冷弯薄壁型钢结构住宅组合墙体受剪性能研究.pdf
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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/文章编号:1000-6869(2006)03-0042-06冷弯薄壁型钢结构住宅组合墙体受剪性能研究周绪红,石 宇,周天华,狄 谨(长安大学,陕西西安710064)摘要:本文采用有限单元法对冷弯薄壁型钢住宅组合墙体的受剪性能进行了分析。在建立有限元模型时,采用了塑性壳单元,考虑了材料非线性和几何非线性影响,自攻螺钉连接采用耦合模型。通过对已有的单面石膏板、单面定向刨花板(OSB板)、一面石膏板另一面定向刨花板(OSB板)
2、三类组合墙体受剪试验结果的分析,验证了本文有限元方法的正确性。采用有限元方法分析了不同墙面板材料、不同钢种、不同墙架柱间距、不同墙体高度、不同螺钉间距等参数对组合墙体承载力的影响,参数分析表明:组合墙体的墙面板材料特性对组合墙体的受剪承载力影响较大,钢材强度对组合墙体的受剪承载力影响较小;随着墙架柱间距缩小、墙体高度减小、边缘自攻螺钉间距加密,组合墙体的受剪承载力明显增加。关键词:冷弯薄壁型钢;组合墙体;受剪承载力;非线性有限元中图分类号:TU39211 文献标识码:AStudy on shear resistance of cold2formed steel stud walls in re
3、sidential structuresZHOU Xuhong,SHI Yu,ZHOU Tianhua,DIJin(Changan University,Xian 710064,China)Abstract:This paper adopts the finite element method(FEM)to study the shear resistance of cold2formed steel stud walls inresidential structures.T o build the finite element model,plastic shell element is u
4、sed,materials nonlinearity and geometriclarge deformation are considered.The screws connecting sheathing and frame are modeled through coupling methods.Thestudy shows that FEM is appropriate for this case,because the bearing capacity and deformation of walls,are close to that offormer tests in three
5、 kinds including walls with single2gypsum,walls with single2oriented strand board(OSB),and walls withgypsum sheathing on the back and OSB sheathing on the front.Furthermore,a detailed parametric study by FEM is carriedout.The results show that material of sheathing has greater influences to the shea
6、r2resistance of walls,while the strength ofsteel members has little influence.With the decrease of stud spacing,stud height,and screw spacing in the edge of wall,thewalls shear2resistance has clearly increased.Keywords:cold2formed steel;compound walls;shear resistance;non2linear finite element基金项目:科
7、技部国际科技合作重点项目(2002DF000010),国家自然科学基金资助项目(50578013)。作者简介:周绪红(1956-),男,湖南南县人,教授,长安大学校长。收稿日期:2005年4月1 引言冷弯薄壁型钢结构住宅体系已成为美国、日本、澳大利亚等发达国家住宅建筑的重要形式,近年来,这种结构体系开始在国内推广应用。组合墙体是冷弯薄壁型钢结构住宅的主要承重构件。典型的冷弯薄壁型钢结构住宅组合墙体由C形(卷边槽形截面墙架柱)和U形(普通槽形截面顶梁和底梁)冷弯薄壁型钢构件和石膏板、定向刨花板(OSB板)经自攻螺钉连接而成1,构造见图1。当墙面板与钢骨架可靠连接时,墙面板在发挥围护作用的同时为墙
8、架柱提供了有效的侧向支撑,同时约束了其扭转,使墙架柱的稳定承载能力明显提高2。冷弯薄壁型钢结构住宅组合墙体的受剪承载力与墙架柱和墙面板的材料和尺寸、自攻螺钉的间距、墙体24第27卷第3期建 筑 结 构 学 报Vol.27,No.32006年6月Journal of Building StructuresJune 2006 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/的高宽比以及墙架柱间距等诸多因素有关,使得其理论计算相当困难,目前主要依赖结构试验确定其受剪承载能力3
9、。而试验是不可能全面反映上述诸因素影响的,采用经过试验验证的有限元理论对冷弯薄壁型钢结构住宅组合墙体进行模拟分析,为该类结构体系的研究与应用提供了一条有效途径。国内外不少学者对组合墙体的承载力进行了有限元分析4,5,但由于上述复杂因素的影响,都是针对某种具体组合墙体进行的,并没有给出普遍实用的承载力计算方法。图1 组合墙体构造图Fig11Walls construction本文建立同时考虑材料及几何非线性的有限元理论分析模型,利用ANSYS通用程序分析文献6的组合墙体试件,从而验证有限元方法的正确性。然后对组合墙体进行数值分析,以期研究墙面板材料、钢材强度、墙架柱间距、墙体高度以及自攻螺钉间距
10、对该类组合墙体受剪承载力的影响。2 非线性有限元分析211 试件选取为方便比较,有限元分析试件选用文献6的足尺试验模型,墙体尺寸为3m214m(高 宽),墙架柱均为C形冷弯薄壁型钢,规格为89441512110,间距600mm;顶梁和底梁为冷弯薄壁槽钢,规格为9240110,长214m;钢材的屈服强度fy=320N/mm2;墙面板采用12mm厚的纸面石膏板,通过4232型自攻螺钉与墙架柱连接;9mm厚的OSB板,通过4819型自攻螺钉与墙架柱连接;自攻螺钉在墙体外周的间距为150mm,内部为300mm;中间墙架柱为单根C形冷弯薄壁型钢,两侧边墙架柱为两根背靠背的C形冷弯薄壁型钢,通过双排自攻螺
11、钉连接成工字形截面;墙体的两底角设有M16抗拔螺栓,顶梁和底梁与台座设有M12的固定螺栓。212 有限元分析模型的建立组合墙体的平衡方程为K=P(1)其 中,K为 结 构 的 刚 度 矩 阵,K=VBTDBdV,B为几何矩阵,D为材料本构矩阵,V为结构体积;为节点位移向量;P为荷载向量。=D(2)=B(3)其中,为应变矩阵;为应力矩阵。由于考虑了材料非线性和几何非线性,式(1)中的结构刚度矩阵K不是常量,其中材料本构矩阵D和几何矩阵B均与应力或应变有关。表1 墙体构件的材料特性Table 1Material behavior of wall members材料弹性模量/Nmm22材料强度/Nm
12、m22泊松比钢材2106105320(屈服强度)0130石膏板1124170166(纵向断裂强度)0123OSB板35007186(垂直板长的静曲强度)0130按上述理论模型,采用ANSYS通用程序,对文献6中单调加载作用下的试件进行模拟分析:采用塑性壳单元shell181模拟钢骨架和墙面板,构件的材料特性见表1;连接件(自攻螺钉)采用耦合的办法处理,不考虑墙面板与钢骨架之间的滑移,在自攻螺钉连接处耦合它们x、y、z方向的平动自由度,而不约束其转动;墙架柱与梁之间采用铰接连接。结合试验装置,约束墙体有限元模型底梁的所有自由度和顶梁垂直墙体平面的平动自由度。根据上述方法建立的组合墙体有限元模型见
13、图2。耦合墙体顶梁上所有节点水平方向的自由度,使其在荷载作用下做刚体平动,将文献6中试件达到最大承载力时的位移值施加在组合墙体顶梁节点耦合处,采用位移控制加载。213 试件分析按照上述建模及分析过程,首先对文献6中单调加载作用下的单面石膏板、单面OSB板和一侧石膏板一侧OSB板(石膏板+OSB板)的双面墙板组合墙体34 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图2 单面墙板组合墙体有限元模型Fig12Finite element models of wall w
14、ith singlesheathing board on the face(a)墙架柱x方向位移(b)石膏板x方向位移图3 单面石膏板组合墙体位移等值线图Fig13Displacement of wall with single2gypsum进行非线性有限元分析,各试件的变形云图见图3图5,墙体下端固定,在c点施加水平方向的单调荷载后,ac边受拉,bd边受压,墙体均匀倾斜;墙面板在其与墙架柱的上下端连接处被撕坏;所有墙架柱上下端发生局部屈曲;单面墙板组合墙体的墙架柱4发生整体弯曲屈曲,双面板组合墙体由于墙面板对墙架柱提供更有效的侧向支撑作用,柱的变形小于单面墙板组合墙体的墙架柱变形。(a)墙架
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