墻體抗剪性能研究摘  要：對無豎向力水平單調(diào)加載和有豎向力低周反復(fù)加載兩種加載方式下的2榀高強(qiáng)冷彎型鋼骨架帶交叉支撐墻體抗剪性能進(jìn)行足尺試件試驗(yàn)研究。在單調(diào)加載墻體模型得到試驗(yàn)充分驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對影響墻體抗剪性能的5個(gè)因素進(jìn)行有限元參數(shù)分析。分析結(jié)果表明：立柱間距、交叉支撐截面對墻體抗剪承載力影響較小；隨立柱截面尺寸的增大，墻體抗剪承載力增加；隨豎向荷載值的增加，墻體抗剪承載力降低；單面設(shè)置交叉支撐墻體比雙面設(shè)置交叉支撐墻體的承載力降低幅度較大。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)冷彎型鋼骨架帶交叉支撐墻體；抗剪性能；試驗(yàn)研究；有限元參數(shù)分析
0  引  言
    鋼結(jié)構(gòu)公司冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅是輕鋼低層住宅中一種富有特色的新型結(jié)構(gòu)體系，具有高性能、輕質(zhì)、產(chǎn)業(yè)化、環(huán)保等顯著特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)形式源于木結(jié)構(gòu)低層別墅住宅，一般適用于2層或局部3層以下的獨(dú)立或聯(lián)排住宅，墻體立柱間距400～600 mm。墻體骨架是該種住宅體系的豎向承重單元，它通常和石膏板、OSB板、膠合板以及薄鋼板等通過自攻螺釘連接組成抗剪墻體，為了提高墻體的抗剪承載力，往往在墻體中布置扁鋼交叉支撐。至今，國內(nèi)外對冷彎型鋼覆板墻體的抗剪性能做了大量的研究u_6l，但對帶交叉支撐墻體研究甚少口]，尤其是對高強(qiáng)冷彎型鋼骨架帶交叉支撐墻體抗剪性能的研究尚未見報(bào)道。因此，本文對屈服強(qiáng)度為550 MPa高強(qiáng)冷彎型鋼骨架帶交叉支撐墻體抗剪性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上對可能影響墻體抗剪性能的5種因素進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得出了一些有益結(jié)論，可供該類墻體的工程應(yīng)用和理論分析參考。

1  試驗(yàn)研究
1．1試驗(yàn)試件
    本次試驗(yàn)的2榀墻體試件取與博思格鋼結(jié)構(gòu)建筑系統(tǒng)在實(shí)際工程中采用的墻體基本相同的1：1模型試件，并在試驗(yàn)現(xiàn)場拼裝制作，試件編號及加載方式見表1。墻體試件的立柱為C型550 MPa高強(qiáng)冷彎型鋼，柱腹板上有兩道加勁肋，立柱間距均為600 mm；上下導(dǎo)軌為550 MPa高強(qiáng)冷彎槽鋼；墻體試件中間3根立柱為單根C型冷彎型鋼；兩側(cè)邊立柱為兩根背靠背的C型冷彎型鋼，通過在型鋼腹板上用單排平頭自攻自鉆螺釘(直徑4．8 mm，間距600 mm)連接成工字型截面；立柱、導(dǎo)軌尺寸見圖
1，墻體試件見圖2。
    鋼結(jié)構(gòu)墻體試件的兩端底角設(shè)有M16抗拔螺栓，通過專用帶懸臂板的抗拔連接件用六角螺釘(直徑4．8 mm)連接在邊柱腹板上，由于立柱端部構(gòu)造原因，墻體試件抗拔連接件距柱底面85 mm；墻體試件上下導(dǎo)軌在兩端抗拔螺栓之間設(shè)置有間距600 mm與試驗(yàn)架頂梁和地梁連接的M12固定錨栓；交叉扁鋼拉條支撐寬75 mm，厚l mm，在墻體試件兩面均設(shè)置。
1．2鋼結(jié)構(gòu)鋼材材料屬性
    試件中鋼材為550 MPa鍍鋁鋅板材，單面鍍層厚度約20～30肚m，基材厚度￡為O．75，1．0 mm兩種，每種厚度制作試件數(shù)量6個(gè)，同一種厚度的試件取材于同一批鋼板，試件取樣均為平行軋制方向。
材性試驗(yàn)結(jié)果見表2。
1．3試驗(yàn)裝置、測點(diǎn)布置及試驗(yàn)結(jié)果
    鋼結(jié)構(gòu)加豎向荷載的墻體試驗(yàn)裝置如圖3所示。無豎向荷載的墻體試驗(yàn)裝置簡圖只需在圖3中去掉千斤頂、加載分配梁等即可。
    為了測試墻體抗剪試驗(yàn)中試件、加載裝置等各部位的變形值，并通過這些變形值間的關(guān)系換算出墻體的凈剪切變形值，兩試件分別按圖4所示布置了位移計(jì)，其中D，、Dz分別測試試件加載頂梁和試件頂部隨作動(dòng)器變化的位移值，D^、D。用于測試試件與加載底座間的相對滑動(dòng)位移值，D。、D。分別測試試件垂直方向相對地面的位移值，D，、D。分別測試垂直方向底座相對地面的位移值，D。則測試試驗(yàn)中墻體面外位移值；同時(shí)，電液伺服作動(dòng)器自身的位移傳感器所記錄的位移值。
    試件最大抗剪承載力和破壞模式見表3，荷載一位移(P一△)曲線見圖5。2有限元分析模型的建立與驗(yàn)證
2．1有限元分析模型的建立
    本文采用ANSYS通用有限元程序?qū)�單調(diào)加載試驗(yàn)試件進(jìn)行了精確模擬。有限元模型中墻體各構(gòu)件均選取塑性殼單元Shelll81來模擬，高強(qiáng)鋼材應(yīng)力一應(yīng)變曲線幾乎沒有強(qiáng)化階段眵’，故本文有限元分析中高強(qiáng)度鋼材采用理想彈塑性模型。有限元模型驗(yàn)證階段采用表2中試驗(yàn)材性，參數(shù)分析階段彈性模量E統(tǒng)一取為2．06×10。MPa，泊松比取為O．3，材料屈服準(zhǔn)則選用Von Mises屈服準(zhǔn)則。有限元分析模型同時(shí)考慮材料非線性和幾何非線性。
    鋼結(jié)構(gòu)單元網(wǎng)格劃分時(shí)，墻體立柱單元網(wǎng)格沿立柱長度方向取25 mm，沿寬度方向取立柱寬度的1／4；交叉扁鋼拉條單元網(wǎng)格沿拉條長度方向取25 mm，沿寬度方向取拉條寬度的1／2；上導(dǎo)軌、下導(dǎo)軌及剛性撐桿單元網(wǎng)格沿試件長度方向取50 mm，沿寬度方向取相應(yīng)試件寬度的1／4。結(jié)合試驗(yàn)邊界條件，耦合墻體上導(dǎo)軌所有節(jié)點(diǎn)沿加載方向的平動(dòng)自由度，以模擬加載頂梁的作用；約束墻體上導(dǎo)軌平面外的平動(dòng)自由度，以模擬墻體頂部的側(cè)向滾動(dòng)支撐；約束下導(dǎo)軌與試驗(yàn)加載底梁錨栓連接處的z、兒z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度，并約束下導(dǎo)軌與立柱沿豎向的平動(dòng)自由度，以模擬下導(dǎo)軌與加載底梁連接處的M12錨栓作用以及加載底梁對墻體的約束作用；對墻體邊立柱腳部的抗拔連接件，有限元模型中通過約束試驗(yàn)墻體抗拔連接件最上面一排螺釘處的邊立柱腹板節(jié)點(diǎn)z、∥、z三個(gè)方向的位移來模擬；交叉扁鋼拉條與立柱相交處自攻螺釘連接，通過耦合該處拉條和立柱相應(yīng)節(jié)點(diǎn)z、兒z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度來模擬。模型采用位移控制加載方法進(jìn)行分析。墻體有限元分析模型如圖6所示。
2．2有限元分析模型的驗(yàn)證
    本文將單調(diào)加載試驗(yàn)墻體與其相應(yīng)的有限元模型最大抗剪承載力、荷載  側(cè)向位移曲線進(jìn)行了對比，最大抗剪承載力對比結(jié)果見表4，荷載一側(cè)向位移曲線對比結(jié)果見圖7。
    由表4和圖7可知，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較接近，說明本文建立的高強(qiáng)冷彎型鋼骨架帶交叉支撐墻體抗剪性能有限元分析模型是正確可靠的，可以作為后續(xù)有限元參數(shù)分析的依據(jù)。
3．1  立柱間距對墻體抗剪性能的影響
    鋼結(jié)構(gòu)廠房對于冷彎C型鋼截面的墻體立柱，通常立柱間距取為400～600 mm。有限元模型中的墻體立柱間距為600 mm，故本文將墻體立柱間距調(diào)整為4。0 mm來研究墻體立柱間距的改變對墻體抗剪承載力的影響，最大抗剪承載力見表5。由表5可知，立柱間距400 mm的墻體比立柱間距600 mm的墻體抗剪承載力提高2．4％，說明立柱間距加密對高強(qiáng)冷彎型鋼骨架帶交叉支撐墻體抗剪承載力影響不大。
3．2  立柱截面尺寸對墻體抗剪性能的影響
    鋼結(jié)構(gòu)以WB75—1有限元模型為基礎(chǔ)，通過改變立柱截面尺寸來研究高強(qiáng)冷彎型鋼骨架帶交叉支撐墻體抗剪性能的變化。墻體立柱C型截面大小取3種規(guī)格：C75×40×8、C100×50×10和C120×60×12；截面厚度取3種厚度：0．6，0．75，1．0 mm。最大抗剪承載力見表6。
    由表6中數(shù)據(jù)可見，立柱厚度對墻體承載力的影響較大，在截面大小不變的情況下，1．O mm厚度的承載力比0．6’mm厚度的提高3．45～6．5 kN，提高幅度為38％～58 9／6；而對于立柱截面，在厚度相同的情況下，截面C1()(]×50×10比C75×40×8承載力提高1．75～4．68 kN，提高幅度為19％～43％；而截面C120×60×12相對c1。0×50×10承載力只提高了1．07～1．86 kN，提高幅度為8％～16％，提高幅度較小。由此可見，增加立柱截面，墻體抗剪承載力提高，墻體立柱厚度增加對墻體抗剪承載力的提高很有幫助，但是，柱截面達(dá)到一定尺寸后，再提高立柱截面對承載力影響較小。
3．3  交叉支撐截面尺寸對墻體抗剪性能的影響
    考察交叉支撐截面尺寸的變化對墻體抗剪承載力的影響。鋼結(jié)構(gòu)交叉支撐截面寬度取兩種：75，100 mm，截面厚度取：O．6，O．75，1．O mm。最大抗剪承載力分析結(jié)果見表7。
    由表7可知，在截面寬度不變的情況下，O．75 InIn厚度的承載力比0．6 ITlIn厚度的提高0．53～O．71 kN，提高幅度為6．7％～8．4％；1．O rnrn厚度的承載力比O．75 mI-n厚度的提高O．67～1．11 kN，提高幅度為7．3％～13％；在厚度相同的情況下，100 ITllT-寬的拉條比75 mm寬的拉條承載力提高了O．25～O．69 kN，提高幅度為2．6％～8．2％。由此可見，隨著交叉支撐截面尺寸的增加，墻體的抗剪承載力增加幅度不大，即交叉支撐截面尺寸的改變對墻體抗剪承載力影響較小。
3．4單面設(shè)置交叉支撐對墻體抗剪性能的影響
    本文將wB75—1有限元模型中的雙面設(shè)置交叉支撐調(diào)整為單面設(shè)置交叉支撐，來研究交叉支撐設(shè)置的改變對墻體抗剪承載力的影響，分析結(jié)果見表8。由表8可知，單面設(shè)置交叉支撐墻體抗剪承載力比雙面設(shè)置交叉支撐墻體抗剪承載力降低40％，降低幅度較大。表明：墻體構(gòu)件材料利用不充分。故實(shí)際工程應(yīng)用中不建議使用單面設(shè)置交叉支撐墻體。
3．5  豎向力對墻體抗剪性能的影響
    為了研究在墻體上作用的豎向力大小對墻體抗剪性能的影響，鋼結(jié)構(gòu)本文以wB75—1有限元模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行了豎向力影響分析，最大抗剪承載力分析結(jié)果見表9。表9表明，施加30 kN豎向力時(shí)，墻體抗剪承載力比未施加豎向力降低1．5％，施加45 kN豎向力時(shí)，墻體抗剪承載力比未施加豎向力降低10％。由此可見，隨著豎向荷載的增加，墻體抗剪承載力降低，施加較小的豎向力對墻體抗剪承載力影響較小，施加較大的豎向力對墻體抗剪承載力影響顯著。
4  結(jié)  論
    1)墻體立柱間距加密，交叉支撐墻體抗剪承載力略有增加，但承載力提高幅度較小，表明立柱間距加密對此類墻體抗剪承載力影響很小。
    2)立柱截面的變化對墻體抗剪承載力影響較大。立柱截面增大，墻體抗剪承載力提高，墻體立柱厚度增加對墻體抗剪承載力的提高很有幫助。但柱截面達(dá)到一定尺寸后，再提高立柱截面尺寸和厚度，對承載力影響較小。
    3)交叉支撐截面的改變對墻體抗剪承載力影響較小。
    4)單面設(shè)置交叉支撐墻體比雙面設(shè)置交叉支撐墻體的承載力降低幅度較大，抗剪承載力是雙面設(shè)置支撐墻體的60％。單面設(shè)置交叉支撐墻體破壞時(shí)，構(gòu)件材料強(qiáng)度沒有得到充分利用，因此構(gòu)造是不
合理的，實(shí)際工程應(yīng)用中不應(yīng)采用這種墻體構(gòu)造。
    5)隨著豎向荷載的增加，墻體抗剪承載力降低。施加較小的豎向力對墻體抗剪承載力影響較小，施加較大的豎向力對墻體抗剪承載力影響顯著。