夹芯墙板覆面冷弯薄壁型钢承重复合墙体受剪试验

为满足多层冷弯薄壁型钢房屋建筑的抗震及防火要求,同时兼顾施工便捷性,提出了夹心墙板覆面的新型冷弯薄壁型钢复合墙体,并完成了11片足尺模型水平加载试验。试验表明： 1） 复合墙体的受剪破坏主要由墙板周边的螺钉连接失效引起,即螺钉将墙板撕裂或螺钉剪断引起,墙板与自攻螺钉之间的连接力学性能成为影响复合墙体受剪性能的主要因素;增大墙板厚度或者采用玻镁板代替石膏板可提高复合墙体抗剪性能,而龙骨立柱的截面尺寸对复合墙体受剪性能影响不明显; 2） 同侧墙板层数的增加对复合墙体受剪承载力及刚度虽有明显提高,但未达到线性叠加程度;夹心墙板的使用有利于墙体蒙皮效应的发挥,相应的墙体受剪性能优于墙体同侧双层墙板覆面时的受剪性能; 3） 蒸压加气混凝土（ALC）板周边与自攻螺钉的连接区域在较低水平荷载作用下出现板材开裂现象,故不宜采取ALC板参与墙体受力的连接方式。研究给出了新型冷弯薄壁型钢复合墙体的受剪承载力及抗剪刚度设计指标,供工程设计参考。     

冷弯薄壁型钢复合墙体基于弹簧连接单元模型分析合理性

建立基于螺钉连接件弹簧单元的冷弯薄壁型钢复合墙体SAP2000分析模型,螺钉采用定向滞回准则的不相耦合的双弹簧模拟,覆面板采用弹性壳单元,龙骨构件采用三维框架单元,分析模型主要集中考虑龙骨和覆面板螺钉连接件非线性性能对于模拟复合墙体的合理性,并采用相关墙体滞回试验结果进行验证。研究结果表明,基于连接件性能的冷弯薄壁型钢复合墙体SAP2000分析模型能够用于冷弯薄壁型钢复合墙体抗震性能的精细化分析,为复合墙体抗震简化设计方法提供分析依据。     

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。     

考虑重力荷载的冷弯薄壁型钢组合墙抗震性能研究

为了研究以平钢板为面板的冷弯薄壁型钢组合墙的抗震性能,在同时承受水平荷载和重力荷载的情况下对6个冷弯薄壁型钢组合墙试件进行4个水平单调加载试验和2个低周反复加载试验。研究的目的是观察各试件的主要破坏形态,分析组合墙体的抗剪强度、初始刚度、延性、滞回曲线特性等,分析重力荷载对组合墙体的破坏形式和抗剪强度的影响,同时采用OpenSEES对组合墙体进行了数值模拟,验证模拟的精确度。试验结果表明:组合墙的抗剪强度并不因重力荷载而有所降低;施加重力荷载后,墙体试件更容易出现框架构件的屈曲破坏,而非螺钉连接处的破坏;组合墙抗剪强度和延性随框架构件厚度增加而显著提高;采用有限元软件OpenSEES模拟组合墙体,模拟结果与试验结果对比表明模拟具有较高的精确度。     

冷弯薄壁型钢与结构用OSB板自攻螺钉连接性能试验研究

龙骨式复合墙体是冷弯薄壁型钢龙骨体系结构的主要抗侧力构件,其抗震性能与覆面板和龙骨骨架间自攻螺钉连接的性能密切相关。通过对受单调和低周往复受剪荷载的冷弯薄壁型钢龙骨与结构用OSB板自攻螺钉连接受力性能的试验研究,分析了加载速率、面板布置方向、螺钉端距以及龙骨壁厚等因素对其抗震性能的影响。研究结果表明:试验加载速率和OSB板布置方向对其受剪性能均无明显影响;随着螺钉端距在试验钉距范围内增大,荷载及变形能力均有大幅提高;随着龙骨壁厚由0.8 mm增大至1.0 mm,峰值荷载提高了约10%,而变形能力则无明显变化规律。最后,在试验结果基础上,采用改进的"Foschi"指数型骨架曲线和定点指向型滞回规则建立了钢龙骨与结构用OSB板自攻螺钉连接的恢复力模型,为龙骨式复合墙体及房屋整体的抗震性能数值模拟研究提供了基本参数。     

冷弯薄壁型钢组合墙体的抗震性能研究

为了研究冷弯薄壁型钢组合墙体的抗震性能,对10块冷弯薄壁型钢组合墙体足尺模型进行水平低周反复荷载试验,总结各试件的主要破坏形态和破坏过程,分析组合墙体的滞回曲线、骨架曲线、承载能力、延性、刚度退化和耗能等抗震性能指标。并在回归分析试验所得滞回曲线的基础上,考虑试件刚度退化、滑移及捏拢效应等影响,建立冷弯薄壁型钢组合墙体的退化四线型恢复力模型。研究表明:墙面板材料特性对冷弯薄壁型钢结构组合墙体的抗剪承载力影响较大;竖向荷载的施加使得组合墙体的刚度增大、承载力提高、位移延性系数提高,但耗能系数略有下降;随着墙架柱尺寸的增大、间距的减少,组合墙体的刚度和承载力增加,但是延性和耗能系数降低。     

加斜撑冷弯薄壁型钢组合墙体的抗震性能（英文）

通过对竖向荷载作用下加斜撑冷弯薄壁型钢组合墙体的抗震性能试验研究,考察了墙体的受力特性、破坏模式和滞回性能,分析了覆面板对组合墙体滞回性能、延性和耗能能力的影响。结果表明:相同竖向荷载作用下,单面覆OSB板墙体较无面板墙体的抗剪承载力提高了38.79%;墙架柱轴压比为0.24较轴压比为0.16的单面覆OSB板组合墙体抗剪承载力提高了7.5%,屈服位移降低了8.1%,墙体延性系数μ提高了4.5%,耗能系数E提高了4.1%,加斜撑冷弯薄壁型钢组合墙体体现出较好的抗震性能。在对有限元模型可靠性进行验证的基础上,通过变参数分析考察了墙架柱轴压比、钢龙骨屈服强度对墙体受力性能的影响规律,结果表明:随墙架柱轴压比的增大,组合墙体的抗剪承载力有所提高;减小钢龙骨的屈服强度,组合墙体的抗剪承载力下降明显。依据《低层冷弯薄壁型钢房屋技术规程》(JGJ 227—2011)和美国规范AISI S400-15,推导出墙体的抗力分项系数,确定了水平地震作用下此类墙体的抗剪承载力设计值。     

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。     

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。     

新型冷弯薄壁型钢墙体立柱轴压性能试验研究

提出一种在冷弯薄壁型钢骨架中放置聚苯乙烯泡沫板,并在骨架外侧喷涂轻质保温物料的新型轻质组合墙体。通过对1根无墙板的冷弯薄壁型钢立柱和2根新型冷弯薄壁型钢墙体立柱的轴压性能进行足尺试验,研究其受力过程、承载能力和破坏模式,并将试验结果与按规范公式计算的极限承载力进行对比分析。研究结果表明:无墙板立柱的破坏模式为构件的整体屈曲;新型冷弯薄壁型钢墙体立柱的破坏现象为柱顶截面的局部受压屈服,保温物料对立柱的支承作用使新型墙体立柱的承载能力显著提高。按照规范中关于轴心受压杆件的强度和稳定计算公式得出的极限承载力与试验的破坏荷载较为吻合。     

竖向荷载作用下冷弯薄壁型钢墙架柱的承载力

采用有限元法对冷弯薄壁型钢住宅墙架柱在竖向荷载作用下的承载力进行了分析。通过对不带墙板墙架柱和一面石膏板、一面定向刨花板墙架柱试验试件在竖向荷载作用下的承载力、破坏模式和变形分析,验证了有限元法的正确性。采用有限元法分析了墙板厚度、柱间距、螺钉间距等参数对墙架柱承载力的影响。结果表明,当墙板厚度在11 mm以上时,增大墙板厚度不能提高墙架柱的轴向承载力;当墙架柱间距由400 mm增大到600 mm时,轴向承载力略有提高;当中间螺钉间距大于600 mm时,减小螺钉间距可显著提高墙架柱轴向承载力;当中间螺钉间距小于600 mm时,继续减小螺钉间距对轴向承载力的提高不明显。分析了冷弯薄壁型钢住宅中常用墙架柱在竖向荷载作用下的承载力,给出了这种墙架柱轴向承载力的设计建议。     

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。     

带斜撑冷弯薄壁型钢墙体抗震性能试验

为了研究带斜撑冷弯薄壁型钢墙体的抗震性能,对4面冷弯薄壁型钢墙体足尺模型进行水平低周反复加载试验,考察斜撑、螺钉间距、端柱承载力对组合墙体抗震性能的影响,总结了各试件的破坏过程和主要破坏特征,分析了墙体的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化和耗能等抗震性能指标。结果表明:增加斜撑能够有效提高冷弯薄壁型钢墙体承载力、刚度和耗能能力,但是斜撑和横撑连接节点比较薄弱,连接处横撑翼缘较早发生屈曲,使得斜撑对墙体抗侧性能的提高有限,如果能加强节点区构造,则墙体的抗侧性能能够进一步提升;墙面板周边螺钉间距50 mm的墙体相对于螺钉间距100 mm的墙体承载力、刚度和耗能能力提高较大,但延性有所下降;在墙面板周边螺钉间距50 mm的情况下,对端柱进行了加强,延性和耗能能力却下降明显,说明墙面板的整体性对墙体抗侧性能影响较大;在减小螺钉间距的同时,需要对面板拼接处进行加强或改变拼接方式,防止面板相互挤压而导致脆性破坏。     

冷弯型钢结构研究进展（英文）

冷弯型钢构件具有重量轻、强度高、易于预制和量产、安装快、可回收利用等优点。冷弯型钢结构体系主要由墙体系统、楼盖系统和屋面系统组成,已在美国、澳大利亚和新西兰等国广泛应用。而我国冷弯型钢结构设计规范尚需完善,加之"人多地少"的国情,发展多高层冷弯型钢结构体系势在必行。通过理论分析和试验研究,对冷弯型钢结构体系进行深入研究,研究方向涵盖冷弯薄壁型钢基本构件和拼合构件的受力性能、组合墙体的抗侧性能、组合楼盖的承载力、刚度和舒适度以及整体房屋的抗震性能,相关研究成果如下:1)采用半能量法深入研究了板组屈曲的相关作用问题,建立了边缘加劲板件有效宽厚比设计方法;揭示了冷弯薄壁型钢轴压柱的破坏特征和力学性能,建立了简支、固支轴压柱畸变屈曲临界荷载的统一分析方法,提出了临界荷载计算理论;修正了澳大利亚标准AS/NZS 4600∶2005和我国标准JGJ 227—2011中畸变屈曲极限承载力的计算公式。2)揭示了双肢拼合冷弯薄壁型钢轴压柱和受弯梁的破坏特征和受力机理,提出了冷弯薄壁型钢拼合截面柱和梁极限承载力的简化计算方法。3)揭示了传统冷弯薄壁型钢组合墙体和冷弯薄壁型钢—钢板剪力墙水平荷载作用下的受力机理、破坏模式和力学性能,建立了冷弯薄壁型钢组合墙体的理论分析方法。4)揭示了冷弯薄壁型钢组合楼盖在竖向荷载、水平荷载及振动激励下的受力机理、破坏模式和力学性能,提出了冷弯薄壁型钢组合楼盖的设计计算方法。5)揭示了冷弯薄壁型钢住宅房屋在地震荷载作用下的破坏特征、动力特性及地震响应,建立了低、多层冷弯薄壁型钢结构体系的有限元分析方法,提出了抗震设计计算方法和抗震构造措施。6)揭示了冷弯薄壁型钢拼合截面柱在火灾下的受力机理、破坏模式和力学性能,建立了理论分析方法、简化力学模型和设计计算理论。研究成果已被国内相关设计规范采用,可以用于指导实际工程设计。笔者及团队后续研究工作将聚焦于冷弯薄壁型钢结构多层房屋关键技术及其应用,以推动装配式钢结构房屋在中国的应用。     

冷弯型钢受弯构件局部屈曲滞回性能分析

为研究冷弯薄壁型钢卷边槽形截面受弯构件局部屈曲滞回性能,采用有限元软件Abaqus的塑性壳单元建立了有限元滞回分析模型,考虑了几何和材料非线性,通过与试验结果比较表明有限元模型是正确可行的.采用有限元模型对CUFSM软件所选取腹板宽厚比为210、230、250的三种冷弯薄壁型钢卷边槽形截面受弯构件在低周反复荷载作用下的滞回性能进行分析.结果表明随着腹板宽厚比的增加,构件的极限承载力逐渐减少、延性逐渐降低、刚度退化一致且较快.研究结果对冷弯薄壁型钢卷边槽形截面受弯构件的工程应用以及钢结构抗震设计规范具有一定的参考作用.     

冷弯型钢受弯构件局部屈曲滞回性能分析

为研究冷弯薄壁型钢卷边槽形截面受弯构件局部屈曲滞回性能,采用有限元软件Abaqus的塑性壳单元建立了有限元滞回分析模型,考虑了几何和材料非线性,通过与试验结果比较表明有限元模型是正确可行的.采用有限元模型对CUFSM软件所选取腹板宽厚比为210、230、250的三种冷弯薄壁型钢卷边槽形截面受弯构件在低周反复荷载作用下的滞回性能进行分析.结果表明随着腹板宽厚比的增加,构件的极限承载力逐渐减少、延性逐渐降低、刚度退化一致且较快.研究结果对冷弯薄壁型钢卷边槽形截面受弯构件的工程应用以及钢结构抗震设计规范具有一定的参考作用.     

冷弯薄壁型钢墙体恢复力模型及房屋地震反应简化分析方法研究

基于10片1∶1冷弯薄壁型钢墙体抗剪滞回性能试验结果,采用SAP2000中多线段塑性Pivot连接单元的滞回规则,进行墙体的恢复力模型及冷弯薄壁型钢房屋的动力非线性简化分析方法研究。研究表明:墙体的骨架曲线可采用退化四线型模型模拟;双柱墙体Pivot模型参数可取α=10、β=0.1,单柱墙体可取α=10、β=0.15;非线性简化分析与试验分析得到的滞回曲线的外包络线基本一致,耗能能力相当,简化方法能较好地模拟墙体的强度、刚度退化和捏缩效应;三层房屋结构简化计算模型的第1、第2阶振型与试验观测一致,频率分别相差11%和2%;模型结构与试验的地震反应分析结果吻合较好,表明简化计算方法可用于冷弯薄壁型钢房屋的弹性和弹塑性地震反应分析。     

半刚性钢框架-冷弯薄壁型钢填充复合墙板结构的计算模型及时程分析

为推广冷弯薄壁型钢填充复合墙板在高层结构中的应用,进一步了解该冷弯薄壁型钢填充复合墙板作为抗侧力构件应用于高层结构中的抗震性能,将冷弯薄壁型钢填充复合墙板引入半刚性钢框架结构中并研究其抗震性能.基于有限元分析软件SAP2000,采用Pivot恢复力模型对冷弯薄壁型钢填充复合墙板进行简化分析,并推导出墙板P-Δ骨架曲线关系公式;采用转角弹簧单元对矩形钢管柱与H形钢梁单边高强螺栓连接节点进行简化分析;并在此基础上建立半刚性钢框架-冷弯薄壁型钢填充复合墙板结构简化分析模型.在此简化基础上,建立1个10层3跨半刚性空框架和3个以墙板布置方式为参数的半刚性钢框架-冷弯薄壁型钢填充复合墙板结构,利用时程分析方法考察了 4类框架结构在8度区不同设防水准下的顶点位移、层间位移角等,获悉结构在不同地震作用下的动力响应.研究结果可为后续该结构的抗震性能分析奠定基础.     

冷弯薄壁型钢-混凝土组合楼盖受弯承载力试验研究

通过对4个足尺比例冷弯薄壁型钢-混凝土组合楼盖的受弯承载力进行单调静载试验研究,分析了压型钢板与冷弯薄壁型钢梁连接的螺钉间距和楼盖梁数量改变对组合楼盖极限承载力的影响及破坏机理。研究表明：在正常使用阶段,组合楼盖具有较高的承载力和较小的变形;减小螺钉间距和增加楼盖梁数量均能够提高组合楼盖的极限承载力。破坏模式主要表现为楼盖梁发生弯扭屈曲的同时,受压区翼缘、卷边及毗邻腹板出现相关屈曲破坏,屈曲波长为相邻螺钉间距;支座附近混凝土与压型钢板为脱离、掀起破坏;集中荷载作用点处楼盖梁为折曲破坏。采用考虑材料、几何和接触非线性ANSYS有限元程序对试验模型的受力性能进行了模拟,非线性有限元计算结果与试验结果吻合较好。在试验研究和有限元分析基础上,提出了组合楼盖的简化计算模型和理论计算方法。图14表8参9     

冷弯薄壁型钢与覆面钢板自攻螺钉连接性能试验研究

作为冷弯薄壁型钢龙骨体系结构的主要抗侧力单元,龙骨式复合墙体的承载力性能与覆面板和龙骨骨架间自攻螺钉连接的性能关系密切。进行了冷弯薄壁型钢龙骨与覆面钢板自攻螺钉连接性能的试验研究,主要考察了螺钉端距以及螺钉垫圈等因素对其承载力性能的影响。通过对试验结果的分析比较,得到了钢龙骨与覆面钢板自攻螺钉抗剪性能的主要指标以及影响因素,为龙骨式复合墙体的抗剪性能数值模拟研究提供了基本参数。