC型冷弯型钢立柱、550MP_a带肋钢板和石膏板组成的高强冷弯型钢骨架墙体足尺试件(宽2.4m,高3m)抗剪试验研究。对“带肋钢板+石膏板双面板”、“单面覆带肋钢板”、“单面覆石膏板”和“双面无板带交叉扁钢拉条支撑”四类墙体试件进行了无竖向力水平单调加载、无竖向力水平低周反复加载和有竖向力水平低周反复加载的试验,得到了各类墙体试件的抗剪承载力指标和位移延性系数μ等性能指标。试验结果表明:各类墙体单调加载试件抗剪承载力均比反复加载试件高;单面覆石膏板墙体试件与0.8倍的单面覆带肋钢板墙体试件的承载力指标之和与双面覆板墙体试件承载力指标接近;双面无板带交叉扁钢拉条支撑墙体试件抗剪承载力是双面覆板墙体试件的60%~67%;双面覆板墙体试件延性系数在1.731~2.384之间。 在本文试验研究和本课题组2003年、2004年墙体抗剪性能试验研究的基础上,建立了同时考虑材料及几何非线性的墙体抗剪性能有限元分析模型,在模型正确性得到试验充分验证的基础上,对影响冷弯型钢骨架墙体抗剪性能的墙体骨架壁厚、墙体骨架屈服强度、墙面板厚度、立柱截面、带肋钢板肋高、柱距、柱高、竖向荷载、墙体构造、单面设置交叉扁钢拉条、单调与循环加载等11个因素进行了分析研究,得到了众多有益的结论和有限元分析数据,为本文后续理论分析提供了有力的依据。值得一提的是,本文在模拟覆带肋钢板墙体时采用弹簧单元成功的解决了钢板剪切屈曲后与墙体立柱的接触问题,避免了大量接触单元的使用,为有限元模拟接触问题提供了一种新的思路。 利用提出的冷弯型钢骨架墙体抗侧移刚度简化计算模型推导了墙体抗侧移刚度理论计算公式,并结合试验数据和有限元分析结果,得到单面覆石膏板墙体、单面覆OSB板墙体、单面覆带肋钢板墙体、双面无板带交叉扁钢拉条墙体在水平风荷载作用下、水平多遇地震作用下、水平罕遇地震作用下抗侧移刚度实用计算公式及侧向变形验算公式,墙体抗侧移刚度实用计算公式计算结果与试验、有限元分析结果吻合较好。同时,得出了双面覆板墙体抗侧移刚度等于相应的单面覆板墙体抗侧移刚度之和的结论。 通过对冷弯型钢骨架墙体在水平力作用下的各种可能破坏模式的研究,提出了相应的墙体最大抗剪承载力计算模型,并结合试验和有限元结果,得到了单面覆石膏板墙体、单面覆OSB板墙体、单面覆带肋钢板墙体和双面无板带交叉扁钢拉条墙体最大抗剪承载力实用计算公式,公式计算结果同试验、有限元分析结果比较一致。 在我国,冷弯型钢骨架墙体抗剪设计必须采用抗剪承载力设计值,而国内对冷弯型钢骨架墙体抗剪试验研究较少,无法采用概率统计及可靠度分析的方法获得墙体抗剪承载力抗力分项系数和抗剪承载力设计值。为了满足国内实际工程设计需要,本文利用美国规范关于此类墙体的容许应力设计法,并结合我国规范,近似反算了墙体抗力分项系数和抗震调整系数,给出了与美国设计规范等安全度的、适用于我国规范的冷弯型钢骨架墙体抗剪承载力分项系数表达式,可供国内工程设计参考。


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