冷成型鋼組合墻體受剪與軸壓力學(xué)性能數(shù)值模擬研究.pdf

1、近年來(lái)，作為低層鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的重要結(jié)構(gòu)形式之一，冷成型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系在國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅速，其結(jié)構(gòu)形式源于傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑，是一種由冷成型鋼龍骨和輕型墻板組成的新型結(jié)構(gòu)體系。目前，冷成型鋼結(jié)構(gòu)朝著構(gòu)件強(qiáng)度高、厚度薄和墻板材料豐富多樣的方向發(fā)展，而將低層冷成型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系擴(kuò)展到多層結(jié)構(gòu)體系也是一種必然趨勢(shì)。組合墻體是冷成型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系主要承重構(gòu)件，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行深入研究具有重要的理論價(jià)值和工程意義。本文在課題組冷成型鋼組合墻體軸壓和抗剪力

2、學(xué)性能試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)組合墻體力學(xué)性能數(shù)值模擬的方法展開(kāi)研究，旨在為冷成型鋼結(jié)構(gòu)住宅的研究和設(shè)計(jì)提供分析手段。
　　冷成型鋼組合墻體是承受建筑豎向荷載的承重構(gòu)件，本文以墻體軸壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑檠芯繉?duì)象，對(duì)其軸壓力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。首先，利用ABAQUS有限元軟件和CUFSM有限條軟件對(duì)冷成型鋼軸壓柱進(jìn)行屈曲分析，發(fā)現(xiàn)邊界條件的設(shè)置是冷成型鋼結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。然后，利用ABAQUS對(duì)軸壓墻體試件進(jìn)行有限元模擬。結(jié)果

3、表明:采用非線性彈簧單元模擬自攻螺釘連接可較好地考慮連接件的滑移變形及失效情況，有限元模擬得到的墻體極限荷載和破壞模式與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。
　　多層冷成型鋼結(jié)構(gòu)中組合墻體必須滿足相應(yīng)防火和抗剪承載力要求，本文以雙側(cè)覆雙層墻板和以矩形鋼管混凝土柱作為墻體邊柱的組合墻體試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑檠芯繉?duì)象，對(duì)其進(jìn)行有限元數(shù)值模擬研究。首先，利用ABAQUS對(duì)組合墻體在單調(diào)加載作用下的抗剪力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)模擬研究。結(jié)果表明:采用耦合節(jié)點(diǎn)自由度方法模擬骨架與墻

4、板之間自攻螺釘連接使得墻體的極限荷載和側(cè)向剛度偏大，采用非線性彈簧單元或連接單元模擬自攻螺釘連接均行之有效，有限元模擬得到的組合墻體變形破壞現(xiàn)象與試驗(yàn)現(xiàn)象吻合良好，兩者得到的極限荷載誤差在10％以內(nèi)。然后，利用OpenSees有限元軟件模擬組合墻體在循環(huán)加載作用下的滯回性能。結(jié)果表明:Pinching4材料本構(gòu)模型可以較好地模擬自攻螺釘連接復(fù)雜的滯回特性，利用OpenSees模擬得到的滯回曲線具有明顯的“捏縮效應(yīng)”，與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

5、r>　　對(duì)有限元結(jié)果進(jìn)行參數(shù)化分析，結(jié)果表明:不同墻板與冷成型鋼之間的自攻螺釘連接性能差異顯著，導(dǎo)致不同墻板組合墻體力學(xué)性能相差較大;覆雙層墻板墻體的強(qiáng)度和剛度約等于各單層墻板墻體的強(qiáng)度和剛度累積之和;增大墻體寬度可以提高其抗剪承載力，但是單位長(zhǎng)度的承載力沒(méi)有明顯變化，減小立柱間距和增大立柱截面尺寸對(duì)墻體抗剪承載力的提高幅度均在10％以內(nèi);內(nèi)外層墻板錯(cuò)縫布置可以提高墻體承載力，但墻體的延性會(huì)變差，內(nèi)外層墻板之間設(shè)置板條也可以提高墻體的承

6、載力。
　　利用ABAQUS對(duì)開(kāi)洞組合墻體力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明:其強(qiáng)度和剛度隨著洞口面積增大而降低，洞口兩側(cè)立柱變形破壞相對(duì)嚴(yán)重，開(kāi)洞墻體的延性優(yōu)于未開(kāi)洞墻體，洞口位置的變化對(duì)墻體的抗剪強(qiáng)度不產(chǎn)生影響。不同經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的開(kāi)洞組合墻體承載力稍有偏差，與有限元計(jì)算結(jié)果相比，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果總體上偏于保守，對(duì)于實(shí)際工程設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)公式可提供一定的安全儲(chǔ)備。
　　在房屋整體抗震性能研究中，精細(xì)化墻體模型會(huì)導(dǎo)致計(jì)算困難