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内填冷弯薄壁型钢组合墙体钢框架体系滞回性能研究_李蕾

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第10卷第6期2012年12月水利与建筑工程学报Journal of Water Resources and Architectural EngineeringVol.10No.6Dec.,2012收稿日期:2012-04-27 修稿日期:2012-05-10作者简介:李 蕾(1987 ),女(汉族),陕西渭南人,硕士研究生,研究方向为钢结构稳定及新型结构体系。

内填冷弯薄壁型钢组合墙体钢框架体系滞回性能研究李 蕾,苏明周(西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055)摘 要:内填冷弯薄壁型钢组合墙体钢框架体系是在冷弯薄壁型钢住宅结构应用过程中产生的新型结构体系,目前国内外对该结构体系鲜有研究。

为了研究该体系的滞回性能,利用ANSYS 有限元软件建立了该结构体系的有限元模型,并对其进行水平循环加载,对该结构体系的耗能能力和剪力分配进行了分析。

研究结果表明,该结构体系具有良好的耗能能力;加载初期主要由组合墙体耗散能量,加载后期,钢框架为主要的耗能构件;与钢框架相比,组合墙体的剪力分担率较高,并在后期不断增大。

关键词:冷弯薄壁型钢组合墙体;钢框架;滞回性能;剪力分配中图分类号:TU392.5 文献标识码:A文章编号:1672 1144(2012)06 0117 04Research on Hysteretic Behavior of Steel Frame Filled withCold -formed and Thin -walled S teel WallLI Lei,SU Ming -zhou(College o f Civil Engineerin g ,Xi an Unive rsity o f Architecture &T echnology ,Xi an,Shaan xi 710055,China)Abstract:The steel frame filled with cold -formed and thin -walled steel wall is a ne w structural syste m,which is deve-l oped from the application of the cold -formed and thin -walled steel structures in residential buildings.There is few re -search on it at present.To obtain the hysteretic behavior and shear force distribution of this system,the model under cyclic horizontal load is developed by the FEM software ANSYS.The numerical calculation results indicate that the ener -gy dissipation capacity is well,the wall is the main member to dissipate the energy in the earlier stages of loading,and then is the steel frame;The share rate on the shear force of the wall is higher than that of the steel frames and bigger inthe later sta ges.Keywords:cold -formed steel wall;steel frame;hysteretic behavior;shear force distribution0 引 言冷弯薄壁型钢房屋体系是由轻型木结构发展而来,以镀锌冷弯薄壁型钢骨架和轻型板材共同作为承重和围护结构而形成的新型住宅结构体系。

文献[1-6]对冷弯薄壁型钢组合墙体的抗剪性能进行了研究,分析了墙面板类型,自攻螺钉的类型、大小和间距,加载方式,墙体开洞等影响因素对抗剪承载力的影响,文献[7-9]对低层冷弯薄壁型钢房屋结构进行了振动台及现场试验,主要研究了低层结构体系的抗震性能。

随着建造技术的提升,近几年在美国已建成了多层冷弯薄壁型钢房屋,出现了对局部几层采用热轧型钢进行加强等建造方法[10],显而易见,在我国,多层住宅比低层住宅具有更广阔的市场,但是目前国内外对多层冷弯薄壁型钢结构体系鲜有研究,仅文献[11]对多层结构体系中钢框架与组合墙体的协同工作性能进行了探讨,鉴于此,本文采用ANSYS 有限元软件对多层结构体系即内填冷弯薄壁型钢组合墙体钢框架体系受力性能进行研究,分析其在循环荷载下的滞回曲线、骨架曲线和能量耗散系数,从而研究该结构体系的耗能能力、剪力分配和耗能分配,为该结构体系的抗震设计提供参考。

1 有限元模拟1.1 研究对象由于组合墙体所采用的冷弯薄壁型钢骨架的尺寸限制,为了更精确地模拟实际结构,本文模型的尺寸均取实际结构的常用尺寸。

钢框架选择时,取原型结构为5层的框架结构,柱网布置为6000mm 6000m m,层高3000mm,基本风压0.35kN/m 2。

抗震设防烈度8度(设计基本地震加速度值为0.2g ),二类场地。

经过对该结构内力的对比分析,首层的结构内力最大,因此选择该楼层中较典型的一榀框架作为研究对象,利用PKPM 确定框架的初始尺寸,并且计算出框架梁柱上承担的荷载值。

框架尺寸为6200mm 3175mm,框架梁选用HN350 175 7 11,柱选用HW200 200 8 12,梁柱均采用Q235钢。

组合墙体尺寸为6000mm 3000mm,双面覆板:一侧为10mm 厚石膏板,一侧为12mm 厚OSB 板(定向刨花板),墙架中间立柱采用单根C 型冷弯薄壁型钢,边立柱采用两根C 型冷弯薄壁型钢构件通过自攻螺钉连接形成的合抱柱,墙架立柱间距为600m m,墙面板和墙体骨架通过自攻螺钉连接,在墙体周边和墙面板的竖向拼缝处的自攻螺钉间距取为150mm,内部取为300mm 。

墙体骨架材料规格如表1所示。

表1 墙体骨架材料规格型号用途h /mm w t /mm w b /mm t /mm l /mm C9010墙体立柱、斜撑89.035.033.0 1.0010.6P9016上下导轨92.241.541.5 1.600P9010横撑90.641.341.31.001.2 有限元模型建立分别对参考文献[6]编号为BX-5的试件和参考文献[12]中的纯框架PF 试件进行了有限元模拟,有限元分析结果与实验结果吻合较好,在此基础上,建立本文的有限元模型。

框架梁柱均采用shell181单元,材料采用Von Mises 屈服准则,应力-应变关系按照多线性随动强化输入,梁柱材料特性为:弹性模量E = 2.0 105N/mm 2,屈服强度f y =235N/mm 2,强化段切线模量E t =0.01E ,抗拉强度f u =375N/mm 2;墙体骨架立柱和上下导轨、石膏板和OSB 板均采用shell181单元,墙体骨架立柱和上下导轨采用理想弹塑性模型,材料特性为:弹性模量E =2.0 105N/mm 2,屈服强度f y =235N/mm 2,泊松比 =0.3;石膏板的应力-应变关系按多线性随动强化输入,抗弯弹性模量E =1070N/mm 2,抗拉强度f t =0.66N/mm 2,泊松比 =0.23;OSB 板的应力-应变关系按多线性随动强化输入,抗弯弹性模量E =3500N/m m 2,抗拉强度f t =7.86N/mm 2,泊松比 =0.3。

墙体龙骨与OSB 板之间的连接件(自攻螺钉)采用非线性连接单元C OMBI N39单元模拟,通过弹簧单元来传递墙体骨架与面板之间的剪力,建立有限元模型如图1所示。

1.3 边界条件及荷载施加组合墙体和钢框架的连接模拟如下:在墙体上部和框架梁连接时,耦合钢框架翼缘中心节点和墙体上导轨腹板中心节点的所有自由度,组合墙体和框架两边的柱连接时,将墙体边立柱外侧腹板的中心节点和框架柱翼缘的中心节点的自由度进行耦合;为了消除应力集中影响,将柱顶板所有节点的竖向自由度UZ 耦合;将柱外翼缘在梁高范围内的所有节点沿水平加载方向的自由度UY 耦合;施加梁中心线高度的面外U X 约束。

在墙体的脚部约束与抗拔件相连的立柱的下部节点的竖向自由度来模拟抗拔件的作用;在墙体的底部,约束下导轨和墙架立柱下部端节点的竖向自由度,并约束下导轨与地梁连接处节点的三个平动自由度;约束框架柱底的所有自由度,形成固定端。

水平荷载的施加采用图1所示的位移加载制度,其中 y 指结构体系的屈服位移。

图1 滞回加载制度2 滞回曲线和耗能能力内填冷弯薄壁型钢组合墙体钢框架体系循环加载得到的滞回曲线如图2所示。

由图2可以看出,在加载初期,结构处在弹性阶段,荷载-位移呈直线118 水利与建筑工程学报 第10卷关系;随着位移的增大,结构逐渐进入弹塑性阶段,结构刚度降低,荷载位移曲线呈现非线性,曲线斜率减小;加载到屈服后卸荷时,卸荷至零,出现残余变形,接着施加反向荷载时,曲线指向上一循环中滞回环的最高点,曲线斜率较上一循环有所降低,出现刚度退化现象,但是,在同一级荷载下,三次循环得到的荷载位移曲线几乎重合,结构体系的刚度基本不退化。

整体看来,滞回曲线为梭形,没有出现捏拢现象,滞回环较饱满,随着加载级的增大越来越饱满。

根据该结构体系滞回计算的结果做出各加载级的能量耗散系数如表2所示。

随着加载级的增大,能量耗散系数E不断增大,结构耗能能力不断增强。

图2 滞回曲线表2 不同加载级能量耗散系数加载级0.2 y0.5 y1 y 1.5 y2 y3 y 能量耗散95.18909.976169.251743.3430948.1259655.32能量耗散系数E0.1400.2520.695 1.172 1.498 1.8823 骨架曲线骨架曲线如图3所示。

由于组合墙体中的连接模拟采用弹簧单元,根据弹簧单元的受力特点:其承载力达到最大值后即保持不变,而达到最大承载力的弹簧单元的数量不断增加,所以该结构体系在控制位移之前的承载力没有发生退化。

通过骨架曲线计算结构有限元分析的关键点数据如表3所示。

4 剪力分配循环加载过程中钢框架和组合墙体的剪力分配见图4和图5所示。

由图4、图5可以看出,正反两个方向加载时,钢框架和组合墙体分担的剪力值相差不多;加载初期,组合墙体承担的剪力较大,随着位移的增大,组合墙体的剪力分担率下降,下降到最低点后又开始上升;而钢框架正好相反。

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钢框架内填墙研究现状综述

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图 ３ 压 型 钢 板 腹 板 梁
ｒ ｒ ａ ｇａ ｔ ｅ ｄ Ｗｅ ｂ ｓ
载也可 以很大提高 。 对于多Fra bibliotek层钢结构建 筑 ， 其 抗侧力要求并
没 有 超 高 层 建 筑 那 么 严 格 ，采 用 钢 板 剪 力 墙 不 够 经 济 。 压 型 钢 板 墙 有 很 多 自身 的 优 点 ，如 自重 轻 、施 工 快 、 便 于 工 厂 加 工 等 。 可将 其 作 为 多 高 层 钢 结 构 建 筑 中 的 钢 结 构 隔 墙 使 用 ，用 两片 压 型 钢 板 中 间 夹 其 他 保 温 隔声 材 料 可 做 成 保 温 隔 声 效 果 较 好 的 隔 墙 ； 同 时 ， 随 着 建 筑 物 各 种 功 能 需 求 的 Ｅ ｔ 益 提 高 ，管 线 的 布 置 也 越 来 越 繁 杂 ，可 在 其 波 纹 位 置 很 好 地 布置 繁 杂 的管 线 。 压 型 钢 板 墙 作 为 钢 板 墙 的 一 种 ， 是 在 传 统 的钢 板 剪 力 墙 的基 础 上 ， 以 压 型 钢 板 代 替 传 统 的 平 面 钢 板 ，形 成 压 型 钢 板 墙 。在 以往 的 建 筑 结 构 中 ，隔 墙 一 般 只 起 隔 断 作 用 ， 不 作 为 承 载 构 件 ， 随 着 时 代 的 发 展 ， 建 筑 结 构 的抗 震 问 题 成 为 了 建 筑 结 构 设 计 的 突 出 问 题 。考 虑 到 压 型 钢 板 的 厚 度
一
哈 尔滨 工业 大 学邵 永 松 【 ３ 】 等 人 进 行 了 ４个 １ ： ３ 比例 压 型 钢 板 墙 模 型 的低 周 往 复 荷 载 试 验 ，研 究 了 压 型 钢 板 墙 的承 载 力 、 抗 侧 刚 度 和 滞 回性 能 ，为 压 型 钢板 墙 抗 震 设 计 提 供 试 验 依 据 ；提 出 了压 型 钢 板 墙 体 系 的 简 化 支 撑 杆 模 型 ，并 运 用 有 限 元 分 析 软 件 对 模 型 进 行 了分 析 验 证 ；揭 示 了 压 型 钢 板 墙 与 框 架 连 接 形 式 、 压 型 钢 板 截 面 参 数 对 压 型 钢 板 墙 滞 回性 能 的
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《装配式混凝土建筑技术标准》GB/T 51231-2016对装配式建筑的定义如下: 结构系统、外围护系统、设备与管线系统、内装系统的主要部分采用预制部品部件集成的建筑。

装配式建筑主要包括装配式混凝土建筑、装配式钢结构建筑及装配式木结构建筑。

2.装配式建筑的结构系统主要包括哪些?装配式建筑的结构系统主要包括梁、板、柱、剪力墙、支撑等承受或传递荷载作用的结构构件。

3.装配式建筑的外围护系统主要包括哪些?装配式建筑的外围护系统主要包括建筑外墙、屋面、外门窗及其它与外部环境直接接触的部品部件等，主要用于分隔建筑室内外环境。

4.装配式建筑的设备与管线系统包括哪些?装配式建筑的设备与管线系统主要包括给排水设备及管线系统、供暖通风空调设备及管线系统，电气和智能化设备及管线系统、燃气设备及管线系统等，主要用于满足建筑使用功能。

5 装配式建筑的内装系统包括哪些?装配式建筑的内装系统主要包括楼地面、墙面、轻质隔墙、吊顶、内门窗、厨房和卫生间等，主要用于满足建筑空间使用要求。

6.什么是部件?在工厂或现场预先生产制作完成，构成建筑结构系统的结构构件及其它构件的统称。

7.什么是部品?由工厂生产，构成外围护系统、设备与管线系统、内装系统的建筑单一产品或复合产品组装而成的功能单元的统称。

8.什么是装配式混凝土建筑?建筑的结构系统由混凝土部件(预制构件) 构成的装配式建筑。

9.什么是装配式钢结构建筑?建筑的结构系统由钢部(构) 件构成的装配式建筑。

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基于分层壳单元与纤维梁单元组合剪力墙滞回性能分析王文达;杨全全;李华伟【摘要】In order to study the seismic performance of the composite structure with RC shear walls and composite frames,the secondary development in ABAQUS was performed to achieve the user materials model using the user subroutine based on layered shell elements and nonlinear fiber beam elements.The RC shear walls and composite frames were simulated by layered shell elements and fiber beam elements respectively.A numerical simulation was carried out to study the cyclic performances of composite frames with concrete-filled steeltubular(CFST)columns,mixed structures with CFST columns and steel reinforced concrete (SRC)columns and RC shear walls,respectively.The results obtained from the calculation are in good agreement with those from the experiment.The hysteresis behavior character and failure modesof the composite shear walls were analyzed and compared between the results of test and simulation,and it is shown that the typical crack distribution of the walls in test is similar to the numerical results.The research shows that the layered shell element and fiber beam element can simulate hysteretic behaviors of the composite shear walls more accurately and effectively,and it can describe the development of shear crack reasonably.%为系统研究带边框组合柱剪力墙组合结构的抗震性能，基于分层壳单元与非线性纤维梁单元，在ABAQUS 软件中进行用户材料模型子程序二次开发。