冷成型钢龙骨-覆面板材自攻螺钉连接件力学性能试验研究

摘要

冷成型钢结构作为一种新型结构体系，具有材料质轻、节能环保、施工便捷等优点。该结构体系的主要抗侧构件为冷成型钢复合剪力墙，其由覆面板材与冷成型钢龙骨通过自攻螺钉连接而成，现有研究表明，钢龙骨与覆面板材之间连接的破坏是剪力墙破坏的主要原因。为了充分了解组合墙体的受力性能，需要对自攻螺钉连接件的力学性能展开研究。因此，本文对四种类型冷成型钢龙骨-覆面板材自攻螺钉连接件的力学性能进行试验研究，拟合其骨架曲线模型和滞回模型，并运用有限元软件对连接件进行数值模拟。主要内容及结论如下： 首先，通过材性试验得到了中、低密度波特板两种新型覆面板材的弹性模量、静曲强度和泊松比，为连接件力学性能的数值模拟提供基础数据；针对试验装置的局限性，并结合现阶段新型板材研究不足以及未考虑螺钉受力状况等问题，本文设计了一种新型试验装置，对42组钢龙骨-覆面板材自攻螺钉连接件进行抗剪试验，研究板材类型（石膏板、刨花板和中、低密度波特板，其中，中、低密度波特板重点研究）、螺钉边距、加载方式、螺钉受力状况（剪力平行于板边和剪力垂直于板边）以及螺钉数量对冷成型钢龙骨-覆面板材自攻螺钉连接件力学性能的影响。试验结果表明：中、低密度波特板连接件单向拉伸时均发生了板材的脆性破坏，而单向受压时连接件破坏呈延性；板材类型、螺钉数量和加载方式对连接件的峰值荷载均具有显著影响，其中中密度波特板连接件的峰值荷载比低密度波特板连接件的峰值荷载高48%～95%，单根自攻螺钉连接件的峰值荷载比多根自攻螺钉连接件中单颗螺钉的峰值荷载高约30%；仅剪力垂直于板边、单向受拉工况，螺钉边距对连接件峰值荷载的影响较大，螺钉边距每增加5mm，连接件峰值荷载增加约30%；单向拉伸工况，螺钉受力状况对连接件力学性能影响明显，剪力平行于板边时连接件的峰值荷载和峰值位移较大。 然后，考虑到连接件荷载-位移曲线对组合墙体数值模拟精度具有直接影响，为了提高墙体数值模拟的可靠性和准确性，基于试验结果，建立了连接件的具体恢复力模型。对于单调荷载工况，骨架曲线采用改进的“Forschi”指数函数模型，模型相关参数根据试验数据求解得到，该模型曲线与试验曲线吻合良好；对于低周反复荷载工况，骨架曲线和滞回曲线分别采用四段线模型和Pivot定点指向模型，并根据试验数据利用SAP2000得到连接件的恢复力模型，该模型能够体现试验试件的耗能、强度退化、刚度退化等特征。 最后，采用ABAQUS有限元软件对冷成型钢龙骨-覆面板材自攻螺钉连接件单调受拉工况的力学性能进行数值模拟。有限元模型采用C3D8R实体单元，考虑材料非线性和接触非线性，并对自攻螺钉进行了合理简化，忽略螺钉旋入时产生的预紧力。有限元模拟得到的连接件破坏模式与试验结果吻合良好，且模拟得到的峰值荷载与试验结果的误差基本在20%以内，均表明本文所提有限元模拟方法是行之有效的。

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