新型轻钢龙骨组合墙体竖向极限承载力分析

论文摘要

随着近年来我国钢产量的不断提高,钢结构正越来越多地运用于建筑结构,而轻钢结构是目前发展最快,发展前景最被看好的结构形式,并广泛应用于低层民用住宅和低层厂房。本文所研究的对象是一种新型的轻钢龙骨结构墙柱体系,这种结构体系由钢骨架和覆面材料共同组成,共同承担荷载。小桁架柱构成了墙柱体系的钢骨架,小桁架柱由两根方钢管由V型连接件通过自攻螺钉相连接；支撑墙体一般采用彩钢板、石膏板、OSB板等,墙体通过自攻螺钉与钢骨架相连形成墙柱体系。此外为了提高墙柱体系的承载力,也可在墙体两侧交叉设立抗拉钢带,通过自攻螺钉与方钢管相连。本文通过理论分析和有限元软件SAP2000分别计算得到了两侧不同覆面材料的新型轻钢龙骨结构墙柱体系的屈曲模式、线性屈曲荷载以及极限承载力。通过对比这两组解,分析结果的合理性,进而为实际工程设计提供合理化的方法与建议。本文的研究工作主要包括以下内容：1.分析并确定两侧覆面材料不同的轻钢龙骨结构墙柱体系在两端铰支边界条件下的屈曲模态。2.利用能量法建立起墙柱体系的总势能方程,并通过势能驻值原理,得到了各阶线性屈曲荷载。3.通过引入初始几何缺陷,求出稳定系数,进一步得到墙柱体系的非线性屈曲荷载,即为极限承载力。4.利用有限元软件SAP2000,建立墙柱体系的有限元模型,得到墙柱体系的屈曲形式和临界屈曲荷载。5.将理论分析计算得到的结果与有限元软件计算所得结果进行对比,验证理论分析结果的可靠性。6.对比有无墙体支撑两种情况下,小桁架柱的承载力,分析墙体支撑对结构体系的作用。通过本文的研究可以得到以下研究成果：1.两侧覆面材料不同的轻钢龙骨结构墙柱体系在两端铰支边界条件下可能的屈曲形式有三种：a.弱侧覆面材料的方钢管在墙体平面内屈曲b.小桁架柱与覆面材料共同在墙体平面外屈曲c.方钢管立柱段局部屈曲2.对于墙柱体系在平面内屈曲的情况,覆面材料可以显著提高墙柱体系在平面内的临界屈曲荷载,提高墙体平面内的稳定性；对于墙体平面外的稳定,覆面材料由于其抗弯刚度较小,未能显著提高墙体平面外的稳定性,而平面外屈曲荷载会随着墙柱体系的高度增加而显著下降。3.组合墙体的有限元屈曲分析结果与理论计算结果较为接近,表明本文提出的屈曲模态及其屈曲荷载的计算合理可靠。4.对于新型的轻钢龙骨结构墙柱体系,由于小桁架柱截面形式和高度的因素,通常平面外的屈曲荷载会比平面内屈曲荷载大很多,故在计算这类结构的极限承载力时,通常可以按平面内屈曲作为控制荷载。5.给出了两侧覆面材料不同的小桁架墙柱体系的临界屈曲荷载以及极限承载力的计算公式。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的意义和目的
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 1.4 本文预期研究成果和创新点
• 第2章 考虑墙体支撑效应时立柱临界屈曲荷载的理论分析
• 2.1 稳定理论及其计算方法
• 2.1.1 稳定理论概述
• 2.1.2 稳定问题的计算方法
• 2.2 轴心受压构件的失稳类型
• 2.3 组合墙柱体系的整体失稳类型
• 2.4 组合墙柱体系的局部失稳
• 2.5 运用能量法求解不同失稳形式的临界弹性屈曲荷载
• 2.5.1 使用剪力蒙皮模型计算临界屈曲荷载
• 2.5.2 使用弹簧支撑模型计算临界屈曲荷载
• 2.6 墙体立柱轴压极限承载力的确定
• 2.6.1 极限承载力的定义及计算方法
• 2.6.2 影响结构极限承载力的因素
• 2.6.3 压杆稳定系数的求解
• 2.6.4 规范方法确定墙板支撑立柱的极限承载力
• 2.7 本章小结
• 第3章 组合墙柱体系的有限元模拟
• 3.1 考虑墙体支撑效应的小桁架柱的有限元计算理论
• 3.2 SAP2000概述
• 3.3 有限元模型的建立
• 3.4 算例分析
• 3.4.1 不考虑蒙皮效应的小桁架柱屈曲荷载计算
• 3.4.2 考虑蒙皮效应时小桁架柱的有限元屈曲分析
• 第4章 理论和有限元结果对比与分析
• 4.1 理论与有限元结果对比
• 4.1.1 小桁架柱的结果对比
• 4.1.2 墙柱体系的结果对比
• 4.2 蒙皮作用分析
• 第5章 结论与展望
• 5.1 理论研究方面的结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间公开发表的论文
• 致谢