冷弯薄壁型钢结构组合墙体抗侧移刚度研究

论文摘要

本文在查阅大量文献的基础上,采用试验和非线性有限元两种方法,对低层冷弯薄壁型钢结构住宅组合墙体的抗侧性能进行了研究,并在此基础上提出了组合墙体水平荷载作用下水平位移的简化计算公式。文中对水平方向单调加载和低周反复加载两种加载方式下的单面定向刨花板(OSB板)和单面防火板两类组合墙体的抗侧性能进行了足尺试件研究,详细介绍了试验装置、试验方法、试件的破坏过程以及对试验数据的分析处理。试验结果表明:不同加载方式对墙体的抗侧能力影响较大;不同的面板材料,采用防火板板材的组合墙体抗剪承载力、初始刚度及屈服荷载、最大荷载处刚度都比OSB板组合墙体高,但其变形能力很差;对于开洞墙体,洞口面积越大墙体的承载能力和抗侧刚度越低,但延性却刚好相反。有限元分析部分对单调加载作用下的试件进行模拟,同时考虑了材料非线性和几何非线性问题。采用塑性壳单元模拟墙体各构件,采用非线性梁单元模拟墙体的自攻螺钉连接,方程组求解方法由ANSYS程序自动选择,结果显示有限元分析结果与试验值吻合良好,从而证明了有限元分析方法的正确性和可行性。在此基础上,对墙体钢材强度、自攻螺钉间距以及面板材性等内部因素和墙体高度、墙体开洞大小、X剪力撑设置情况等构造因素进行了参数分析,结果表明:钢材强度对墙体抗侧性能影响较小;减小墙体周边螺钉间距可比减小墙体内部螺钉间距更有效的提高墙体的抗侧性能,但效果也不是太明显;相比较而言,采用弹性模量较大的面板、减小墙体的高度、给开洞墙体设置加强过梁、给墙体设置X剪力撑都可以很大程度的提高墙体的抗侧性能。通过以上的分析,本文提出了组合墙体水平位移的简化计算公式,由此公式计算出的位移在墙体荷载达设计值前与试验结果相符较好,但在设计值之后逐渐与试验结果偏离,因此只能用于墙体正常工作状态下Δmax设计值的计算,不能用于墙体设计值之后的位移计算,即不能计算墙体的塑性变形。另外本文还提供了组合墙体Δmax设计值的两个算例,以供实际工程中参考和使用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 冷弯薄壁型钢结构组合墙体抗侧性能研究概况与研究成果
• 1.2 国内外对组合墙体抗侧性能的理论和试验研究概况
• 1.2.1 国外对组合墙体抗侧性能进行的试验和理论研究
• 1.2.2 国内对冷弯薄壁型钢结构组合墙体抗侧性能进行的试验和理论研究
• 1.2.3 国内外对组合墙体抗侧性能的理论和试验研究成果评述
• 1.3 我国在冷弯薄壁型钢结构组合墙体研究方面存在的问题、研究目的及意义
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 组合墙体抗侧性能的试验研究
• 2.1 试验概况
• 2.1.1 试件设计及材料特性
• 2.1.2 试验装置与测点布置
• 2.1.3 加载制度
• 2.2 试验过程及破坏特征
• 2.2.1 第一组：单面OSB 板组合墙体（WA1、WA2）
• 2.2.2 第二组：单面防火板组合墙体（WA3、WA4）
• 2.2.3 第三组：单面开洞组合墙体（WB1、WB2、WB3）
• 2.3 试验结果处理及分析
• 2.3.1 试件屈服点、破坏点的确定方法
• 2.3.2 试验数据处理
• 2.3.3 试验结果分析
• 2.4 小结
• 第三章 组合墙体的有限元变形分析理论
• 3.1 有限元概述
• 3.2 墙体构件单元类型的选取及分析
• 3.2.1 单元选取
• 3.2.2 单元分析
• 3.3 结构非线性分析
• 3.3.1 材料的非线性本构关系分析及材料特性的定义
• 3.3.2 几何非线性
• 3.4 有限元模型的建立及模型网格的划分
• 3.5 边界约束及加载
• 3.6 求解及结果后处理
• 3.6.1 求解设定
• 3.6.2 结果后处理
• 3.7 小结
• 第四章 组合墙体的有限元模拟及抗侧影响因素分析
• 4.1 单面OSB 板无开洞墙体抗侧性能分析
• 4.1.1 有限元模拟
• 4.1.2 有限元分析结果与试验结果比较
• 4.2 单面OSB 板400MM×600MM 开洞墙体抗侧性能分析
• 4.2.1 有限元模拟
• 4.2.2 有限元分析结果与试验结果比较
• 4.3 墙体内部参数分析
• 4.3.1 钢龙骨强度对组合墙体抗侧性能的影响
• 4.3.2 螺钉间距对组合墙体抗侧性能的影响
• 4.3.3 面板材性对组合墙体抗侧性能的影响
• 4.4 不同构造类型墙体抗侧影响因素分析
• 4.4.1 高宽比对墙体抗侧性能的影响
• 4.4.2 是否开洞及洞口大小对墙体抗侧性能的影响
• 4.4.3 是否设置X 剪力撑及设置间距对墙体抗侧性能的影响
• 4.5 小结
• 第五章 组合墙体的变形设计方法
• 5.1 组合墙体的变形计算
• 5.1.1 组合墙体弯曲变形引起的顶部侧移计算
• 5.1.2 组合墙体剪切变形引起的顶部侧移计算
• 5.1.3 组合墙体倾倒变形引起的顶部侧移计算
• 5.1.4 组合墙体的水平侧移计算公式
• 5.2 公式计算结果与试验结果分析比较
• 5.2.1 单面 OSB（WA1）试件公式计算结果与试验结果对比分析
• 5.2.2 单面防火板（WA3）试件公式计算结果与试验结果对比分析
• 5.2.3 单面 OSB 板（WB1）开洞 400×600mm2 试件公式计算结果与试验结果对比分析
• 5.3 组合墙体位移计算实例
• 5.3.1 关于不开洞组合墙体位移的计算
• 5.3.2 关于开洞组合墙体位移的计算
• 5.4 小结
• 结语
• 结论
• 今后尚待研究的问题
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间参与科研和获奖情况
• 致谢