钢框架—内填冷弯型钢组合墙体抗剪性能 郭彦利 段仕超 胡佳俊 周宗隆 南昌工程学院江西省水利土木工程基础设施安全重点实验室 南昌工程学院江西省水利土木特种加固与安全监控工程研究中心 摘 要： 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关键词： 钢框架; 冷弯薄壁型钢组合墙体; 抗剪性能; 作者简介：郭彦利 (1977-) , 女, 山西长治人, 讲师, 博士研究生, 从事冷弯型钢研究收稿日期：2017-06-26基金：国家自然科学基金资助项目 (51308277) RESISTANCE SHEAR BEHAVIOR OF STEEL FRAME IN-FILLED COLD-FORMED THIN-WALLED STEEL COMPOSED WALLGUO Yanli DUAN Shichao HU Jiajun ZHOU Zonglong Nanchang Institute of Technology, Jiangxi Province Key Laboratory of Hydraulic and Civil Engi.Infrastructure Security; Abstract： The steel frame in-filled cold-formed thin-walled steel composed wall can be used to multi story building. The load-carrying capacity, lateral stiffness, and the distribution of shearing force of this system are analyzed under different height-width ratio of wall and sections of steel frame using SAP2000.The results show that steel frame can work together with composed, lateral shear between composed wall and steel frame wall can be obtained based on the stiffness of the composed wall and steel frame, and The lateral stiffness of the steel frame in-filled cold-formed thin-walled steel composed wall is approximate to the total lateral stiffness of steel frame and composed wall. Finally, the calculated formula of the shear distribution for steel frame in-filled cold-formed thin-walled steel composed wall is put forward and can be used to design this kind of building.Keyword： steel frame; cold-formed thin-walled steel composed wall; resistant shear behavior; Received： 2017-06-260 引言随着工业化建筑房屋的推广, 冷弯薄壁型钢房屋在我国低层建筑中得到了大量的应用, 对其抗震性能也进行了大量的研究。
文献[1]对 3m×2.4m 墙体在水平单调加载以及低周反复加载情况下抗剪承载力进行了研究, 结果表明组合墙体的抗剪承载力随着墙架柱间距的减小而增加, 且高度增加组合墙体抗剪承载力下降文献[2]对组合墙体进行数值分析, 研究墙面板材料、钢材强度、墙体柱间距以及墙体高度对抗剪承载力的影响结果表明冷弯薄壁型钢组合墙体墙面板材料对抗剪承载力影响较大, 承载力随钢材强度增加有所提升, 墙架柱高度降低承载力明显提升文献[3]对 10 片 1:1 冷弯薄壁型钢房屋墙体模型进行了抗剪性能试验, 结果表明双柱墙体比单柱墙体的抗剪承载力显著提高文献[4]对冷弯薄壁型钢组合墙体进行单调和循环加载, 研究了其破坏模式和剪力分配原则, 结果表明钢框架梁柱节点和柱脚处应力较大, 墙体高宽比对体系承载力影响较大文献[5]对冷弯薄壁型钢组合墙体进行低周反复加载试验, 结果表明墙面板对组合墙体的抗震性能有较大影响, 墙面板材料属性对组合墙体抗侧性能起决定性作用由于冷弯薄壁型钢组合墙体只适用于低层建筑, 而在多层钢框架结构中仅作为围护和分割墙体, 不考虑其抗侧承载力为利用冷弯薄壁型钢组合墙体在多层钢结构中的抗侧承载力, 需对多层钢框架—内填冷弯薄壁型钢组合墙体体系抗侧性能进行分析研究。
而目前国内对此体系的抗剪性能、刚度及承载力的分配研究尚不完善鉴于此, 本文在已有研究成果基础上采用 SAP2000 分别对钢框架—内填冷弯薄壁型钢组合墙体、钢框架、冷弯薄壁型组合墙体进行数值分析, 研究其静力抗剪性能、刚度及承载力分配原则1 有限元模型采用 SAP2000 建立文献[6]中的纯钢框架 PF 试件及文献[7]中冷弯薄壁型钢组合墙体 SW2 试件, 分析结果表明框架和墙体的抗侧承载力及变形均与试验结果吻合较好在此基础上, 建立钢框架—内填冷弯薄壁型钢组合墙体有限元模型 FW如图 1 所示其中, 柱截面为 HW300mm×300mm×10mm×15mm、梁截面为HN400mm×200mm×8mm×12mm, 钢材为 Q235B, 框架柱两端设置 P-M2-M3 铰, 框架梁的 0.05L 和 0.95L 处设置 M2 剪力铰, L 为框架梁净跨冷弯薄壁型钢墙体宽 2.4m、高 3m, 墙体边立柱采用两根 C 形冷弯薄壁型钢构件背靠背放置, 并通过双排自攻螺钉连接形成工字形截面, 中间立柱采用单根 C 形冷弯薄壁型钢, 规格为 C90mm×35mm×10mm×0.8mm墙体上、下导轨采用 U 型冷弯薄壁槽钢, 规格为 U92mm×35mm×2mm。
上导轨每 150mm 设有自攻螺钉约束 u2方向的平动和r1方向的转动, 下导轨每 300mm 设有自攻螺钉约束 u1、u 2、u 3方向的平动和 r1方向的转动, 边立柱每 150mm、中立柱每 300mm 设有螺栓约束 u2方向的平动和r3方向的转动墙体覆面板采用 OSB 板和纸面石膏板的双面覆板形式, 纸面石膏板厚度为 12mm, OSB 板厚度为 9mm墙体立柱及上下导轨弹性模量E=2.06×10MPa, 屈服强度为 345N/mm, 泊松比 μ=0.3石膏板抗弯弹性模量E=1587N/mm, 泊松比 μ=0.23OSB 板抗弯弹性模量 E=3500N/mm, 泊松比μ=0.23墙体龙骨与覆面板之间连接螺钉采用 Multi-Linear Plastic 类型弹簧单元模拟, 采用 Pivot 滞回模型, 骨架与石膏板间的连接件滞回参数α 1=α 2=27.48, β 1=β 2=0.42, 与 OSB 板间的滞回参数 α 1=α 2=18.73, β1=β 2=0.39钢框架与墙体间间距 150mm 采用 Body 节点体束缚2 抗侧性能分析2.1 高宽比的影响选取 FW1、FW2、FW3、FW4 结构体系宽度分别为1200mm、2400mm、3600mm、4800mm, 高度均为 3000mm, 其高宽比 λ 分别为2.5、1.25、0.833、0.625。
2.1.1 承载力分析有限元分析得到不同高宽比钢框架内嵌复合墙体荷载位移曲线对比如图 2 所示, 极限承载力与高宽比对应关系如图 3 所示由图 2 可知, 高宽比对整体结构抗侧承载力影响较大, 高宽比值越小, 整体结构的抗侧承载力越大;高宽比值越大, 整体结构的抗侧承载力越小由图 3 可知, 宽高比 (1/λ) 小于 1 时, 宽高比与极限承载力近似成线性关系;宽高比 (1/λ) 大于 1 时, 曲线斜率减小, 抗侧承载力的增大幅度很小2.1.2 侧移刚度分析表 1 提取了不同层间位移角时各结构体系组成部分的侧移刚度值由表 1 可知, 层间位移角相同时, 随着墙体高宽比的减小, 墙体、钢框架—内填冷弯薄壁型钢组合墙体的侧移刚度逐渐增大, 钢框架侧移刚度逐渐减小随着层间位移角的增大, 墙体、钢框架、钢框架—内填冷弯薄壁型钢组合墙体的侧移刚度逐渐减小且钢框架—内填冷弯薄壁型钢组合墙体的侧移刚度近似等于组合墙体与纯钢框架侧移刚度之和表 1 不同层间位移角侧移刚度比较 下载原表 2.1.3 剪力分配关系分析由 SAP2000 分析结果提取 FW 结构体系在不同位移时所承担的剪力分配关系和剪力分担率曲线见图 4 和图 5, PF 代表钢框架, CFSF 代表组合墙体, FW3 代表钢框架内嵌组合墙体。
表 2 为 FW1~FW4 在层间位移角为 1/300、1/200、1/100 和1/50 时钢框架和组合墙体各自承担的剪力和剪力分担率表 2 FW1~FW4 结构体系框架和组合墙体剪力分担率 下载原表 由图 4、图 5 和表 2 可知, 对于不同高宽比 FW 结构体系中组合墙体与钢框架在弹性和弹塑性阶段剪力分配均近似符合刚度分配原则钢框架分担的剪力随着位移的增大而增大, 组合墙体分担的剪力随着位移的增大而减小随着高宽比的减小, 组合墙体的剪力分担率逐渐增大, 钢框架的剪力分担率逐渐降低2.2 钢框架的影响选取 FW2 结构体系宽度为 2400mm、不同框架截面如表 3 所示进行有限元分析表 3 FW 结构体系不同钢框架截面尺寸 下载原表 2.2.1 承载力分析有限元分析得到钢框架—内填冷弯薄壁型钢组合墙体在不同框架截面尺寸下荷载位移曲线对比如图 6 所示, 极限承载力和最大位移如表 4 所示, 则由图 6 和表 4 可知, 当柱截面尺寸相同时, 最大位移相同, 梁截面越大, 承载力越大在梁截面尺寸相同时, 柱截面越小, 最大位移越大, 承载力越小, 结构体系延性增大在柱截面较小时, 梁截面对承载力的影响很小。
表 4 不同框架截面极限承载力 下载原表 2.2.2 侧移刚度分析表 5 提取了不同层间位移角时结构体系中各组成部分的侧移刚度值由表 5 可知, 钢框架—内填冷弯薄壁型钢组合墙体的侧移刚度近似等于组合墙体与纯钢框架的侧移刚度之和当柱截面尺寸相同时, 梁截面尺寸越小, 结构体系侧移刚度越小当梁截面尺寸相同时, 柱截面尺寸越小, 结构体系侧移刚度越小2.2.3 剪力分配关系由 SAP2000 的分析结果中提取 FW2、FW5、FW6 和 FW7 结构体系在钢框架截面尺寸不同时所承担的剪力和剪力分担率曲线如图 7、图 8 所示表 6 给出了层间位移角分别为 1/300、1/200、1/100、1/50 时钢框架和墙体各自承担的剪力和剪力分担率表 5 不同层间位移角侧移刚度比较 下载原表 由图 7、图 8 和表 6 可知, 对于不同框架截面尺寸的结构体系, 组合墙体与钢框架之间弹性和弹塑性阶段剪力分配均近似符合刚度分配原则各结构体系中框架分担的剪力随着位移的增大而增大, 墙体。