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。     

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。     

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。     

冷弯薄壁型钢复合墙体受剪性能数值模拟及简化力学模型研究

冷弯薄壁型钢复合墙体是多层冷弯薄壁型钢房屋建筑结构的主要承重及抗侧力部件。为实现该类复合墙体受剪性能高效模拟与分析,建立了其OpenSees数值计算模型,能够较为准确地模拟同侧双层及其以上墙板覆面的轻钢复合墙体在低周往复荷载作用下的滞回性能,得到的滞回曲线具有明显的捏缩滑移特征,其水平极限荷载模拟结果与试验值的比值在0.90～1.14之间,抗剪刚度预测值整体偏于安全。在此基础上,对复合墙体的墙板上螺钉分布影响进行了分析,结果表明墙板板边螺钉的间距对复合墙体受剪性能影响较大,改变墙板板内螺钉间距对复合墙体受剪性能无明显影响。根据数值分析所获得的复合墙体的墙板处螺钉受力特征,提出改进的墙板螺钉简化力流模型。考虑了墙体边柱螺钉参与水平剪力分配,但不考虑墙板中部的螺钉贡献。简化的力流模型能够较真实地反映螺钉群受力情况,采用该模型预测的复合墙体水平极限荷载与试验结果的比值在0.91～1.18之间。     

低层冷弯薄壁型钢结构住宅整体性能分析

基于有限元方法建立了典型低层冷弯薄壁型钢结构住宅的整体模型,通过计算分析得到了结构的模态,并获得了风荷载和地震荷载作用下结构的内力、变形和墙体剪力。通过改变楼板平面内刚度,验证了相对刚度法中楼板平面内无限刚性假设的合理性;并建议针对形体复杂的低层冷弯薄壁型钢结构,应采用有限元整体建模的方法求解墙体剪力。结果表明,低层冷弯薄壁型钢结构具有良好的整体性能,在抗震设防烈度为6度的地区可以满足承载力和变形的要求,且安全储备充足。     

钢框架—内填冷弯型钢组合墙体抗剪性能

钢框架-内填冷弯薄壁型钢组合墙体结构体系可适用于多、高层建筑结构。利用SAP2000有限元软件分析了此体系在不同高宽比和钢框架截面尺寸下的承载力、侧移刚度、剪力分配情况。结果表明,钢框架、组合墙体可协同作用;组合墙体与钢框架之间剪力分配符合刚度分配原则;框架-内填冷弯薄壁型钢组合墙体抗侧刚度近似等于纯钢框架与组合墙体抗侧刚度之和。同时给出了钢框架、组合墙体协同工作的剪力分配计算简化公式,可用于此结构体系的抗剪设计。     

冷弯薄壁型钢组合墙体抗震性能研究综述

对冷弯薄壁型钢组合墙体抗震性能的研究进行了较全面的综述,介绍了冷弯薄壁型钢组合墙体的构成,汇总了国内外对冷弯薄壁型钢组合墙体的研究进展,总结了冷弯薄壁型钢组合墙体抗震性能的影响因素,并列出了冷弯薄壁型钢组合墙体承载力计算公式。     

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。     

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。     

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。     

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。     

冷弯薄壁型钢混凝土剪力墙受剪承载力计算模型

冷弯薄壁型钢混凝土剪力墙（CTSRC剪力墙）在水平地震作用下经历整截面墙体受力和分缝墙体受力两个阶段,破坏模式和受力机理与传统剪力墙不同。剪跨比小于2.0 的CTSRC剪力墙在峰值荷载前表现为整截面墙体的受力性能,峰值荷载时宏观竖向裂缝两侧混凝土发生滑移,墙体逐渐演变为分缝剪力墙,有较好的耗能能力。针对CTSRC剪力墙的受力特征,将钢筋混凝土剪力墙的软化拉压杆模型与混凝土界面直剪受力的软化拉压杆模型相结合,考虑竖向裂缝处短细斜裂缝间混凝土破坏引起的竖向裂缝两侧混凝土的滑移,建立了CTSRC剪力墙受剪承载力的拉压杆－滑移分析模型和计算方法,计算结果和试验结果吻合良好,表明拉压杆 滑移模型可以较好地反映剪跨比小于2的CTSRC剪力墙的受力机理,能够较准确地预测CTSRC剪力墙的受剪承载力。     

Z形截面檩条强度计算时的下翼缘假想水平荷载

假设屋面板与檩条采用自攻螺钉连接从而能够避免上翼缘的侧向位移。对此种连接的冷弯Z形截面檩条,在不设置拉条、风吸力作用下的应力和变形,采用薄壁构件约束扭转理论进行分析,并与采用ANSYS板壳单元的计算结果和EC3的方法进行对比,发现三者吻合非常好。通过分析发现,EC3的方法中,其下翼缘假想水平力计算公式的两个组成部分是:1)荷载偏离截面剪心产生的扭矩用平行于上、下翼缘的一对力来代替;2)绕平行轴的弯矩产生的应力采用简单的公式计算,等同于人为引进了水平弯矩,这个弯矩必须采用假想水平荷载来抵消。     

多层冷弯薄壁型钢住宅体系动力时程分析

在采用有限元方法验证三层冷弯薄壁型钢房屋振动台试验结果的基础上,建立了多层冷弯薄壁型钢结构住宅空间整体模型,分析了模型前3阶自振频率、振型以及双向地震作用下的加速度、位移响应和水平地震剪力,考察了多层房屋的抗震性能。结果表明:《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》推荐的基频计算方法适用于多层冷弯薄壁型钢结构体系;随着输入地震波峰值加速度的增加,模型各层加速度幅值、相对位移和最大剪重比均增大,而各层峰值加速度放大系数有降低的趋势;随着结构高度的增加,模型各层峰值加速度放大系数、相对位移和最大剪重比均增大;多层冷弯薄壁型钢结构体系在多遇地震和罕遇地震作用下结构X向和Y向的水平地震剪力和最大层间位移角满足《建筑抗震设计规范》的要求,具备较好的抗震性能。     

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。     

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。     

考虑滑移效应的简支钢-混凝土组合梁挠度计算

采用栓钉等柔性抗剪连接件的钢-混凝土组合梁交界面上存在相对滑移变形,增大了组合梁的挠度。论文研究了冷弯薄壁U型钢-混凝土组合梁的滑移性能,推导了滑移量的计算公式,建立了考虑滑移效应的钢-混凝土组合梁在均布荷载作用下的挠度计算公式。分析表明：滑移效应对组合梁挠度影响不能忽略。     

冷弯薄壁型钢混凝土剪力墙受剪性能试验研究

通过7个冷弯薄壁型钢混凝土(CTSRC)剪力墙的拟静力水平往复试验,研究了其破坏过程和破坏模式,分析了混凝土强度、剪跨比、轴压比、水平分布筋和竖向型钢量等参数对其受剪性能的影响。试验结果表明：随着水平配筋率、轴压比和混凝土强度的增加受剪承载力提高;随着剪跨比提高,墙体受剪承载力降低;轴压比增加可提高墙体刚度,推迟墙体裂缝的出现,但不利于墙体延性;增加水平配筋可使墙体峰值后的承载力保持稳定。研究表明：CTSRC剪力墙与传统钢筋混凝土剪力墙的破坏特征和受力性能不同,在水平力作用下将出现沿冷弯薄壁型钢的竖向裂缝,经历整体墙到分缝墙的演变,避免了脆性剪切破坏。通过合理设计,CTSRC剪力墙可实现正常使用阶段有较高的刚度、峰值后有较好的延性、破坏时仍具有较高的竖向承载能力的目标。     

LQ550高强冷弯薄壁型钢组合墙体受剪性能试验研究

为研究OSB板和水泥纤维板作为LQ550高强冷弯薄壁型钢组合墙体结构面板时的受力性能,进行7个不同结构面板的LQ550高强冷弯薄壁型钢组合墙体试件的水平单调加载和低周反复加载试验研究,分析了组合墙体的受剪承载力、延性系数、耗能系数等。结果表明：面板拼缝是组合墙体的薄弱部位;在水平接缝处设置宽而完整钢衬板的墙体试件具有较高的受剪承载力和抗侧刚度;单面水泥纤维板单调加载时比低周反复加载时承载力提高约8.79%~12.27%,其受剪承载力较低,但屈服前试件基本完好;对于双面板墙体试件,无论在单调加载还是反复加载时,其承载力、抗侧刚度约为各单面板试件相应指标之和。低周反复加载试件的耗能系数基本接近。     

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。