冷弯薄壁型钢低层住宅墙柱体系轴压性能理论与试验研究

摘要

由冷弯薄壁型钢骨架和墙板组合的结构体系是轻钢低层住宅中一种富有特色的新型结构体系。由钢立柱两侧翼缘和石膏板、OSB板通过自钻螺钉相连而形成的墙柱体系是此种结构的主要竖向承重单元。本文的研究目的是得到墙柱体系在轴心荷载作用下的极限荷载和破坏模式。墙柱体系在理论分析时可将墙板简化为沿立柱高度方向连续分布的侧向支撑弹簧。本文采用能量法建立了双侧不同材料墙板和单侧墙板支撑立柱的总势能方程，按一端简支一端固定的边界条件建立了变形函数，通过变分原理，首次推导出双侧不同材料墙板和单侧墙板支撑立柱弹性屈曲荷载的计算公式。本文建立了试验构件的有限元分析模型，用壳单元模拟立柱和墙板，梁单元模拟连接立柱和墙板的自钻螺钉。通过材性试验确定立柱和墙板的材性参数取值，分析过程中考虑材料和几何双重非线性，得到了立柱的极限荷载和破坏模式。在试验研究方面，首先，对钢材和墙板进行了材性试验，得到了材料的弹性模量和强度；由于墙板和立柱是通过自钻螺钉连接在一起，因此对钢板-墙板之间由自钻螺钉相连的抗剪性能进行了试验研究，得到了连接件的剪切刚度。其次，进行了单根立柱的轴压性能试验，通过夹具和刀铰支座的共同作用，实现了两端简支的边界条件，得到了立柱极限荷载和破坏模式。再次，无墙板钢骨架通常有钢带支撑、槽钢支撑和十字交叉钢带支撑三种支撑形式，通过对三种类型支撑在轴心荷载下的足尺试验，得到了钢骨架的极限荷载和破坏模式。最后，对墙柱体系进行了试验，分别考虑单侧面板和双侧面板对立柱支撑，并考虑墙板材料、螺钉间距、立柱间距和腹板孔洞对极限荷载和破坏模式的影响。从上述研究，可以得出以下结论：(1)试验值与有限元数值非常接近，表明本文建立的有限元模型是正确的。(2)对于钢骨架，试验表明支撑能够将立柱极限荷载提高20％。(3)对于墙柱体系，试验表明双侧墙板支撑立柱的极限荷载是钢骨架的两倍，单侧墙板支撑比钢骨架提高25％。墙板对立柱的支撑作用是明显的。(4)刀口支座和专用夹具配合使用能较好的模拟单根立柱的简支边界条件。用中国冷弯薄壁型钢规范计算厚度小于2mm的轴心受压构件是安全的。(5)钢骨架立柱极限荷载的试验值与规范值基本一致，表明本文提出的计算长度系数的建议取值是合理的和可行的。(6)本文按中国规范推导出的简化公式，用来计算单侧或双侧墙板支撑立柱的极限荷载是准确的。关键词：冷弯薄壁型钢，低层住宅，钢骨架，墙板支撑，墙柱体系，弹簧模型，有限元分析，轴心荷载，足尺试验，计算长度系数，简化设计公式

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1冷弯薄壁型钢低层住宅体系概述

1.2冷弯薄壁型钢墙柱结构体系

1.3墙柱体系的研究背景及意义

1.4墙柱体系的国内外研究概况

1.4.1国外研究概况

1.4.2国内研究概况

1.5本文的主要研究内容

1.6本文所解决的关键问题和创新点

第2章弹簧支撑轴心受压构件稳定问题理论解

2.1基本假设

2.2平衡法求解

2.2.1 平衡微分方程的建立

2.2.2两端简支单轴对称截面屈曲荷载

2.3能量法求解

2.3.1.双侧有墙板立柱的屈曲荷载

2.3.2.单侧有墙板立柱的屈曲荷载

2.4北美轻钢规范关于蒙皮支撑构件求解方法

2.4.1.名义屈曲应力的确定

2.4.2.均匀受压板件有效面积的确定

2.5中国轻钢规范关于轴心受压构件稳定问题的求解

2.5.1.极限荷载承载力确定

2.5.2.有效面积的确定

2.6中美两国轻钢规范比较

2.6.1.轴压构件极限屈曲应力对比

2.6.2.有效截面面积对比

2.6.3.极限荷载与正则化长细比之间的关系

第3章墙柱体系的有限元模拟

3.1三维模型的建立

3.2单元类型的选择

3.3材料特性的定义

3.4位移约束及荷载的施加

3.5初始缺陷的引入

3.6残余应力和冷弯效应的影响

第4章墙柱体系轴压性能试验研究

4.1材性试验

4.1.1钢带的材性试验

4.1.2墙板材性试验

4.1.3连接件的抗剪试验

4.2单根长柱轴压试验

4.2.1试验目的

4.2.2试验内容

4.2.3试验装置

4.2.4试验准备和测点布置

4.2.5试验加载及数据采集

4.2.6试验结果分析

4.3钢骨架轴压试验

4.3.1试验目的

4.3.2试验内容

4.3.3试验装置

4.3.4试验准备和测点布置

4.3.5试件加载及数据采集

4.3.6试验结果分析

4.4墙柱体系轴压试验

4.4.1 试验目的

4.4.2试验内容

4.4.3试验装置

4.4.4试验准备和测点布置

4.4.5试件加载及数据采集

4.4.6试验结果分析

第5章理论、有限元和试验结果分析比较

5.1单根长柱轴压性能结果比较

5.1.1极限荷载和破坏模式对比

5.1.2 荷载—位移曲线对比

5.2钢骨架轴压性能结果比较

5.2.1 计算长度系数的确定

5.2.2极限荷载与破坏模式比较

5.3墙柱体系轴压性能结果比较

5.3.1墙板支撑立柱弹性临界屈曲应力

5.3.2理论计算值、有限元结果和试验值比较

5.3.3弹性临界屈曲应力的简化计算公式

5.3.4墙柱体系立柱极限荷载中国规范计算公式

第6章结论与展望

6.1结论

6.1.1在理论研究方面

6.1.2在试验研究方面

6.1.3对中国轻钢规范关于轴心受压构件部分的扩展

6.2进一步工作的方向

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果