多層冷成型鋼組合墻體抗側(cè)試驗及簡化計算方法研究.pdf

1、我國建筑業(yè)的工業(yè)化發(fā)展對建筑技術(shù)提出了新要求，提高住宅建筑工業(yè)化水平是實現(xiàn)綠色建筑、綠色施工的重要途徑。冷成型鋼房屋住宅結(jié)構(gòu)作為一種新型結(jié)構(gòu)體系，具有輕質(zhì)高強、環(huán)保節(jié)能、施工快捷等特點，滿足了建筑工業(yè)化的要求，在歐美、澳洲和日本等地區(qū)已廣泛應(yīng)用于低層住宅。我國對冷成型鋼住宅結(jié)構(gòu)體系的研究起步較晚，針對我國人多地少的基本國情，將冷成型鋼住宅結(jié)構(gòu)從低層發(fā)展到多層更具有現(xiàn)實意義。為此，葉繼紅教授課題組提出了一種能兼顧結(jié)構(gòu)豎向承載、水平抗側(cè)和抗

2、火等要求的多層冷成型鋼住宅結(jié)構(gòu)體系，其主要抗側(cè)部件為以連續(xù)方鋼管混凝土柱為邊柱的冷成型鋼組合墻體。本文針對該體系若干關(guān)鍵抗側(cè)問題——梁柱節(jié)點真實連接性能、循環(huán)荷載作用下單層及多層組合墻體力學行為及其數(shù)值模擬手段、組合墻體簡化計算方法等方面展開系統(tǒng)試驗與理論研究。主要內(nèi)容與結(jié)論如下:
　　1.為了準確計算多層冷成型鋼住宅結(jié)構(gòu)體系的實際受力，應(yīng)在其整體結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計中考慮節(jié)點真實連接的非線性影響。本文首先針對多層冷成型鋼住宅結(jié)構(gòu)體系

3、創(chuàng)新性地設(shè)計兩類新型梁柱連接節(jié)點，通過7個梁柱節(jié)點低周反復循環(huán)加載試驗，對兩類新型節(jié)點的連接性能進行了對比研究，在此基礎(chǔ)上，建立了節(jié)點的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系預測模型以及有限元分析模型，得到以下結(jié)論:①在循環(huán)荷載作用下，加強環(huán)節(jié)點的梁柱未發(fā)生破壞，而加強塊節(jié)點的破壞模式為梁截面彈性彎曲破壞，具有一定彎矩傳遞能力;②兩類節(jié)點的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線均經(jīng)歷了彈性階段、非線性階段和最終破壞階段;相比于加強環(huán)節(jié)點，加強塊節(jié)點的連接性能更好，更符合多層冷成型鋼住

4、宅結(jié)構(gòu)的要求;③梁翼緣彈性屈曲極限承載力可作為加強塊節(jié)點的彈性臨界點，節(jié)點的梁端彎矩由梁截面的彈性抗彎承載力決定;④改進的Richard-Abbott模型能夠較好地擬合加強塊節(jié)點的mr-θr關(guān)系曲線，可用于預測不同規(guī)格梁截面加強塊節(jié)點的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系;基于OpenSees建立的梁柱節(jié)點非線性有限元模型能夠反映加強塊節(jié)點的真實連接性能。
　　2.對9片單層強邊柱冷成型鋼組合墻體進行足尺抗剪試驗，試驗考察了立柱形式、墻板材料及墻體開洞

5、等因素對墻體抗剪性能的影響，結(jié)果表明:①在循環(huán)荷載作用下，墻體的破壞模式包括螺釘連接件失效、骨架變形和墻板破壞;方鋼管混凝土邊柱能有效抑制螺釘傾斜，墻體破壞時邊柱螺釘被剪斷;②螺釘連接件對墻體的抗剪性能起著主導作用，墻體荷載-位移滯回曲線與傳統(tǒng)雙拼C型邊柱墻體具有相似的捏攏特點;③與傳統(tǒng)雙拼C型邊柱墻體相比，強邊柱冷成型鋼組合墻體的抗剪強度和抗剪剛度均可提高30％以上;增大立柱厚度可改善墻體延性，而采用雙拼C型中柱對墻體抗剪強度提高不明

6、顯;④蒸壓加氣混凝土板（ALC板）組合墻體的抗剪強度低，在ALC板組合墻體的基礎(chǔ)上增加一層玻鎂板后，組合墻體的抗剪強度提高達58.1％;⑤開洞墻體抗剪承載力隨洞口尺寸的增大而減小，且與洞口位置有關(guān)。對比開洞墻體抗剪承載力的試驗值和規(guī)范值發(fā)現(xiàn)，AISI規(guī)范的開洞組合墻體抗剪承載力計算方法對于本文邊柱加強型冷成型鋼開洞組合墻體不再適用。為此，本文對強邊柱冷成型鋼組合墻體的受力機理進行分析，提出了確定開洞墻體抗剪承載力的簡化計算方法，計算誤差

7、在8％以內(nèi)。
　　3.在國內(nèi)率先對多層冷成型鋼組合墻體進行低周反復加載試驗，通過7片試件直觀展現(xiàn)了多層組合墻體的抗側(cè)性能，試驗考察了立柱形式、立柱截面大小、層間作用等因素對墻體抗側(cè)性能的影響，結(jié)果表明:①水平荷載作用下，試件破壞集中于底層墻體，其破壞模式與單層墻體相似;結(jié)構(gòu)高寬比小于2的雙層試件發(fā)生剪切型破壞，而對于結(jié)構(gòu)高寬比大于3的三層試件，其破壞類型傾向于彎曲型破壞;②采用方鋼管混凝土邊柱后，多層墻體的強度和變形能力得到顯著提

8、高，且墻體屈服后表現(xiàn)出更好的耗能能力;③方鋼管混凝土邊柱截面由□89增大至□140后，對于未開洞墻體，其底層彈性剛度可提高約41.5％，且當開洞率不超過20.8％時，墻體上部結(jié)構(gòu)的變形能力幾乎沒有削弱;④由于上部結(jié)構(gòu)作用，底層墻體的抗剪強度低于相應(yīng)的單層墻體，且方鋼管混凝土邊柱截面較小時，試件的抗剪承載力降低幅度較小。此外，結(jié)合單層墻體試驗結(jié)果，對墻體開洞及洞口位置的影響進行對比研究，結(jié)果表明，單層開洞墻體抗剪承載力簡化計算方法同樣適用

9、于中部開洞的多層墻體，且計算精度理想;單層和多層邊部開洞墻體的抗剪承載力均可按洞口以外凈墻長確定。
　　4.在試驗研究的基礎(chǔ)上，利用Opensees軟件對有限元數(shù)值模擬組合墻體力學性能的方法展開研究，得到以下結(jié)論:①基于螺釘連接的組合墻體建模方法可以準確得到單層強邊柱冷成型鋼組合墻體的受剪力學特性，墻體各抗剪性能指標與試驗值的最大誤差在13％以內(nèi);②Pinching4材料本構(gòu)模型可以準確定義螺釘連接件材性，墻體荷載-位移滯回曲線的

10、捏攏特征能得以充分體現(xiàn);③建立中部開洞墻體的有限元分析模型時，可將洞口上部墻體簡化為線彈性梁，并在梁兩端設(shè)置水平力彎矩組，以模擬洞口上部墻體與洞口邊柱之間的彎矩傳遞;建立邊部開洞墻體的有限元分析模型時，可忽略洞口上部墻體作用，僅對洞口以外的凈墻部分建立分析模型;④基于螺釘連接的組合墻體建模方法可有效預測倒三角荷載作用下雙層組合墻體的抗側(cè)性能，且計算結(jié)果安全可靠;對于頂部集中荷載作用下高寬比較大的多層組合墻體，通過合理簡化，建立僅考慮各層

11、墻體周邊螺釘連接作用的簡化分析模型可得到與試驗結(jié)果相吻合的墻體抗側(cè)性能。
　　5.為了建立一種既便于數(shù)學描述又能全面反映強邊柱冷成型鋼組合墻體受剪力學特性的理論滯回模型，本文在試驗研究的基礎(chǔ)上深入研究強邊柱冷成型鋼組合墻體滯回規(guī)律，分兩步建立其滯回模型:①采用離散坐標法建立墻體荷載-位移骨架曲線，得到不同加載級下滯回環(huán)的控制變形和荷載;②采用分段函數(shù)模型建立各控制變形下的滯回環(huán)，進而建立墻體的滯回模型，并給出了滯回模型各控制參數(shù)的

12、確定方法。最后，根據(jù)他人試驗結(jié)果對本文滯回模型進行驗證。結(jié)果表明:①影響墻體荷載-位移骨架曲線發(fā)展趨勢的基本因素為墻體的彈性抗側(cè)移剛度Ke和抗剪承載力FFp;②分段函數(shù)滯回模型能全面反映強邊柱冷成型鋼組合墻體的滯回特性，且模型表達式直觀、各參數(shù)物理意義明確;⑧傳統(tǒng)BWBN微分模型、EPHM模型、退化四線型Pivot滯回模型以及三段式非線性滑移滯回模型適用于普通雙拼C型邊柱組合墻體，并局限于低層冷成型鋼結(jié)構(gòu)房屋;相比而言，分段函數(shù)滯回模型

13、適用于任何構(gòu)造形式的強邊柱冷成型鋼組合墻體，更符合多層冷成型鋼住宅結(jié)構(gòu)的要求。
　　6.在房屋整體抗震性能研究中，精細化墻體模型會導致計算困難，需對墻體進行簡化。本文首先利用Opensees軟件對冷成型鋼組合墻體的非線性簡化計算方法展開研究，結(jié)果表明，基于Pinching4本構(gòu)模型的等效拉壓桿簡化計算方法能充分體現(xiàn)墻體的受剪力學特性，墻體各抗剪性能指標與試驗值的最大誤差在17％以內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范，提出多層

14、冷成型鋼房屋住宅結(jié)構(gòu)在地震作用下的側(cè)向變形驗算指標，并建立首個考慮梁柱節(jié)點真實連接性能的多層冷成型鋼房屋住宅結(jié)構(gòu)整體計算模型，對其進行抗震計算，得到以下結(jié)論:①多層冷成型鋼房屋住宅結(jié)構(gòu)在多遇和罕遇地震作用下的層間位移角限值分別取為1/300和1/100是安全可靠的;②抗剪墻體的布置情況對整體結(jié)構(gòu)的抗震性能影響顯著，對多層冷成型鋼結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，不宜采用兩個方向剛度差異過大的抗剪墻體組合，同時應(yīng)重點加強結(jié)構(gòu)沿墻體開洞率較大方向的墻體抗剪強