Z形撑轻钢桁架梁及楼盖性能研究

论文摘要

筑巢轻钢桁架梁由蝶形连接件充当腹杆,通过自攻螺钉将作为上下弦杆的两根镀锌空心薄壁矩管连接而成。工程实例表明,该桁架梁正常使用阶段刚度较低,已建建筑物中很多窗梁和门梁均发生较大的挠度。鉴于此,提出了Z形撑代替蝶形撑的方案。轻钢楼盖通常由桁架梁和OSB板组成,但设计往往只考虑桁架梁而未考虑OSB板的作用,为准确地认识该体系受力情况,有必要对其力学性能进行探讨。本文针对以上问题进行了Z形撑桁架梁单梁和由Z形撑桁架梁与OSB板组成的组合楼盖静力加载试验。试验结果表明:Z形撑桁架梁和蝶形撑桁架梁两者极限承载力相当,但Z形撑桁架梁的刚度较蝶形撑桁架梁提高约20%~50%。且同等承载力下,Z形撑桁架梁耗钢量低于蝶形撑耗钢量。组合楼盖中,OSB板在参与受力的同时,有效地限制了上弦的塑性变形,促使上弦各截面能稳定地进入屈服,最后组合楼盖以跨中上弦全截面进入塑性状态而变形过大为标志,发生鼓曲而丧失承载力。其破坏时的极限承载力相对于单梁提高约20%,使用阶段的极限承载力提高约为5%。本文对Z形撑桁架梁进行了优化分析,得到各跨度对应最优跨高比和截面高度、截面厚度、撑间距、撑数量对该体系桁架梁受力性能的影响。通过ABAQUS软件对该组合楼盖进行有限元非线性分析。为了较精确的模拟该楼盖实际受力情况,模型中考虑了OSB板与桁架梁上弦的法向硬接触和切向摩擦接触、OSB板和上弦矩管的剪切滑移。另外将模拟结果同试验数据比较,验证了模型的精确性。同时对影响楼盖性能的参数进行了分析。分析结果表明:OSB板厚度可以同时提高楼盖整体的极限承载力和弹性、塑性阶段的刚度;螺钉间距,特别是跨中螺钉间距对楼盖承载力也有较大影响;螺钉间距的大小不能影响楼盖弹性阶段的刚度,只能影响楼盖进入塑性后的刚度。最后,提出了轻钢桁架组合楼盖极限承载力计算公式和正常使用阶段承载力设计简化模型。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 筑巢轻钢龙骨体系介绍
• 1.2.1 桁架单元
• 1.2.2 墙体模块
• 1.2.3 楼盖、屋盖单元
• 1.3 研究现状
• 1.3.1 轻钢桁架梁研究现状
• 1.3.2 组合楼盖研究现状
• 1.4 课题研究原因、目的和内容
• 1.4.1 研究原因
• 1.4.2 研究目的和内容
• 2 Z 形撑桁架梁和楼盖试验
• 2.1 试件设计
• 2.1.1 试验目的
• 2.1.2 Z 形撑桁架梁设计思路
• 2.1.3 组合楼盖设计思路
• 2.2 试验方案
• 2.2.1 加载装置
• 2.2.2 Z 形撑桁架梁试验测量内容
• 2.2.3 组合楼盖试验测量内容
• 2.2.4 试验加载制度
• 2.3 试验现象
• 2.3.1 ZL-1 桁架梁试验现象
• 2.3.2 LG-1 试验现象
• 2.3.3 LG-2 试验现象
• 2.4 试验数据分析
• 2.4.1 ZL-1 试验数据分析
• 2.4.2 LG-1 试验数据分析
• 2.4.3 LG-2 试验数据分析
• 2.4.4 LG-1、LG-2 和ZL-1 荷载—应变关系对比分析
• 2.4.5 LG-1 和LG-2 滑移-荷载数据比较
• 2.4.6 LG-1、LG-2 和ZL-1 荷载-挠度曲线对比分析
• 2.5 小结
• 3 Z 形撑和蝶形撑桁架梁性能比较
• 3.1 引言
• 3.2 蝶形撑桁架梁试验
• 3.3 两种桁架梁试验结果比较
• 3.3.1 荷载等效
• 3.3.2 极限承载力比较
• 3.3.3 荷载-挠度曲线比较
• 3.3.4 用钢量比较
• 3.3.5 受力性能比较总结
• 3.4 本章小结
• 4 Z 形撑桁架梁有限元模拟
• 4.1 引言
• 4.2 模型思路
• 4.3 材料强度和截面设计
• 4.4 节点连接简化
• 4.5 试验模型验证
• 4.6 本章小结
• 5 Z 形撑桁架梁优化
• 5.1 相关背景
• 5.2 跨高比对桁架梁的影响
• 5.3 截面高度对桁架梁的影响
• 5.3.1 3000mm 跨度截面高度分析
• 5.3.2 4500mm 跨度截面高度分析
• 5.3.3 6000mm 跨度截面高度分析
• 5.4 截面厚度对桁架梁的影响
• 5.4.1 3000mm 跨度截面厚度分析
• 5.4.2 4500mm 跨度截面厚度分析
• 5.4.3 6000mm 跨度截面厚度分析
• 5.5 Z 撑数量的影响
• 5.5.1 3000mm 跨度撑总数分析
• 5.5.2 4500mm 跨度撑总数分析
• 5.5.3 6000mm 跨度撑总数分析
• 5.6 边部Z 撑间距的影响
• 5.6.1 3000mm 跨边距的影响
• 5.6.2 4500mm 跨Z 撑边距的影响
• 5.6.3 6000mm 跨Z 撑边距的影响
• 5.6.4 Z 撑支座处边距影响总结
• 5.7 Z 撑跨中间距的影响
• 5.8 本章总结
• 6 组合楼盖有限元模拟和分析
• 6.1 引言
• 6.2 建立模型
• 6.2.1 部件单元类型
• 6.2.2 材料本构关系
• 6.2.3 模型组装
• 6.2.4 接触和滑移定义
• 6.2.5 荷载施加和支座模拟
• 6.2.6 分析步与计算方法
• 6.3 有限元模型验证
• 6.3.1 有限元模型应力分布和变形
• 6.3.2 有限元模型受力性能验证
• 6.4 组合楼盖受力性能参数分析
• 6.4.1 螺钉间距的影响
• 6.4.2 OSB 板厚度的影响
• 6.5 小结
• 7 组合楼盖承载力研究
• 7.1 引言
• 7.2 组合楼盖极限承载力理论计算研究
• 7.2.1 控制截面和内力分析
• 7.2.2 极限承载力计算方法比较
• 7.3 组合楼盖正常使用阶段承载力研究
• 7.3.1 正常使用阶段承载力理论计算方法
• 7.3.2 简化有限元计算方法
• 7.4 本章总结
• 8 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 后续研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 A
• 附录 B
• 附录 C
• 附录 D