冷弯薄壁型钢-钢板剪力墙抗震性能试验研究

为研究冷弯薄壁型钢-钢板剪力墙结构的抗震性能,对冷弯薄壁型钢边柱内置薄钢板剪力墙进行低周往复加载试验,对比不同边柱截面厚度及截面形式对其抗震性能的影响。试验中得到了冷弯薄壁型钢-钢板剪力墙的破坏形态、荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、荷载及位移特征值,并对结构的破坏特征、延性、耗能能力、承载力及刚度退化进行分析。结果表明:冷弯薄壁型钢-钢板剪力墙具有良好的抗震性能;增加边柱截面厚度及选用帽形边柱均可提高剪力墙的承载力、刚度及耗能性能。计算3个试件受剪承载力设计值和弹性抗侧刚度,其值均高于常用冷弯薄壁组合墙体的;结合破坏特征提出冷弯薄壁型钢-钢板剪力墙3个受力阶段;边柱对剪力墙破坏起控制因素,工程设计中应保证边柱承载能力,宜采用"强边柱、弱钢板"的设计理念。     

加斜撑冷弯薄壁型钢组合墙体的抗震性能（英文）

通过对竖向荷载作用下加斜撑冷弯薄壁型钢组合墙体的抗震性能试验研究,考察了墙体的受力特性、破坏模式和滞回性能,分析了覆面板对组合墙体滞回性能、延性和耗能能力的影响。结果表明:相同竖向荷载作用下,单面覆OSB板墙体较无面板墙体的抗剪承载力提高了38.79%;墙架柱轴压比为0.24较轴压比为0.16的单面覆OSB板组合墙体抗剪承载力提高了7.5%,屈服位移降低了8.1%,墙体延性系数μ提高了4.5%,耗能系数E提高了4.1%,加斜撑冷弯薄壁型钢组合墙体体现出较好的抗震性能。在对有限元模型可靠性进行验证的基础上,通过变参数分析考察了墙架柱轴压比、钢龙骨屈服强度对墙体受力性能的影响规律,结果表明:随墙架柱轴压比的增大,组合墙体的抗剪承载力有所提高;减小钢龙骨的屈服强度,组合墙体的抗剪承载力下降明显。依据《低层冷弯薄壁型钢房屋技术规程》(JGJ 227—2011)和美国规范AISI S400-15,推导出墙体的抗力分项系数,确定了水平地震作用下此类墙体的抗剪承载力设计值。     

波纹钢板覆面冷弯薄壁型钢龙骨式剪力墙抗震性能研究进展

近期研究表明在高风带和地震易发地带,覆波纹钢板的冷弯薄壁型钢龙骨式剪力墙是一种很有应用前景的新型抗侧力结构体系。最近在北德克萨斯州大学对波纹钢板覆面冷弯薄壁型钢龙骨式剪力墙进行了大量试验研究,试验包括墙体试件在水平单调加载和循环反复加载下的抗剪性能试验。对已有研究成果进行了总结,具体内容包括对墙体抗剪性能的试验研究和有限元模拟,以及对整体房屋体系的抗震性能评估。以表格的形式给出了风荷载和地震荷载作用下波纹钢板覆面冷弯薄壁型钢龙骨式剪力墙的抗剪强度建议值。并通过对6个不同建筑原型进行增量动力时程分析,得到了抗震性能设计的3个主要参数。     

冷弯薄壁型钢龙骨式剪力墙抗震性能简化及精细化数值模拟研究

龙骨式剪力墙作为冷弯薄壁型钢龙骨体系结构的主要抗侧力单元,其抗侧性能是由覆面板、龙骨骨架及其间的自攻螺钉连接的性能决定。建立了基于自攻螺钉连接性能的精细化的冷弯薄壁型钢龙骨式剪力墙的有限元数值模型,并将龙骨与覆面板自攻螺钉连接的恢复力模型引入到剪力墙数值模型中,进行了墙体抗震滞回性能的数值模拟分析。结果表明,计算所得龙骨式剪力墙的弹性刚度、承载力以及变形等特征参数与试验结果吻合较好,该模型能够较为准确地反映龙骨式剪力墙的抗震滞回性能。在此基础上,提出了龙骨式剪力墙数值模拟的简化方法,为房屋整体结构抗震性能的数值分析提供了支撑。     

冷弯薄壁型钢复合墙体基于弹簧连接单元模型分析合理性

建立基于螺钉连接件弹簧单元的冷弯薄壁型钢复合墙体SAP2000分析模型,螺钉采用定向滞回准则的不相耦合的双弹簧模拟,覆面板采用弹性壳单元,龙骨构件采用三维框架单元,分析模型主要集中考虑龙骨和覆面板螺钉连接件非线性性能对于模拟复合墙体的合理性,并采用相关墙体滞回试验结果进行验证。研究结果表明,基于连接件性能的冷弯薄壁型钢复合墙体SAP2000分析模型能够用于冷弯薄壁型钢复合墙体抗震性能的精细化分析,为复合墙体抗震简化设计方法提供分析依据。     

多层冷弯薄壁型钢结构住宅水平荷载分配关系研究

为了确定水平荷载在多层冷弯薄壁型钢结构住宅中的分配关系,基于冷弯薄壁型钢组合墙体和组合楼盖的试验研究成果,将组合墙体计算模型中上导轨简化为桁架单元,墙架柱简化为梁单元,覆面板等效为非线性对角弹簧,将组合楼盖计算模型中楼盖梁简化为桁架单元,面内剪切刚度由非线性对角弹簧的刚度确定,以达到合理简化组合墙体和组合楼盖计算模型的目的。采用ABAQUS有限元软件建立4层双跨冷弯薄壁型钢结构住宅模型,模拟分析水平荷载通过冷弯薄壁型钢组合楼盖传递至冷弯薄壁型钢组合墙体的分配关系,并通过6层足尺冷弯薄壁型钢结构房屋振动台试验,验证楼盖刚性和水平荷载分配关系的判定方法。研究表明：组合墙体和组合楼盖简化计算模型能较好地模拟冷弯薄壁型钢墙体和楼盖全过程的受力性能,与试验结果的误差小于20%,模型可用于简化分析组合墙体的受剪性能以及组合楼盖的面内受力性能;多层冷弯薄壁型钢结构住宅中采用的压型钢板上覆不同材料的组合楼盖型式均为刚性楼盖,水平荷载按剪力墙等效刚度的比例分配。     

装配式冷弯薄壁型钢-轻质混凝土组合剪力墙抗震性能研究

为了进一步提升填充泡沫混凝土-冷弯薄壁型钢组合墙体的抗震性能,提出了一种装配式冷弯薄壁型钢-轻质混凝土组合剪力墙,由内填充自密实轻质混凝土的矩形冷弯型钢端立柱、高强泡沫混凝土填充冷弯型钢墙单元、双层墙面板等组成。通过4片冷弯薄壁型钢-轻质混凝土剪力墙足尺试件的低周反复加载试验,研究了增强端立柱、双拼内立柱和立柱开孔数量对剪力墙破坏模式、承载力与抗侧刚度、变形与延性、刚度与承载力退化、耗能能力等抗震性能的影响。试验结果表明：剪力墙破坏模式呈现墙面板与泡沫混凝土交叉裂缝的剪切破坏特征,其弹塑性阶段的侧向变形为剪切型变形,峰值阶段时位移角为1/62～1/45;采用内填自密实混凝土的矩形端立柱和内立柱能抑制墙体立柱局部屈曲破坏,并显著提高墙体承载力和刚度;增加立柱腹板开孔数量能避免立柱与混凝土间的界面黏结滑移,提高了墙体承载力、刚度和耗能能力,并延缓了承载力与刚度退化。基于承载力叠加原理,提出了该类剪力墙的受剪承载力计算公式,计算结果与试验结果符合较好。     

冷弯薄壁型钢与覆面钢板自攻螺钉连接性能试验研究

作为冷弯薄壁型钢龙骨体系结构的主要抗侧力单元,龙骨式复合墙体的承载力性能与覆面板和龙骨骨架间自攻螺钉连接的性能关系密切。进行了冷弯薄壁型钢龙骨与覆面钢板自攻螺钉连接性能的试验研究,主要考察了螺钉端距以及螺钉垫圈等因素对其承载力性能的影响。通过对试验结果的分析比较,得到了钢龙骨与覆面钢板自攻螺钉抗剪性能的主要指标以及影响因素,为龙骨式复合墙体的抗剪性能数值模拟研究提供了基本参数。     

冷弯薄壁型钢组合楼盖抗剪性能试验研究

为了研究冷弯薄壁型钢组合楼盖抗剪性能,进行了1个冷弯薄壁C型钢—压型钢板混凝土组合楼盖、3个冷弯薄壁C型钢桁架—压型钢板混凝土组合楼盖和1个冷弯薄壁C型钢桁架—ALC板组合楼盖试件的抗剪性能试验。详细考察了组合楼盖在低周反复荷载作用下的应变分布规律和破坏形式,分析了组合楼盖的滞回曲线、骨架曲线、荷载强度退化、刚度退化。试验研究表明:采用冷弯薄壁C型钢梁组合楼盖的抗剪极限承载力要高于采用冷弯薄壁C型钢桁架梁组合楼盖;抗剪件在一定程度上可以提高组合楼盖的抗剪承载力。     

纯剪荷载作用下帽型冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板墙元的抗震性能试验研究

提出了一种帽型冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙结构抗侧力体系。为了研究该帽型冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙结构的抗震性能,剥离了钢板剪力墙结构抗侧力体系中梁柱框架刚接对体系抗侧力的贡献,从钢板剪力墙中提取出“墙元”,并保证其为纯剪受力状态,设计了5个帽型冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙墙元试件,对其进行往复剪切荷载下的拟静力试验。结果表明：帽型冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙结构承载能力稳定,位移延性系数达到7以上,极限位移角达0.03rad,塑性变形能力较强;帽型冷弯薄壁型钢可以阻断内嵌钢板斜向通长拉力带,使钢板约束覆盖区域处于平面剪切受力变形状态,从而提升结构承载力、刚度和耗能能力,充分发挥钢板的材料性能;外贴OSB装饰板材可以满足建筑功能的适用性,同时强化了整体结构的抗震性能。     

冷弯型钢锁铆连接抗剪性能非线性有限元简化分析方法研究

锁铆连接具有力学性能好、连接效率高等突出优势,在冷弯薄壁型钢结构中具有较好的应用前景。采用等效面域偶合、约束单元和连接单元三大类8种简化方法,建立了冷弯型钢锁铆连接受剪时的有限元简化模型;对比分析了简化模拟结果与试验结果,探明了各简化模型的适用范围;完成了不同板厚比下锁铆连接抗剪性能的参数分析,提出了适用于冷弯薄壁型钢结构的锁铆连接有限元非线性简化分析方法。研究结果表明：锁铆连接的主要受剪破坏模式为铆钉腿拔出下层钢板和铆钉头剪脱上层钢板;龙骨框架中冷弯型钢构件间的锁铆连接可采用约束单元Pin或紧固件单元Fastener进行简化模拟,龙骨框架与面板间的锁铆连接可采用连接器单元Cartesian或弹簧单元Spring2进行简化模拟;笛卡尔连接器单元可精确模拟出不同板厚比下锁铆连接的荷载-变形曲线和抗剪性能指标,且计算效率高,在冷弯薄钢型钢结构的非线性有限元分析中优先考虑。     

新型冷弯薄壁型钢结构钢皮剪力墙抗侧性能研究

随着钢结构住宅层数的增加,传统冷弯薄壁型钢墙体已经无法适用于越来越多的多高层钢结构住宅。为此,研发了新型钢皮组合墙体。为了研究新型墙体相对于传统冷弯薄壁型钢结构组合墙体在抗侧性能上的优越性,对石膏板+钢皮的新型冷弯薄壁型钢结构复合钢皮剪力墙进行了拟静力抗震性能研究。对2片足尺组合墙试件进行了无竖向力作用下的水平单调加载,得到了试件的破坏特征、承载能力、位移、抗剪强度、抗侧刚度以及延性系数等特征参数。采用ABAQUS对水平单调加载下的组合墙体进行数值模拟研究,并将模拟结果与试验结果进行对比。研究结果表明:1)增加轻钢龙骨的厚度可以明显提升墙体的承载力、刚度以及延性。2)组合墙试件的破坏类型分为脆性破坏和延性破坏。脆性破坏是由墙体边立柱受压屈曲导致,破坏过程耗能较少。延性破坏发生在墙体面板以及自攻螺钉连接处,破坏过程耗能较多。3)轻钢龙骨厚度与墙板钢皮总厚度的比值对组合墙试件的破坏模式起着控制作用。在墙体设计中,应保证龙骨的壁厚(或对边柱进行适当加强),合理设计钢皮的厚度,使其成为延性破坏构件。4)有限元模拟结果与试验结果误差相对较小,模拟破坏现象和试验实际破坏特征也基本符合。     

冷弯薄壁型钢组合楼盖和自攻螺钉连接的抗剪性能试验研究

对3个足尺冷弯薄壁型钢楼盖试件的面内受力性能进行了水平低周往复加载试验研究,得到其破坏特征、承载力指标以及自攻螺钉连接的破坏模式,试验结果表明C形边梁与压型钢板间的自攻螺钉连接破坏导致了楼盖试件破坏。基于楼盖试件面内破坏现象,对C形楼盖梁与U形边梁间、C形楼盖梁与压型钢板间两种自攻螺钉连接形式进行了抗剪性能试验研究,得到自攻螺钉连接的破坏形态和单颗自攻螺钉的抗剪承载力,分析了中国规范GB 50018-2002对于计算单颗自攻螺钉抗剪承载力的适用性。采用基于性能的抗震设计理论对冷弯薄壁型钢楼盖中自攻螺钉连接的性能水平、性能目标以及承载力指标进行了探讨,其结果可用于指导冷弯薄壁型钢结构体系的抗震设计。     

冷弯型钢结构研究进展（英文）

冷弯型钢构件具有重量轻、强度高、易于预制和量产、安装快、可回收利用等优点。冷弯型钢结构体系主要由墙体系统、楼盖系统和屋面系统组成,已在美国、澳大利亚和新西兰等国广泛应用。而我国冷弯型钢结构设计规范尚需完善,加之"人多地少"的国情,发展多高层冷弯型钢结构体系势在必行。通过理论分析和试验研究,对冷弯型钢结构体系进行深入研究,研究方向涵盖冷弯薄壁型钢基本构件和拼合构件的受力性能、组合墙体的抗侧性能、组合楼盖的承载力、刚度和舒适度以及整体房屋的抗震性能,相关研究成果如下:1)采用半能量法深入研究了板组屈曲的相关作用问题,建立了边缘加劲板件有效宽厚比设计方法;揭示了冷弯薄壁型钢轴压柱的破坏特征和力学性能,建立了简支、固支轴压柱畸变屈曲临界荷载的统一分析方法,提出了临界荷载计算理论;修正了澳大利亚标准AS/NZS 4600∶2005和我国标准JGJ 227—2011中畸变屈曲极限承载力的计算公式。2)揭示了双肢拼合冷弯薄壁型钢轴压柱和受弯梁的破坏特征和受力机理,提出了冷弯薄壁型钢拼合截面柱和梁极限承载力的简化计算方法。3)揭示了传统冷弯薄壁型钢组合墙体和冷弯薄壁型钢—钢板剪力墙水平荷载作用下的受力机理、破坏模式和力学性能,建立了冷弯薄壁型钢组合墙体的理论分析方法。4)揭示了冷弯薄壁型钢组合楼盖在竖向荷载、水平荷载及振动激励下的受力机理、破坏模式和力学性能,提出了冷弯薄壁型钢组合楼盖的设计计算方法。5)揭示了冷弯薄壁型钢住宅房屋在地震荷载作用下的破坏特征、动力特性及地震响应,建立了低、多层冷弯薄壁型钢结构体系的有限元分析方法,提出了抗震设计计算方法和抗震构造措施。6)揭示了冷弯薄壁型钢拼合截面柱在火灾下的受力机理、破坏模式和力学性能,建立了理论分析方法、简化力学模型和设计计算理论。研究成果已被国内相关设计规范采用,可以用于指导实际工程设计。笔者及团队后续研究工作将聚焦于冷弯薄壁型钢结构多层房屋关键技术及其应用,以推动装配式钢结构房屋在中国的应用。     

内填组合墙体钢框架的有限元分析

内填冷弯薄壁型钢组合墙体钢框架结构房屋是冷弯薄壁型钢住宅体系从低层向多层发展过程中产生的一种新型结构体系。本文对内填冷弯薄壁型钢组合墙体钢框架体系进行数值模拟,通过两种不同连接方式试件的比较,分析冷弯薄壁型钢组合墙体与钢框架之间的协同工作性能和剪力分配关系。     

冷弯薄壁型钢组合墙体受剪性能研究综述

根据对冷弯薄壁型钢结构体系传力路径的分析,承受和传递水平、竖向荷载的组合墙体的受力性能对整个结构的抗震性能至关重要。按照从局部到整体的顺序,依次对国内外开展的墙体龙骨、墙面板连接件和组合墙体的抗震性能的研究进行综述。结合对国内外具有代表性的剪力墙受剪试验结果进行的统计分析,分别给出墙面板、墙面板连接件、钢龙骨框架、墙体高宽比、墙体开洞及加载类型对墙体受剪承载力的影响。部分墙体受剪试验结果与中国规范相应的设计参考值进行对比,指出按线性内插得到的由大间距连接件连接的墙体受剪承载力规范参考值趋保守。按照中国规范给出的抗力分项系数值进行可靠度计算,计算结果表明规范的设计参考值不能很好的符合目标可靠度为3.2的要求。按文献建议调整抗力分项系数后的计算结果与目标可靠度吻合良好,但应进行更多的研究寻求合理的抗力分项系数值。最后对该类结构体系抗震性能研究领域需要深入研究的问题提出了建议。     

冷弯薄壁型钢与结构用OSB板自攻螺钉连接性能试验研究

龙骨式复合墙体是冷弯薄壁型钢龙骨体系结构的主要抗侧力构件,其抗震性能与覆面板和龙骨骨架间自攻螺钉连接的性能密切相关。通过对受单调和低周往复受剪荷载的冷弯薄壁型钢龙骨与结构用OSB板自攻螺钉连接受力性能的试验研究,分析了加载速率、面板布置方向、螺钉端距以及龙骨壁厚等因素对其抗震性能的影响。研究结果表明:试验加载速率和OSB板布置方向对其受剪性能均无明显影响;随着螺钉端距在试验钉距范围内增大,荷载及变形能力均有大幅提高;随着龙骨壁厚由0.8 mm增大至1.0 mm,峰值荷载提高了约10%,而变形能力则无明显变化规律。最后,在试验结果基础上,采用改进的"Foschi"指数型骨架曲线和定点指向型滞回规则建立了钢龙骨与结构用OSB板自攻螺钉连接的恢复力模型,为龙骨式复合墙体及房屋整体的抗震性能数值模拟研究提供了基本参数。     

冷弯薄壁型钢门式刚架极限承载力影响因素

为研究冷弯薄壁型钢门式刚架极限承载力,提出梁-弹簧单元模拟冷弯薄壁型钢门式刚架节点工作性能和考虑构件初始几何缺陷影响的有限元模拟分析法,研究冷弯薄壁型钢门式刚架在竖向荷载作用下的变形性能及破坏特征。对已有冷弯薄壁型钢门式刚架试验模型进行模拟分析的结果显示,有限元计算结果与试验结果吻合较好。通过改变构件的腹板厚度和翼缘宽度、节点板厚度、刚架梁坡度、柱脚刚度等因素计算刚架极限承载力,计算结果表明,增大前述各个参数值均可以提高冷弯薄壁型钢门式刚架的极限承载力。     

冷弯薄壁型钢混凝土剪力墙受剪性能试验研究

通过7个冷弯薄壁型钢混凝土(CTSRC)剪力墙的拟静力水平往复试验,研究了其破坏过程和破坏模式,分析了混凝土强度、剪跨比、轴压比、水平分布筋和竖向型钢量等参数对其受剪性能的影响。试验结果表明：随着水平配筋率、轴压比和混凝土强度的增加受剪承载力提高;随着剪跨比提高,墙体受剪承载力降低;轴压比增加可提高墙体刚度,推迟墙体裂缝的出现,但不利于墙体延性;增加水平配筋可使墙体峰值后的承载力保持稳定。研究表明：CTSRC剪力墙与传统钢筋混凝土剪力墙的破坏特征和受力性能不同,在水平力作用下将出现沿冷弯薄壁型钢的竖向裂缝,经历整体墙到分缝墙的演变,避免了脆性剪切破坏。通过合理设计,CTSRC剪力墙可实现正常使用阶段有较高的刚度、峰值后有较好的延性、破坏时仍具有较高的竖向承载能力的目标。     

冷弯薄壁型钢组合墙体的抗震性能研究

为了研究冷弯薄壁型钢组合墙体的抗震性能,对10块冷弯薄壁型钢组合墙体足尺模型进行水平低周反复荷载试验,总结各试件的主要破坏形态和破坏过程,分析组合墙体的滞回曲线、骨架曲线、承载能力、延性、刚度退化和耗能等抗震性能指标。并在回归分析试验所得滞回曲线的基础上,考虑试件刚度退化、滑移及捏拢效应等影响,建立冷弯薄壁型钢组合墙体的退化四线型恢复力模型。研究表明:墙面板材料特性对冷弯薄壁型钢结构组合墙体的抗剪承载力影响较大;竖向荷载的施加使得组合墙体的刚度增大、承载力提高、位移延性系数提高,但耗能系数略有下降;随着墙架柱尺寸的增大、间距的减少,组合墙体的刚度和承载力增加,但是延性和耗能系数降低。