新型轻钢龙骨组合墙体竖向稳定性分析

论文摘要

冷弯薄壁型钢小桁架结构体系是一种新型的轻钢龙骨结构体系,组成其承重骨架的基本单元是冷弯薄壁型钢小桁架。小桁架的弦杆由冷弯薄壁方钢管或矩形钢管构成,弦杆通过标准的V型连接件和自攻螺钉连接,通过改变弦杆钢管的尺寸以及钢管的间距可使其满足不同的承载力要求。这种结构体系设计灵活、自重轻、抗震性能好、可工厂化生产,因而在低层及多层住宅以及中小跨厂房中得到了日益广泛的应用。由于其结构形式的特殊性,以及在设计中需要考虑覆面材料的蒙皮效应,目前尚缺乏适用的设计理论和设计规范。由冷弯薄壁型钢小桁架柱和覆面材料构成的组合墙体是这种结构体系的竖向承重构件,组合墙体在竖向荷载作用下的整体稳定承载力是其设计中的关键问题之一。本文在国内外对考虑蒙皮作用的轻钢龙骨组合墙体研究的基础上,借鉴美国冷成型钢结构设计规范的方法,将覆面材料看作剪力蒙皮支撑,首先采用能量法分析组合墙体的整体屈曲性能,然后利用SAP2000有限元软件进行了组合墙体的屈曲分析,主要研究工作包括以下方面:1.采用能量法建立组合墙体在各种屈曲模态下的总势能方程,并求解相应的屈曲荷载。2.利用SAP2000有限元软件对各种不同形式及覆面材料的组合墙体进行整体屈曲分析。3.将理论分析结果与有限元分析结果进行对比,验证理论分析结果的可靠性和正确性。4.分析覆面材料对轻钢龙骨组合墙体竖向稳定承载力的贡献;分析连接件间距、墙体高度等因素对组合墙体竖向稳定承载力的影响。本文的研究结果表明:1.组合墙体的整体失稳模式主要有三种:墙体平面内弯曲屈曲、墙体平面外弯曲屈曲、墙体平面内小桁架柱分肢异向屈曲。由于小桁架柱中V形连接件平面外抗弯能力较弱而不会发生整体的弯扭屈曲。2.组合墙体的竖向屈曲荷载包括小桁架柱的屈曲荷载和覆面材料对于屈曲荷载的贡献。组合墙体最小的屈曲荷载及其对应的屈曲模式取决于蒙皮的抗剪能力,蒙皮的抗剪能力不一样,组合墙体最先的屈曲模式和对应的屈曲荷载就不同。在组合墙体的墙体平面内弯曲屈曲、墙体平面内小桁架柱分肢异向屈曲的整体失稳模式中,蒙皮的抗剪能力起主导作用。在墙体平面外弯曲屈曲的整体失稳模式中,蒙皮的作用可以忽略不计。3.组合墙体的有限元屈曲分析结果与理论计算结果非常接近,表明本文提出的屈曲模式及其屈曲荷载合理可靠。4.连接件间距、墙体高度对于组合墙体平面外弯曲屈曲荷载影响较大,随着连接件间距增大、墙体高度增加,平面外弯曲屈曲荷载显著降低。本文的研究成果对于促进这种新型的轻钢龙骨小桁架结构体系的广泛应用有积极的帮助,对于这种新型结构体系的理论计算和规范的编制都有一定的参考价值。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究概述
• 1.2.1 蒙皮作用概述
• 1.2.2 组合墙体剪切刚度的确定
• 1.3 本文的主要研究工作
• 第二章 组合墙体竖向稳定的理论分析
• 2.1 稳定理论概述
• 2.1.1 稳定理论和能量法
• 2.1.2 薄壁杆件稳定理论
• 2.2 三析片柱双面蒙皮墙体屈曲分析
• 2.2.1 方钢管应变能
• 2.2.2 连接件应变能
• 2.2.3 蒙皮应变能
• 2.2.4 外力势能
• 2.2.5 总势能及屈曲荷载的计算
• 2.3 本章小结
• 第三章 组合墙体的有限元屈曲分析
• 3.1 概述
• 3.2 小析架柱和组合墙体的有限元模型
• 3.3 算例分析
• 3.3.1 小析架柱的理论屈曲荷载计算
• 3.3.2 小析架柱的有限元屈曲分析
• 3.3.3 蒙皮为石膏板的墙体理论屈曲荷载计算
• 3.3.4 蒙皮为石膏板的墙体有限元屈曲分析
• 3.3.5 蒙皮为纤维板的墙体理论屈曲荷载计算
• 3.3.6 蒙皮为纤维板的墙体有限元屈曲分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 对比分析
• 4.1 理论分析与有限元分析对比
• 4.2 蒙皮作用分析
• 4.3 连接件间距对稳定承载力的影响
• 4.4 柱墙高度对稳定承载力的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与建议
• 5.1 主要结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 攻读硕士期间公开发表的论文
• 致谢