设置方钢管连接件的泡沫混凝土轻钢龙骨复合墙体受力性能试验研究

为达到节约钢材和满足节能建筑保温要求的双重目的,提出一种设置方钢管连接件的泡沫混凝土轻钢龙骨复合墙体。墙体采用蒙皮板作为永久模板,轻钢龙骨为骨架,现浇不同密度(300、400kg/m³)的泡沫混凝土后成型。分别对采用钢网片蒙皮板的轻钢龙骨蒙皮板复合墙体以及带有方钢管连接件的泡沫混凝土轻钢龙骨复合墙体进行单调加载试验,对带有方钢管连接件的泡沫混凝土轻钢龙骨复合墙体进行低周反复加载试验。研究结果表明:相较于高强度水泥压力板,钢网片作为蒙皮板能够有效提高墙体的受剪承载力和延性;泡沫混凝土能够改善轻钢龙骨蒙皮板复合墙体的延性,并且可以将墙体的受剪承载力提高50%左右;泡沫混凝土密度在300~400kg/m³范围内增大,墙体的受剪承载力与延性均显著提高,承载力退化变慢,耗能能力增强,抗震性能提高。提出了保温和承重双控理念,可根据墙厚和受剪承载力要求选取不同的泡沫混凝土密度。     

低周往复荷载作用下轻钢龙骨泡沫混凝土组合墙体性能试验研究

通过对2.8 m×2.4 m(高×宽)轻钢龙骨泡沫混凝土组合墙体足尺试件进行低周往复加载试验,分析试件受力过程和破坏模式,对墙体延性和承载力进行研究,确定墙体屈服荷载、最大荷载、破坏荷载、侧移刚度等强度和刚度性能指标,并与两侧挂板的轻钢龙骨墙体进行对比分析。研究结果表明:组合墙体屈服始于墙体下导轨的抗拔件位置,最终破坏是由于墙体立柱与下导轨焊缝被拉断或下导轨焊缝附近金属撕裂破坏;泡沫混凝土的存在显著提高了轻钢龙骨墙体的抗剪承载力;与两侧挂板的轻钢龙骨墙体相比,轻钢龙骨泡沫混凝土组合墙体的抗侧移刚度和抗剪承载力都优势明显,并具有良好的延性。     

轻钢龙骨复合墙体抗侧性能试验研究

通过对四片轻钢龙骨复合墙体在低周往复水平荷载作用下的试验，对轻钢龙骨复合墙体的抗侧性能进行了研究，分析了洞＇口，斜支撑、蒙皮对墙体抗侧力的影响，推荐了开洞复合墙体抗侧力影响系数的计算公式。研究表明，在考虑蒙皮作用下，轻钢龙骨复合墙体具有良好的抗侧性能，这种结构形式可以完全应用于多层住宅。     

轻钢-纤维水泥板-泡沫混凝土组合墙体抗侧刚度研究

为获得轻钢-纤维水泥板-泡沫混凝土组合墙体抗侧刚度实用计算式,采用等代拉杆法,将组合墙体简化为杆件模型。其中,墙体纤维水泥覆面板等效为受拉斜杆,墙体内部泡沫混凝土以及部分覆面板等效为受压斜杆。在弹性分析的基础上,给出组合墙体抗侧刚度的理论计算式,组合墙体的抗侧刚度主要与墙体高宽比,泡沫混凝土和覆面板的抗剪强度和厚度以及螺钉间距有关。在此基础上提供了两个轻钢-纤维水泥板-泡沫混泥土组合墙体抗侧刚度计算式应用算例,以供在实际工程中设计参考。     

轻钢聚苯颗粒泡沫混凝土组合墙体受剪性能试验研究

装配式轻钢结构具有自重轻、强度高、抗震性能好、施工速度快等诸多优点,但在实际工程中存在保温隔音性能差、敲击空鼓以及成套技术不成熟等缺点。为此,提出了轻钢聚苯颗粒泡沫混凝土组合墙体。设计了5片不同类型足尺轻钢聚苯颗粒泡沫混凝土组合墙体,对其进行低周往复加载试验。试验结果表明：组合墙体在层间位移角约为1/300时屈服,极限层间位移角可达到1/50;组合墙体的受剪承载力为无填充材料墙体的3.3倍,初始抗侧刚度为无填充材料墙体的4倍;有蒙皮的组合墙体受剪承载力比无蒙皮墙体提高43%,内外墙板能抑制聚苯颗粒泡沫混凝土开裂;通过对墙体的破坏模式、滞回性能、受剪承载力、延性、耗能能力和刚度退化等的分析,认为该组合墙体具有良好的抗震性能。     

轻钢龙骨复合墙体层间连接受剪性能试验研究

多层轻钢墙体的层间连接处除抵抗弯矩外,还需要有足够抗侧刚度来有效传递剪力。为了研究轻钢龙骨复合墙体层间连接的受剪性能,共对36个层间连接试件进行了低周往复加载试验,考虑了抗拔螺栓、加劲件、侧向刚性支撑件、X形支撑件、螺钉连接数量和竖向力等不同参数对试件的破坏模式和变形性能的影响。通过试验得到了各类试件的关键点应变、滞回曲线、骨架曲线、受剪承载力及抗侧刚度等,分析了不同的层间连接构造对墙体受剪性能的影响。结果表明：抗拔螺栓和加劲件对轻钢龙骨复合墙体层间连接提供的受剪承载力和抗侧刚度有限;刚性支撑件能够大幅提高轻钢龙骨复合墙体层间连接的受剪承载力和抗侧刚度,特别是刚性支撑高度和梁等高的试件,竖向力会明显增加抗侧刚度;设置X形支撑件也能较显著增加层间连接的抗侧刚度,但竖向力会使抗侧刚度大幅度减小。在试验结果基础上,提出了加劲件、X形支撑件以及刚性支撑件等轻钢龙骨复合墙体层间连接的设计建议。     

新型轻钢复合墙体承重抗火试验及其墙柱热翼缘温升简化计算研究

提出以蒸压加气混凝土(ALC)板与玻特(CS)板作为覆板组合、以钢蒙皮和钢带作为墙板拼缝保护措施的新型轻钢复合墙体构造,开展了ALC板-CS板覆面的新型构造轻钢复合墙体足尺模型承重抗火试验。将轻钢复合墙体受火侧由不同覆板组合而成的防火构造简化为一层均质防护层,提出均质防护层的等效热物理参数(包括厚度、比热容、密度和导热系数)简化计算方法。根据能量守恒原理以及有限差分方法,提出ALC板-CS板覆面轻钢复合墙体的墙柱热翼缘受火温升简化增量表达式。结果表明:ALC板-CS板覆面轻钢复合墙体在0.27荷载比率条件下发生高温承载力失效的耐火极限达到197 min,表现出优异的耐火性能; 提出的温升简化增量表达式预测结果与有限元模拟结果吻合良好,可以用于确定轻钢复合墙体的耐火极限。     

蒸压纤维水泥板覆面轻钢龙骨式复合墙体抗剪性能试验研究

为研究采用蒸压无石棉纤维素纤维水泥板(CCA板)覆面的轻钢龙骨式复合墙体的抗剪性能,进行了13片足尺墙体的水平单调加载和低周反复加载试验。试验结果表明,采用CCA板覆面轻钢龙骨式复合墙体的破坏主要表现为自攻螺钉连接处的CCA板拉裂或者螺钉拔出,最终CCA板失去传递剪力的能力而破坏,轻钢龙骨未发生明显破坏。基于试验结果,得到了各类CCA板覆面墙体的屈服荷载、最大荷载、破坏荷载以及位移延性系数等性能指标。最后,分析了CCA板厚度、密度以及加载方式对轻钢龙骨式复合墙体受剪性能的影响,并与OSB板、石膏板覆面墙体进行了比较。     

轻钢龙骨复合墙体抗剪能力的影响因素分析

轻钢龙骨复合墙体的抗剪性能与面板、自攻螺栓、斜拉钢带、钢骨架、墙体尺寸等因素有关。面板通过自攻螺栓与钢骨架连接成为一个整体,形成蒙皮效应,使复合墙体的抗剪能力得到很大提高。利用SAP2000的API接口大量计算了新型轻钢龙骨体系“无比钢”的标准墙构件的抗剪能力。求得标准墙构件的最大抗剪承栽力和相应的位移,并分析了各种因素对承栽力的影响。     

轻钢泡沫混凝土组合墙体轴心受压承载力计算研究

通过对5块轻钢泡沫混凝土组合墙体进行轴心受压承载力试验,分别对有无泡沫混凝土、有无拉条、自攻螺钉间距对立柱在竖向荷载作用下稳定承载力的影响进行了研究。试验发现:内部填充泡沫混凝土后,轻钢立柱不再发生整体弯曲屈曲,只发生局部屈曲;轻钢立柱的极限承载力与空心墙体相比可以提高75%;对于内部填充泡沫混凝土墙体,以螺钉间距300 mm为基准,螺钉间距400 mm的中间立柱极限承载力降低3.58%左右,螺钉间距200 mm的中间立柱极限承载力提高5.99%左右;拉条对承载力的提高不明显。参考GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》和美国《冷成型钢结构设计规范》,给出了不同参数下轻钢泡沫混凝土组合墙体在轴心受压条件下的计算长度建议值和竖向承载力计算式。     

轻钢龙骨注浆式复合墙板的抗弯性能研究

通过对2榀足尺轻钢龙骨填充玻化微珠泡沫混凝土复合墙板进行均布荷载作用下的抗弯性能试验,分析了开洞对轻钢龙骨注浆式复合墙板的荷载-挠度曲线和破坏模式的影响。利用有限元软件Abaqus建立了轻钢龙骨注浆式复合墙板的抗弯计算模型,考虑了材料本构关系模型和复杂接触模型,进行了结构非线性全过程受力分析,并将有限元分析结果与试验结果进行了验证。同时考察了影响轻钢龙骨注浆式复合墙板抗弯性能的主要参数。结果表明:开洞对轻钢龙骨注浆式复合墙板承载力有一定削弱,由于对洞口两侧的竖龙骨进行加密处理,能够有效保证开洞墙板承载力。随着钢材屈服强度和面板厚度的增加,复合墙板的抗弯承载力得到提高。     

密肋复合墙体等效斜压杆模型

结合课题组前期的研究成果,对一种新型结构的主要受力构件——密肋复合墙体的弹性简化计算模型进行研究。在密肋复合墙体框格单元试验的基础上,探讨框架梁柱刚度、填充材料力学性能等主要因素对密肋复合墙体框格单元受力性能及破坏形式的影响;将墙体中的填充块对整体墙体的作用等效为铰接于钢筋混凝土框架的对角斜压杆,并分析、构造出等效斜压杆宽度的计算公式;在此基础上,建立适用于密肋复合墙体的刚架-斜压杆简化计算模型并推导出刚架-斜压杆弹性抗侧刚度公式。理论分析表明:刚架-斜压杆能够较好地反映密肋复合墙体的真实受力性能,是一种合理的简化计算模型。     

轻钢泡沫混凝土墙体裂缝控制试验研究

轻钢泡沫混凝土复合墙体具有轻质、保温、隔声和防火等优良性能,但墙体易收缩开裂。为提高轻钢泡沫混凝土墙体的抗裂性能,对泡沫混凝土材料增加了构造措施和施工措施的轻钢泡沫混凝土墙体构件进行了试验研究。研究表明,在满足施工性能的基础上减少水胶比、添加纤维和轻骨料对减少泡沫混凝土收缩效果明显;采取在轻钢骨架两侧设置铁丝网或收口网、洒水覆膜养护和延长养护时间等措施,可有效控制墙体裂缝。     

轻钢泡沫混凝土组合墙体轴压性能研究

为获得轻钢轻质混凝土组合墙轴压性能,以试验模型为基础,采用ABAQUS软件建立墙体有限元模型,将数值模拟结果与试验结果对比,二者吻合较好。在此基础上,分析了含钢率、轻质混凝土强度对轻钢轻质混凝土组合墙轴压承载力的影响。结果表明随着含钢率的提高,其峰值荷载也随之提高,含钢率对组合墙体的轴压承载力及刚度有重要作用。随着泡沫混凝土强度的提高,组合墙体的刚度及轴压承载力显著提高,但延性系数有所降低。     

轻钢龙骨外墙节能设计方案研究

为进一步探讨优化轻钢龙骨复合墙体节能设计的有效途径,扩大其在我国严寒地区应用,采用热电偶测温方法进行腹板开孔、带外保温层腹板开孔两个方案的轻钢龙骨复合墙体传热性能的试验研究,重点考察墙体的传热系数和测点温度。试验结果表明:腹板开孔节能设计方法可以降低轻钢龙骨墙体的热损失,削弱龙骨所在部位的热桥效应,显著提高墙体的保温性能。两种试验方案的墙体传热系数分别为0.315,0.250 W/(m2.K),可以满足我国严寒地区居住建筑围护结构节能50%的传热系数限值要求。选用JG/T182—2005《低层轻型钢结构装配式住宅技术要求》推荐的轻钢龙骨规格,组成标准轻钢龙骨复合墙体,采用ANSYS有限元模拟对比分析4类墙体的平均传热系数、温度场,进行墙体的经济性比较,提出符合我国严寒地区(如哈尔滨市)建筑节能标准的轻钢龙骨复合外墙节能设计方案。     

轻钢泡沫混凝土组合墙体偏心受压承载力计算研究

通过对5块轻钢泡沫混凝土组合墙体偏心受压承载力试验,分别对有无泡沫混凝土、有无拉条、自攻螺钉间距对立柱在偏心荷载作用下稳定承载力进行了研究。通过试验发现:内部填充泡沫混凝土后,轻钢立柱不再发生整体弯曲屈曲,只发生局部屈曲,中间立柱的极限承载力比空心墙体的可以提高81%;对于内部填充泡沫混凝土的组合墙体,以螺钉间距300mm为基准,螺钉间距为400mm的中间立柱极限承载力降低3.88%左右,螺钉间距为200mm的中间立柱极限承载力提高6.91%左右;拉条对中间立柱极限承载力提高1.55%。参考《冷弯薄壁型钢结构技术规范》,给出了不同参数下轻钢泡沫混凝土组合墙体在偏心受压条件下的计算长度建议值和偏心受压承载力计算公式。     

装配式轻钢框架-复合轻墙结构抗震性能试验研究

为适应装配式建筑在村镇低层住宅结构发展的需求,提出了一种装配式轻钢框架-复合轻墙结构。该结构由轻钢框架作为竖向承重体系,单排配筋再生混凝土薄墙板作为抗侧力构件与轻钢框架共同抵抗水平地震作用,再生混凝土薄墙板复合EPS保温模块和粉煤灰砌块层形成保温墙体。通过4个装配式轻钢框架-复合轻墙结构和1个轻钢空框架的低周反复荷载试验,分析了墙板分布钢筋间距和墙体构造形式(是否复合粉煤灰砌块层)对该结构抗震性能的影响。研究结果表明：轻钢框架与单排配筋再生混凝土薄墙板协同工作良好,结构具有明确的两道抗震防线,由于复合EPS保温模块和粉煤灰砌块,实现了抗震节能一体化;减小墙板分布钢筋间距和复合粉煤灰砌块层可显著提高结构承载力和延性。基于JGJ 138—2016《组合结构设计规范》及相关文献,给出了装配式轻钢框架-复合轻墙结构的受剪承载力计算式,计算结果与试验结果符合较好。     

新型复合墙体弹性抗侧刚度计算分析

本文结合课题组前期的研究成果,就一种新型结构的主要受力构件———密肋复合墙体的弹性抗侧刚度提出两种计算方法:面积等效法和复合材料法;同时,本文给出了墙体复合材料等效弹性板计算模型。理论分析与试验对比表明:一次面积等效法严格遵从抗弯等效原理,但等效后的墙体截面形状比较复杂,不适用于工程设计计算;二次面积等效法的计算过程相对简单,但等效后所得砌块矩形截面板的抗弯刚度并不等于密肋复合墙体的抗弯刚度,只是简单地按面积等效,缺乏理论依据;由双向纤维单层复合材料模型推导的墙体弹性抗侧刚度计算值与实测值吻合较好,说明该模型具有一定的理论依据和实用价值,可以满足实际工程计算需要。     

新型冷弯薄壁型钢结构钢皮剪力墙抗侧性能研究

随着钢结构住宅层数的增加,传统冷弯薄壁型钢墙体已经无法适用于越来越多的多高层钢结构住宅。为此,研发了新型钢皮组合墙体。为了研究新型墙体相对于传统冷弯薄壁型钢结构组合墙体在抗侧性能上的优越性,对石膏板+钢皮的新型冷弯薄壁型钢结构复合钢皮剪力墙进行了拟静力抗震性能研究。对2片足尺组合墙试件进行了无竖向力作用下的水平单调加载,得到了试件的破坏特征、承载能力、位移、抗剪强度、抗侧刚度以及延性系数等特征参数。采用ABAQUS对水平单调加载下的组合墙体进行数值模拟研究,并将模拟结果与试验结果进行对比。研究结果表明:1)增加轻钢龙骨的厚度可以明显提升墙体的承载力、刚度以及延性。2)组合墙试件的破坏类型分为脆性破坏和延性破坏。脆性破坏是由墙体边立柱受压屈曲导致,破坏过程耗能较少。延性破坏发生在墙体面板以及自攻螺钉连接处,破坏过程耗能较多。3)轻钢龙骨厚度与墙板钢皮总厚度的比值对组合墙试件的破坏模式起着控制作用。在墙体设计中,应保证龙骨的壁厚(或对边柱进行适当加强),合理设计钢皮的厚度,使其成为延性破坏构件。4)有限元模拟结果与试验结果误差相对较小,模拟破坏现象和试验实际破坏特征也基本符合。     

冷弯型钢骨架墙体抗侧移刚度计算方法研究

为了获得冷弯型钢骨架墙体抗侧移刚度实用计算公式,将墙体墙面板等效为拉压斜杆,并基于其他一些基本假定提出了冷弯型钢骨架墙体抗侧移刚度简化计算模型,在弹性分析的基础上得到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进行了弹塑性修正,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在水平风荷载、水平多遇、水平罕遇地震作用下抗侧移刚度实用计算公式,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,提供了冷弯型钢骨架墙体抗侧移刚度实用计算公式应用算例,以供设计参考。