新型钢木结合冷弯薄壁型钢组合墙体研究

李会红　白润山　王雪峰　王雪青　徐　佳

(河北建筑工程学院，河北 张家口　075000)

1　概述

冷弯薄壁型钢结构住宅体系具有一系列优点，这种体系已成为美国、澳大利亚等西方发达国家和日本住宅建筑的重要形式。随着我国房地产经济的发展，农村自建房的建造量大量增加，占全国每年新建、改建住宅总量的1/2左右，中国传统的住宅有其优点，但是在选材和建造上存在着国土资源浪费、生态破坏严重和能耗大、舒适性差等问题，因此改变传统住宅是当前我国建筑行业的一个重要课题[1],冷弯薄壁型钢结构住宅是主要发展方向之一。

冷弯薄壁型钢住宅的组合墙体是其主要的承重构件，现有的典型冷弯薄壁型钢墙体有C型钢立柱冷弯簿壁型钢密柱组合墙体和新型的Web轻钢龙骨组合墙体两种。组合墙体由冷弯薄壁型钢骨架和定向刨花板等面板材料通过自攻螺钉牢固连接在一起形成一个整体共同受力。C型钢立柱冷弯簿壁型钢密柱组合墙体体系如图1所示。

新型的Web轻钢龙骨组合墙体体系如图2所示，Web轻钢龙骨组合墙体的立柱是由冷弯薄壁V字形钢连接件与两根冷弯薄壁型方钢管而成的小桁架。

2　新型钢木结合冷弯薄壁型钢组合墙体研究

2.1　新型钢木结合冷弯薄壁型钢组合墙体设计

参考已有两种形式的冷弯薄壁型钢组合墙体体系，提出了一种新型的冷弯薄壁型钢组合墙体即冷弯薄壁型钢—木组合墙体。

该组合墙体的设计思路是用木质构件连接两边的槽型冷弯薄壁型钢，组合形成小桁架立柱，该新型组合墙体第一种设计方案是用槽型冷弯薄壁型钢和木方组合形成钢木结合的小桁架作为冷弯薄壁型钢组合墙体骨架的立柱，其结构如图3所示。第二种设计方案是用槽型冷弯薄壁型钢和欧松板板带组合成C型立柱，其结构如图4所示。

2.2　新型钢木结合冷弯薄壁型钢组合墙体的有限元分析

2.2.1有限元模型的建模依据

本文建立有限元模型运用的是冷弯型钢组合墙体抗剪承载力试验研究[2]和冷弯薄壁型钢结构住宅组合墙体受剪性能研究[3]这两篇文章所提供的方法，该方法验证了一种精度较高的建模分析方法，也是ANSYS分析冷弯薄壁型钢组合墙体运用较多的一种方法。

需要说明的是，根据传统木结构的整体有限元分析这篇文章中提到，考虑到木构架材质主要发挥其顺纹力学性质，可以将材料近似看作各向同性。因此本文将木材认为是各向异性的弹塑性材料来对结构进行分析。

2.2.2各材料属性及加载方式和边界条件设定

组合墙体各部分使用的材料特性的设定如表1所示。

表1　组合墙体材料特性表

组合墙体有限元模型的加载及边界条件设定如下：

约束组合墙体有限元模型底梁腹板节点加立柱底面节点的所有自由度以保证组合墙体不发生滑移和拔起破坏。约束组合墙体顶梁腹板节点垂直墙体平面的平动自由度即Y向平动自由度以保证组合墙体在墙体平面内移动。

加载时耦合组合墙体顶梁腹板上的节点水平方向的自由度，使其在荷载作用下做刚体平动，将荷载施加荷载组合墙体顶梁腹板节点耦合处，采用以力控制加载的方法。约束和加载设置如图5所示。

2.2.3新型组合墙体与典型C型钢立柱组合墙体有限元分析结果的比较

本节将对方案一、二墙体与典型C型钢立柱墙体在相同的约束条件下进行力学性能对比，以验证新型墙体设计的合理性，因此建立如表2所示的墙体有限元模型，并进行分析。G-MZHQ1,G-MZHQ2和DXQC分别代表方案一、方案二和典型C型钢立柱墙体。

表2　组合墙体有限元模型数据列表

将G-MZHQ1进行单调加载的有限元分析结果得到的荷载—位移曲线数据加载至origin中经分析处理得到的结构构件特征荷载示意图如图6所示。

在60 kN竖向荷载作用下，横向单调加载，通过结构构件特征荷载示意图我们可以得到G-MZHQ1墙体水平抗剪承载力的最大值Pmax=58.22 kN，与之对应的顶端最大位移Δmax=28.35 mm，屈服荷载Py=51.33 kN，与之对应的顶端位移Δy=10.89 mm，破坏荷载Pu=53.75 kN，与之对应的顶端位移Δu=35 mm。得墙体G-MZHQ1墙体的延性系数μ=3.21，根据定义可得墙体屈服时抵抗侧向位移的刚度Ky=4.71 kN/mm，达到最大荷载时抵抗侧向位移的刚度Kmax=2.05 kN/mm，单位宽度墙体的最大抗剪承载力为24.26 kN/m，单位宽度墙体的抗剪屈服承载力为21.39 kN/m。

将G-MZHQ2进行单调加载的有限元分析结果得到的荷载—位移曲线数据加载至origin中经分析处理得到的结构构件特征荷载示意图如图7所示。

通过结构构件特征荷载示意图我们可以得到G-MZHQ2墙体水平抗剪承载力的最大值Pmax=78.11 kN，与之对应的顶端最大位移Δmax=12.22 mm，屈服荷载Py=75.31 kN，与之对应的顶端位移Δy=10.81 mm，破坏荷载Pu=77.33 kN，与之对应的顶端位移Δu=13 mm。得墙体G-MZH2墙体的延性系数μ=1.27，根据定义可得墙体屈服时抵抗侧向位移的刚度Ky=6.91 kN/mm，达到最大荷载时抵抗侧向位移的刚度Kmax=5.75 kN/mm，单位宽度墙体的最大抗剪承载力为34.48 kN/m，单位宽度墙体的抗剪屈服承载力为32.92 kN/m。

ANSYS分析DXQC墙体得到特征荷载示意图如图8所示。

我们可以得到DXQC墙体水平抗剪承载力的最大值Pmax=79.33 kN，与之对应的顶端最大位移Δmax=13.00 mm，屈服荷载Py=76 kN，与之对应的顶端位移Δy=10.75 mm，DXQC墙体的延性系数μ=1.21，根据定义可得墙体屈服时抵抗侧向位移的刚度Ky=7.05 kN/mm，达到最大荷载时抵抗侧向位移的刚度Kmax=6.10 kN/mm，单位宽度墙体的最大抗剪承载力为33.05 kN/m，单位宽度墙体的抗剪屈服承载力为31.67 kN/m。得到典型C型钢立柱墙体与新型墙体性能对比结果如表3所示。

表3　典型C型钢立柱墙体与新型墙体性能对比结果

参数PmaxkNΔmaxmmPykNΔymmμKykN/mmKmaxkN/mmPmax/2.4kN/mPy/2.4kN/mDXQC79.3313.007610.751.217.056.1033.0531.67G-MZHQ158.2228.3551.3310.893.214.712.0524.2621.39G-MZHQ278.1112.2275.3110.811.276.976.3932.5431.38

由表3可知，在相同的约束条件下与典型C型钢立柱墙体相比，方案一的墙体，Pmax减小26.61%，Δmax增加118.08%，Py减小32.46%，Δy增加1.30%。延性系数μ增加165.29%，Ky减小33.19%，Kmax减小66.39%，单位宽度墙体的最大抗剪承载力减小26.60%，单位宽度墙体的抗剪屈服承载力减小32.46%。

在相同的约束条件下与典型C型钢立柱墙体相比，方案二的墙体，Pmax减小1.54%，Δmax减小6%，Py减小0.91%，Δy减小0.56%。延性系数μ增加4.96%，Ky减小1.13%，Kmax增加4.75%，单位宽度墙体的最大抗剪承载力减小1.54%，单位宽度墙体的抗剪屈服承载力减小0.92%。

由此可知方案一墙体的强度和刚度都没有典型C型钢立柱墙体的好，但方案一墙体延性明显优于典型C型钢立柱墙体的延性。方案二墙体的强度和刚度都没有典型C型钢立柱墙体的好，方案二墙体延性比典型C型钢立柱墙体的延性好，但相差都不大。

3　结语

本文主要通过ANSYS分析了新型钢—木结合的冷弯薄壁型钢墙体水平抗剪承载力，通过新型钢—木结合的冷弯薄壁型钢墙体与典型C型钢立柱墙体的对比验证了新型墙体设计的合理性。结果显示方案一墙体的延性整体上比典型C型钢立柱墙体和方案二墙体的好，方案一墙体的强度和刚度整体上没有典型C型钢立柱墙体和方案二墙体的好，典型C型钢立柱墙体和方案二墙体的各项性能都比较接近。

参考文献:

[1]周绪红,石宇,周天华.低层冷弯薄壁型钢结构住宅体系[J].建筑科学与工程学报,2005,22(2)：1-14.

[2]周绪红,石宇,周天华,等.冷弯薄壁型钢组合墙体抗剪性能试验研究[J].土木工程学报,2010,43(5)：39-44.

[3]周绪红,石宇,周天华,等.冷弯薄壁型钢结构住宅组合墙体受剪性能研究[J].建筑结构学报,2006,27(3)：42-47.

[4]薛发,刘定荣.冷弯薄壁型钢住宅体系及其在中国的应用和发展[J].建筑技术及设计,2008,13(2)：82-85.

[5]周绪红,娄乃琳.低层冷弯薄壁型钢结构装配式住宅及其产品标准[J].住宅产业,2004(11)：66-67.