内填组合墙体钢框架的有限元分析

内填冷弯薄壁型钢组合墙体钢框架结构房屋是冷弯薄壁型钢住宅体系从低层向多层发展过程中产生的一种新型结构体系。本文对内填冷弯薄壁型钢组合墙体钢框架体系进行数值模拟,通过两种不同连接方式试件的比较,分析冷弯薄壁型钢组合墙体与钢框架之间的协同工作性能和剪力分配关系。     

钢框架-冷弯薄壁墙体结构的抗侧力性能研究

采用ANSYS软件对钢框架-冷弯薄壁墙体结构进行有限元数值分析,得到该体系在单调水平荷载作用下的变形和应力分布,研究此体系的抗侧承载能力和抗侧刚度,分析钢框架与内填冷弯薄壁墙体之间的相互作用、协同工作性能和抗侧能力的分配。研究表明,钢框架-内填冷弯薄壁墙体结构具有较高的抗侧刚度和抗侧承载能力,其延性性能优良,是-种理想的双重抗侧力体系,可用于多层或小高层钢结构住宅,作为结构的抗侧力构件。     

喷涂保温材料冷弯薄壁型钢组合墙体抗震性能试验研究

喷涂保温材料冷弯薄壁型钢组合墙体是在冷弯薄壁型钢骨架区格内设置聚苯乙烯泡沫板,并在骨架外侧喷涂轻质保温材料制成。通过对1个冷弯薄壁型钢骨架试件和2个喷涂保温材料冷弯薄壁型钢组合墙体试件的低周反复加载试验,分析了试件的受力过程和破坏形态,研究了试件的滞回曲线、骨架曲线、承载能力、抗侧刚度以及延性等力学特征,并将试验结果与已有的两侧挂板冷弯薄壁型钢组合墙体的试验数据进行了对比分析。研究结果表明：冷弯薄壁型钢骨架的节点刚度较弱,承载能力较低,不宜单独作为抗侧力构件;与两侧挂板冷弯薄壁型钢组合墙体相比,轻质保温材料的连续喷涂使得组合墙体更具整体性,其承载能力和抗侧刚度显著增加,并具有良好的抗震性能。     

喷涂保温材料冷弯薄壁型钢组合墙体抗震性能试验研究

喷涂保温材料冷弯薄壁型钢组合墙体是在冷弯薄壁型钢骨架区格内设置聚苯乙烯泡沫板,并在骨架外侧喷涂轻质保温材料制成。通过对1个冷弯薄壁型钢骨架试件和2个喷涂保温材料冷弯薄壁型钢组合墙体试件的低周反复加载试验,分析了试件的受力过程和破坏形态,研究了试件的滞回曲线、骨架曲线、承载能力、抗侧刚度以及延性等力学特征,并将试验结果与已有的两侧挂板冷弯薄壁型钢组合墙体的试验数据进行了对比分析。研究结果表明:冷弯薄壁型钢骨架的节点刚度较弱,承载能力较低,不宜单独作为抗侧力构件;与两侧挂板冷弯薄壁型钢组合墙体相比,轻质保温材料的连续喷涂使得组合墙体更具整体性,其承载能力和抗侧刚度显著增加,并具有良好的抗震性能。     

喷涂保温材料-原竹骨架组合墙体抗震性能研究

喷涂保温材料-原竹骨架组合墙体是在原竹骨架外喷涂轻质保温材料制成。通过对喷涂保温材料-原竹骨架组合墙体试件进行低周反复加载试验,分析了试件的受力过程和破坏形态,研究了试件的滞回曲线、骨架曲线、承载能力、抗侧刚度及延性等抗震性能,并通过有限元分析比较了组合墙体和原竹骨架的抗侧承载能力,最后将试验结果与已有喷涂保温材料-冷弯薄壁型钢组合墙体的试验数据进行了对比分析。结果表明：喷涂保温材料-原竹骨架组合墙体具有较高的受剪承载力、抗侧刚度以及良好的抗震性能;组合墙体的抗侧承载能力为原竹骨架的2.9倍;与喷涂保温材料-冷弯薄壁型钢组合墙体相比,喷涂保温材料-原竹骨架组合墙体受剪承载力和抗侧刚度略有降低,但该组合墙体同样具有一定的推广价值。     

装配式冷弯薄壁型钢-轻质混凝土组合剪力墙抗震性能研究

为了进一步提升填充泡沫混凝土-冷弯薄壁型钢组合墙体的抗震性能,提出了一种装配式冷弯薄壁型钢-轻质混凝土组合剪力墙,由内填充自密实轻质混凝土的矩形冷弯型钢端立柱、高强泡沫混凝土填充冷弯型钢墙单元、双层墙面板等组成。通过4片冷弯薄壁型钢-轻质混凝土剪力墙足尺试件的低周反复加载试验,研究了增强端立柱、双拼内立柱和立柱开孔数量对剪力墙破坏模式、承载力与抗侧刚度、变形与延性、刚度与承载力退化、耗能能力等抗震性能的影响。试验结果表明：剪力墙破坏模式呈现墙面板与泡沫混凝土交叉裂缝的剪切破坏特征,其弹塑性阶段的侧向变形为剪切型变形,峰值阶段时位移角为1/62～1/45;采用内填自密实混凝土的矩形端立柱和内立柱能抑制墙体立柱局部屈曲破坏,并显著提高墙体承载力和刚度;增加立柱腹板开孔数量能避免立柱与混凝土间的界面黏结滑移,提高了墙体承载力、刚度和耗能能力,并延缓了承载力与刚度退化。基于承载力叠加原理,提出了该类剪力墙的受剪承载力计算公式,计算结果与试验结果符合较好。     

喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢组合墙体抗剪性能试验研究

对4个喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢组合墙体足尺试件进行低周反复加载试验,研究型钢骨架类型和立柱轴压比对墙体抗剪性能的影响,分析试件的受力过程和破坏模式,对试件的承载能力、抗侧刚度、延性、刚度退化以及承载力退化等力学特征进行研究;并对喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢组合墙体抗剪承载力设计值的确定进行初步探讨。研究结果表明:墙体的主要破坏模式为边立柱底部的局部受压屈曲和型钢骨架与两侧轻质砂浆之间的滑移失效;斜撑对墙体的抗侧刚度影响较小,对斜撑节点进行加强可以提高墙体的抗剪承载力;增加立柱轴压比将提高墙体的抗侧刚度,但承载能力和延性有所降低。采用"等安全系数"原则,基于试验数据初步确定喷涂式轻质砂浆-冷弯薄壁型钢组合墙体在多遇水平地震作用下的抗剪承载力设计值。     

多层冷弯薄壁型钢结构住宅水平荷载分配关系研究

为了确定水平荷载在多层冷弯薄壁型钢结构住宅中的分配关系,基于冷弯薄壁型钢组合墙体和组合楼盖的试验研究成果,将组合墙体计算模型中上导轨简化为桁架单元,墙架柱简化为梁单元,覆面板等效为非线性对角弹簧,将组合楼盖计算模型中楼盖梁简化为桁架单元,面内剪切刚度由非线性对角弹簧的刚度确定,以达到合理简化组合墙体和组合楼盖计算模型的目的。采用ABAQUS有限元软件建立4层双跨冷弯薄壁型钢结构住宅模型,模拟分析水平荷载通过冷弯薄壁型钢组合楼盖传递至冷弯薄壁型钢组合墙体的分配关系,并通过6层足尺冷弯薄壁型钢结构房屋振动台试验,验证楼盖刚性和水平荷载分配关系的判定方法。研究表明：组合墙体和组合楼盖简化计算模型能较好地模拟冷弯薄壁型钢墙体和楼盖全过程的受力性能,与试验结果的误差小于20%,模型可用于简化分析组合墙体的受剪性能以及组合楼盖的面内受力性能;多层冷弯薄壁型钢结构住宅中采用的压型钢板上覆不同材料的组合楼盖型式均为刚性楼盖,水平荷载按剪力墙等效刚度的比例分配。     

钢框架-冷弯薄壁型钢墙体组合结构抗震性能研究

为了提高传统低层冷弯薄壁型钢体系的抗震性能，对钢框架-冷弯薄壁型钢墙体组合结构进行了拟静力加载试验，研究了钢框架、覆面板材、开洞等因素对组合结构抗震性能的影响。采用等效拉压弹簧模型对试件进行了简化模拟，并将模拟结果与试验结果进行对比。研究结果表明：将框架与剪力墙组合，可以使剪力墙的破坏模式从龙骨边柱屈曲的脆性破坏改为龙骨骨架较完好的延性破坏；增加框架后，组合结构弹性抗剪刚度提高了约30%,受剪承载力提高约10%;框架的约束使破坏后的组合结构在位移角1/20时保持70%以上的受剪承载力；等效拉压弹簧模型的计算结果与试验结果基本吻合，可以较好地模拟组合结构的滞回性能。     

不同构造木、冷弯薄壁C型钢组合框架剪力墙受力性能的试验研究

由木规格材作为顶梁板和底梁板的冷弯薄壁型钢木结构是一种新型结构体系。通过对4组不同间距墙骨柱和不同间距自攻螺钉组成的冷弯薄壁型钢木框架组合剪力墙进行单向加载和反复加载试验,得到了该体系墙体的破坏形态、抗剪强度、抗侧刚度、荷载-位移等受力性能。试验结果表明：与标准构造的剪力墙相比,随着墙骨柱和边框架自攻螺钉间距的减小,剪力墙的抗剪强度和抗侧刚度提高;墙骨柱间距不同对剪力墙的影响大于自攻螺钉间距的影响。     

冷弯薄壁型钢-钢板剪力墙抗震性能试验研究

为研究冷弯薄壁型钢-钢板剪力墙结构的抗震性能,对冷弯薄壁型钢边柱内置薄钢板剪力墙进行低周往复加载试验,对比不同边柱截面厚度及截面形式对其抗震性能的影响。试验中得到了冷弯薄壁型钢-钢板剪力墙的破坏形态、荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、荷载及位移特征值,并对结构的破坏特征、延性、耗能能力、承载力及刚度退化进行分析。结果表明:冷弯薄壁型钢-钢板剪力墙具有良好的抗震性能;增加边柱截面厚度及选用帽形边柱均可提高剪力墙的承载力、刚度及耗能性能。计算3个试件受剪承载力设计值和弹性抗侧刚度,其值均高于常用冷弯薄壁组合墙体的;结合破坏特征提出冷弯薄壁型钢-钢板剪力墙3个受力阶段;边柱对剪力墙破坏起控制因素,工程设计中应保证边柱承载能力,宜采用"强边柱、弱钢板"的设计理念。     

装配式刚边框-冷弯薄壁型钢骨架组合墙体受力性能研究

冷弯薄壁型钢组合墙体主要由冷弯薄壁型钢骨架和外敷面板组成,结构轻巧,绿色环保,多用于中低层建筑,一般在施工现场拼装完成。为提升墙体的施工速度和安装效率,在墙体四周增设焊接刚性边框,提出一种新型装配式刚边框-冷弯薄壁型钢骨架组合墙体,该墙体在工厂预制完成,现场采用螺栓与周围构件连接。建立有限元模型分析面板类型、斜撑、螺钉间距、刚边框和洞口对该新型墙体受力性能的影响,提出了承载力设计方法。研究结果表明:增设斜撑能提升墙体骨架的抗侧刚度以及石膏板覆面墙体的受剪性能,对受压承载力以及OSB板覆面墙体的抗剪承载力影响较小;墙体宜采用较密的螺钉间距(面板四边100 mm,内部300mm),便于充分发挥刚性边框的作用,且刚性边框无须过厚;带洞口墙体通常在洞口角部发生破坏,其受剪承载力随着洞口尺寸的增大而大幅下降,洞口位置对受剪性能影响较小。     

内置轻钢桁架混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究

将冷弯薄壁型钢桁架配置在普通钢筋混凝土剪力墙中代替钢筋而形成轻钢桁架混凝土组合剪力墙。为研究该类墙体的抗震性能,对两组共6个内置轻钢桁架混凝土组合剪力墙进行拟静力试验,研究轴压比和斜撑体积配钢率对其滞回性能、变形性能、刚度退化以及耗能能力的影响。对比了低矮剪力墙和中高剪力墙的位移延性和耗能能力。结果表明：轴压比对该类剪力墙的变形能力和耗能能力均不利,应予以控制;斜撑体积配钢率对提高低矮墙的延性、耗能能力效果明显,但对承载力的提高作用较小;对中高剪力墙,斜撑体积配钢率的增加,对其耗能能力不利。     

壁挂式冷弯型钢结构双层组合墙体抗震性能试验研究

为研究壁挂式连接冷弯型钢结构中双层组合墙体的抗震性能，对4个足尺双层墙体试件进行了水平低周往复试验，考虑了刚性斜撑、方钢管端柱加强、下部两层墙体抗侧刚度比等因素对墙体抗震性能的影响。结果表明：增设刚性斜撑墙体中V形刚性斜撑与墙面板蒙皮作用同时发挥抗侧作用，提高了墙体的受剪承载力及弹性抗侧刚度，但延性降低；采用方钢管截面端柱可避免端柱发生压屈破坏，其对墙体的抗侧刚度及受剪承载力提高幅度较小，但可以改善墙体的延性及变形性能；当底层与二层墙体抗侧刚度比大于1时，墙体属于弯曲型破坏。建议在多层冷弯薄壁型钢结构住宅抗震设计中，对底层墙体设置刚性斜撑、采用方钢管加强端柱以提高墙体受剪承载力及端柱抗压屈能力。     

壁挂式冷弯型钢结构双层组合墙体抗震性能试验研究

为研究壁挂式连接冷弯型钢结构中双层组合墙体的抗震性能,对4个足尺双层墙体试件进行了水平低周往复试验,考虑了刚性斜撑、方钢管端柱加强、下部两层墙体抗侧刚度比等因素对墙体抗震性能的影响。结果表明：增设刚性斜撑墙体中V形刚性斜撑与墙面板蒙皮作用同时发挥抗侧作用,提高了墙体的受剪承载力及弹性抗侧刚度,但延性降低;采用方钢管截面端柱可避免端柱发生压屈破坏,其对墙体的抗侧刚度及受剪承载力提高幅度较小,但可以改善墙体的延性及变形性能;当底层与二层墙体抗侧刚度比大于1时,墙体属于弯曲型破坏。建议在多层冷弯薄壁型钢结构住宅抗震设计中,对底层墙体设置刚性斜撑、采用方钢管加强端柱以提高墙体受剪承载力及端柱抗压屈能力。     

不同屈曲约束形式的钢板剪力墙往复剪切性能试验

为研究不同冷弯薄壁型钢屈曲约束形式的钢板剪力墙的往复剪切性能,剥离框架对钢板剪力墙结构抗侧力的贡献,单独对3个不同屈曲约束形式的钢板剪力墙结构试件和1个纯钢板剪力墙结构试件进行了拟静力试验研究,并通过试验与理论分析揭示了不同屈曲约束形式的钢板剪力墙在往复剪切作用下的力学性能与失效机理。结果表明:冷弯薄壁型钢对钢板剪力墙的面外变形具有较好的约束作用,显著提高了钢板剪力墙的耗能能力、延性和承载力; 竖向屈曲约束构造形式对钢板剪力墙的耗能能力提高效果最好,其次是水平约束形式,最差是45°斜向约束形式; 对于带45°斜向约束的试件而言,由于约束形式非轴向对称,其承载力在推、拉方向上表现出明显的差异,即在拉力带垂直于冷弯薄壁型钢约束时,其承载力更高。     

纯剪荷载作用下帽型冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板墙元的抗震性能试验研究

提出了一种帽型冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙结构抗侧力体系。为了研究该帽型冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙结构的抗震性能,剥离了钢板剪力墙结构抗侧力体系中梁柱框架刚接对体系抗侧力的贡献,从钢板剪力墙中提取出“墙元”,并保证其为纯剪受力状态,设计了5个帽型冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙墙元试件,对其进行往复剪切荷载下的拟静力试验。结果表明：帽型冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙结构承载能力稳定,位移延性系数达到7以上,极限位移角达0.03rad,塑性变形能力较强;帽型冷弯薄壁型钢可以阻断内嵌钢板斜向通长拉力带,使钢板约束覆盖区域处于平面剪切受力变形状态,从而提升结构承载力、刚度和耗能能力,充分发挥钢板的材料性能;外贴OSB装饰板材可以满足建筑功能的适用性,同时强化了整体结构的抗震性能。