冷弯薄壁型钢框架剪力墙自攻螺钉节点的试验研究

通过两组OSB板与冷弯薄壁型钢的自攻螺钉连接性能单向拉伸试验,得到了两个方向自攻螺钉的荷载-位移曲线以及各自的平均曲线,并应用数值方法拟合出2条多项式曲线,为冷弯薄壁型钢组合框架剪力墙的有限元分析提供了必要的基础数据。

不同构造木、冷弯薄壁C型钢组合框架剪力墙受力性能的试验研究

由木规格材作为顶梁板和底梁板的冷弯薄壁型钢木结构是一种新型结构体系。通过对4组不同间距墙骨柱和不同间距自攻螺钉组成的冷弯薄壁型钢木框架组合剪力墙进行单向加载和反复加载试验,得到了该体系墙体的破坏形态、抗剪强度、抗侧刚度、荷载-位移等受力性能。试验结果表明:与标准构造的剪力墙相比,随着墙骨柱和边框架自攻螺钉间距的减小,剪力墙的抗剪强度和抗侧刚度提高;墙骨柱间距不同对剪力墙的影响大于自攻螺钉间距的影响。

冷弯薄壁型钢框架-开缝钢板剪力墙力学性能研究

为研究适用于低层和多层冷弯薄壁型钢建筑的冷弯薄壁型钢框架-开缝钢板剪力墙(Cold-formed steel Framed Shear Wall with Slits,简称CFS-WS),该文开展了1面普通CFS-WS和3面加劲CFS-WS的拟静力试验,得到了CFS-WS的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线和耗能能力等力学性能,提出了其抗剪承载力设计值。试验结果表明:CFS-WS加载时依靠竖缝间钢板“扭转-恢复-逆向扭转”和型钢框架变形来共同抵抗水平荷载和耗散能量,试件破坏时钢板撕裂,帽形柱端部屈曲;CFS-WS具有良好的承载力、塑性、延性和耗能能力,但其滞回曲线捏缩现象较为严重;加劲CFS-WS较普通CFS-WS而言,其抗剪刚度、承载能力和耗能能力更高,滞回曲线捏缩现象有所减轻。此外,通过加劲肋连接件将加劲肋和冷弯薄壁型钢梁柱连接成钢框架,可有效提高CFS-WS的前期抗剪刚度、承载力和耗能能力,大大改善结构的抗震性能。

钢框架-冷弯薄壁型钢剪力墙结构抗震性能试验研究

对钢框架-冷弯薄壁型钢剪力墙结构足尺试件进行水平低周往复加载试验,得到延性、耗能能力、刚度及承载力等指标,考察该类结构的破坏模式和耗能机理。对有无钢框架约束的冷弯薄壁型钢墙体进行比较,发现受钢框架四周约束的冷弯薄壁型钢墙体整体性增强,塑性性能得到改善,杆件材料利用率增加,可以充分发挥剪力墙的作用。钢框架-冷弯薄壁型钢剪力墙结构滞回曲线饱满、下降段承载力只略有降低,与钢框架-钢板剪力墙结构表现类似,优于与框架柱未连接的情况。试验结果表明,冷弯薄壁型钢剪力墙利用自身变形来充分发挥耗能作用,与钢框架之间耦合效应显著,整体侧向刚度大,延性系数达3.33,具有良好稳定的抗震性能。

六层足尺冷弯薄壁型钢钢板剪力墙结构房屋抗震性能振动台试验研究

冷弯薄壁型钢结构具有结构自重轻、绿色环保、装配化程度高、施工周期短等优点,在5·12汶川大地震灾后重建中得到推广应用。目前,冷弯薄壁型钢结构房屋在中国的研究及工程应用主要集中在低层(1~3层)建筑,且墙体构造均为传统覆轻质墙板组合墙体。多层(4~6层)冷弯薄壁型钢结构住宅工程实例较少,且缺少相关试验数据及设计理论支撑。目前,仅有Ye等 [1] 对5层1 ∶2缩尺强边柱冷弯型钢剪力墙结构房屋进行了单一地震波单向输入振动台试验研究;Wang等 [2] 对6层足尺冷弯薄壁型钢剪力墙结构进行了单向输入地震动振动台试验,结构高宽比为2.6。两个试验难以反映多层房屋在双向地震动作用下的真实情况。《冷弯薄壁型钢多层住宅技术标准》(JGJ/T 421—2018)的发布,使多层冷弯薄壁型钢结构住宅有了科学指南,对于多层冷弯结构住宅在建筑行业的发展和应用具有重要的指导意义和促进作用。

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。

水平荷载作用下冷弯薄壁型钢剪力墙的失效机制与设计方法

为研究水平荷载作用下冷弯薄壁型钢剪力墙的失效机制和设计方法,对6片冷弯薄壁型钢剪力墙的足尺试件进行低周反复加载试验,分析了墙体高宽比、墙面蒙皮板配置和边龙骨配置对剪力墙的破坏机理、抗侧刚度、承载力、滞回性能和延性性能的影响.试验结果表明,冷弯薄壁型钢剪力墙在水平荷载作用下的破坏模式可分为剪切破坏和弯曲破坏2类.墙体高宽比、抗剪能力与抗弯能力的强弱配置关系是影响墙体破坏机制的2个重要因素.冷弯薄壁型钢剪力墙的抗侧刚度和承载力能力随着边龙骨配置的增强而增大,随着高宽比的增大而减小.针对抗震性能等级为性能Ⅲ和性能Ⅳ的冷弯薄壁型钢剪力墙,建议进行强弯弱剪设计,放大系数取1.1,以确保剪力墙在地震作用下具备良好的延性.

冷弯薄壁型钢钢管端柱蒙皮钢板剪力墙抗剪性能试验及理论研究

为推动冷弯薄壁型钢结构体系由低层向多层发展,解决传统剪力墙抗剪承载力不足、端柱易发生屈曲和局部承压破坏的技术难题,提出了冷弯薄壁型钢钢管端柱蒙皮钢板剪力墙的新型墙体构造形式,以实现“强端柱、弱墙板”的设计原则。通过水平低周往复加载试验对剪力墙的抗剪性能进行研究,试验结果表明:钢管端柱蒙皮钢板剪力墙的破坏形式为钢板周边螺钉连接破坏导致蒙皮作用失效,钢管端柱未见压屈。减小剪力墙周边自攻螺钉的间距,使钢板拉力带得到充分发展,可提高剪力墙的抗剪承载力、抗侧刚度、延性以及耗能能力。对钢管—钢板自攻螺钉连接试件的抗剪性能进行试验研究,结果表明:螺钉连接试件的破坏特征为钢板的孔壁承压破坏,自攻螺钉群的抗剪承载力具有“群体折减效应”。基于剪力墙和自攻螺钉连接试件的抗剪试验结果,提出了钢管端柱蒙皮钢板剪力墙的抗剪承载力和抗侧刚度的计算方法。研究成果为多层冷弯薄壁型钢结构体系的理论研究和工程应用提供可靠依据。

带刚性斜撑的冷弯薄壁型钢剪力墙抗侧性能试验研究

对3片足尺镁晶板覆面的带刚性斜撑的冷弯薄壁型钢剪力墙进行水平单调和低周往复加载试验,以测试该种冷弯薄壁型钢剪力墙的抗侧性能。通过试验观测了该种剪力墙的破坏过程,获得了墙体的单调荷载-位移曲线、滞回曲线及骨架曲线,并对结构的延性、耗能能力、抗剪承载力、刚度退化及破坏特征进行分析。试验结果表明:边柱屈曲后墙体的刚度迅速降低,墙板在接缝处以及边柱处逐渐与骨架分离,标志着试件发生破坏。在实际工程中,此种墙体应使用与边柱刚度相适配的抗拔件,采用整面覆板并加强接缝处及边柱上的螺钉连接。最后,将试验结果与其他文献中剪力墙的力学性能进行对比,结果表明,试验墙体在保证具有较高抗侧承载力的情况下仍具有较好的延性及耗能性能。

嵌套加强的LQ550高强冷弯薄壁C型钢连续檩条受力性能研究

为提高LQ550级高强冷弯薄壁C型钢连续檩条的承载能力,采用在支座处嵌套的方法来加强连续檩条。对未加强和采用两种嵌套方式加强的檩条共7组试件进行三点受弯试验,得到了试件的承载性能和破坏形态,试验结果表明加强后的试件出现跨中局部屈曲和嵌套端部局部屈曲两种破坏形态。采用ABAQUS软件建立了非线性有限元模型对嵌套加强的檩条进行数值模拟,有限元分析得到的承载力和破坏形态与试验结果吻合良好,验证了有限元模型的准确性。基于验证的有限元模型,分析了两种嵌套方式和不同嵌套长度对檩条承载力的提升,且表明嵌套檩条的长度宜取为连续檩条跨度的1/5~1/4。

模块化冷弯薄壁型钢结构体系低层村镇住宅设计研究

在传统冷弯薄壁型钢结构体系的基础上,从模块化、装配化角度出发,提出了一种适用于低层村镇住宅的新型结构体系——模块化冷弯薄壁型钢结构体系。首先,简述了墙体模块单元的构成,给出了7种通用标准化墙体模块单元,并介绍了基于通用标准化模块单元的村镇模块化户型构建原则及过程;其次,详述了便于快速装配安装的标准墙体单元间模块化连接方式,对模块连接节点进行了受力分析及数值模拟,并给出了模块化冷弯薄壁型钢结构体系构建的原则;最后,重点介绍了适用于所有冷弯薄壁型钢结构体系的抗剪墙长简化设计方法以及基于模块化冷弯薄壁结构体系的抗剪墙长设计方法,并通过实际案例详述了墙长确定过程,同时对比了不同计算方法的抗剪墙长,进一步验证了所提出的抗剪墙长简化设计方法的可行性。结果表明:所提出的模块化冷弯薄壁型钢结构体系可大幅提高冷弯薄壁型钢结构低层村镇住宅的工业化和产品化水平,大幅缩减了工期;所提出的抗剪墙长简化设计方法可显著降低设计门槛,便于该类体系的推广应用。

冷弯薄壁型钢-结构防火一体板自攻螺钉连接性能试验研究

开展冷弯薄壁型钢-结构防火一体板自攻螺钉连接抗剪性能试验研究,完成35个典型试件单调拉伸及低周往复加载试验,分析结构防火一体板厚度、螺钉直径、螺钉端距及加载角度等因素对其抗剪性能的影响。结果表明:不同加载角度及螺钉端距的试件呈现不同的破坏模式,主要包括板材端部撕裂破坏、板材孔壁承压破坏、板材被拉断破坏等,且破坏时试件的自攻螺钉存在不同程度的倾斜。对于试验端分别采用直径为4.8、5.5 mm螺钉的试件,试件的峰值荷载及延性系数与螺钉直径无明显相关性,弹性刚度随着螺钉直径增大而显著提升;随着螺钉端距由15 mm增大至25 mm,试件的弹性刚度无明显变化,而峰值荷载和延性系数提高了约35%;随着板厚由12 mm增大到20 mm,试件的峰值荷载提高了约40%,弹性刚度提高了约90%,延性系数降低了约30%;与加载角度为0°的试件的特征参数相比,加载角度为45°时,试件弹性刚度提高了约100%,峰值荷载及延性系数无明显差别;加载角度为90°时,试件弹性刚度及峰值荷载无明显差别,延性系数降低了约40%。

新型冷弯薄壁型钢板剪力墙抗侧性能试验研究

为了研究新型冷弯薄壁型钢板剪力墙的抗侧性能,以C形+U形龙骨抱合的形式作为剪力墙试件的边柱截面形式,并在边柱之间设置薄钢板,共设计了两种不同宽度的剪力墙试件,对两种剪力墙试件均进行了单调加载和低周往复加载试验。通过试验得到了新型冷弯薄壁型钢板剪力墙在各阶段的荷载及位移特征值、荷载-位移曲线、骨架曲线及破坏形态,并对结构的破坏特征、耗能能力、刚度及承载力退化进行了分析。试验结果表明:新型冷弯薄壁型钢板剪力墙通过边柱之间的薄钢板受力形成钢拉力带与边柱一起共同承受水平荷载,表现出良好的抗侧性能,其破坏形式均为边柱被压溃或撕裂而导致试件破坏;同时发现,减小墙体的高宽比可以提高剪力墙的耗能性能、刚度及承载力,明显改善墙体的抗侧性能。

冷弯薄壁型钢四肢箱形拼合截面柱受压承载能力设计方法

冷弯薄壁型钢四肢箱型拼合截面柱是一种常见拼合柱,主要用于多层冷弯薄壁型钢结构建筑承受集中荷载。对其极限承载力,已有大量试验研究,但仍缺少可靠的设计方法,不便于工程应用。该文基于已有的试验研究成果,建立了相应的数值分析模型,并对模型进行验证。在验证后的数值模型上进行参数分析,分析了具有不同尺寸和构造的冷弯薄壁型钢四肢箱型拼合截面柱承载能力。基于数值法和能量法分别计算拼合截面柱的局部屈曲和整体屈曲弹性临界荷载,并将该临界荷载与美国规范中的直接强度法相结合,提出其极限承载力计算方法。研究结果表明,该文提出的修正方法相较于美国规范中的计算公式精度更高,也偏于安全。

新型波纹钢板覆面冷弯薄壁型钢龙骨式剪力墙抗震性能研究

为提高墙体延性,对4片面板开缝的波纹钢板覆面冷弯薄壁型钢剪力墙足尺试件进行了水平单调加载和循环反复加载试验,研究了加载方式、墙体高宽比、面板开缝等因素对剪力墙抗震性能的影响,得到了各类墙体的承载能力、刚度、延性以及耗能等力学性能指标。研究结果表明:加载方式对开缝剪力墙的抗剪承载力影响不明显;开缝剪力墙的抗剪承载力随高宽比增大而降低;面板开缝使得波纹钢板覆面剪力墙在保持较高的抗剪承载力的同时,延性得以显著提高。此外,利用OpenSees程序建立了冷弯薄壁型钢整体房屋的简化分析模型,对分别设置有开缝及不开缝剪力墙的整体房屋模型的抗倒塌能力进行了比较,结果表明采用面板开缝的波纹钢板覆面剪力墙可有效降低结构的倒塌概率。

冷弯薄壁C型钢-混凝土组合梁抗弯性能试验研究及有限元分析

为探究冷弯薄壁C型钢-混凝土组合梁受弯性能,制作并设计了5个不同断面组合形式的组合梁试件,并对其进行抗弯性能试验研究,分析其承载性能、破坏机理。在试验基础上,通过有限元分析软件ABAQUS对此组合梁进行非线性分析,对其进行参数分析,研究材料、尺寸对组合梁性能的影响。基于试验研究与有限元模拟分析,建立冷弯薄壁C型钢-混凝土组合梁的承载力模型,对其承载力、刚度进行理论分析。结果表明:各组合梁的主要破坏形式均属于延性破坏;采用ABAQUS建立的组合梁有限元模型能较好地模拟冷弯薄壁C型钢-混凝土组合梁的受力过程。随着C型钢屈服强度的增加,极限荷载最高提高56.5%;C型钢厚度每增加1mm,极限荷载平均提高28.5%;截面高度每增加50mm,极限荷载提高20%左右。但是提高混凝土的强度等级对组合梁的承载力影响较小;推导出了适用于此种冷弯薄壁C型钢-混凝土组合梁的抗弯承载力及其刚度计算方法,发现计算结果与试验结果吻合较好。

变截面框架-剪力墙-薄壁筒斜交结构考虑竖向荷载作用时的弯扭耦连振动

用沿高度方向分段连续化的方法,对沿高度方向为阶形变截面、在平面内为任意斜向布置的框架-剪力墙-薄壁筒协同工作体系,考虑竖向荷载作用的影响,建立了弯扭耦连的振动方程,用常微分方程求解器COLSYS求解了自振频率及相应的振型.讨论了高层建筑结构竖向荷载对水平振动的影响.

半刚性钢框架-冷弯薄壁型钢填充复合墙板结构的计算模型及时程分析

为推广冷弯薄壁型钢填充复合墙板在高层结构中的应用,进一步了解该冷弯薄壁型钢填充复合墙板作为抗侧力构件应用于高层结构中的抗震性能,将冷弯薄壁型钢填充复合墙板引入半刚性钢框架结构中并研究其抗震性能。基于有限元分析软件SAP2000,采用Pivot恢复力模型对冷弯薄壁型钢填充复合墙板进行简化分析,并推导出墙板P-Δ骨架曲线关系公式;采用转角弹簧单元对矩形钢管柱与H形钢梁单边高强螺栓连接节点进行简化分析;并在此基础上建立半刚性钢框架-冷弯薄壁型钢填充复合墙板结构简化分析模型。在此简化基础上,建立1个10层3跨半刚性空框架和3个以墙板布置方式为参数的半刚性钢框架-冷弯薄壁型钢填充复合墙板结构,利用时程分析方法考察了4类框架结构在8度区不同设防水准下的顶点位移、层间位移角等,获悉结构在不同地震作用下的动力响应。研究结果可为后续该结构的抗震性能分析奠定基础。

拼合式带翼缘冷弯薄壁型钢十字形构件抗扭刚度试验研究

拼合式带翼缘冷弯薄壁型钢十字形构件在轴心压力作用下的主要破坏形式为扭转失稳,其扭转失稳极限承载力取决于抗扭刚度,而拼合效应对构件抗扭刚度的影响没有明确的计算方法。为研究拼合式带翼缘十字形构件的抗扭性能及拼合效应对抗扭刚度的影响,对10个不同截面尺寸和拼合螺栓分布的带翼缘十字形冷弯薄壁构件进行了扭转试验,得到扭转全过程的扭矩-转角曲线和扭矩-应变曲线。设计了专用加载装置使构件在加载初期发生自由扭转,据此得到该拼合构件的自由扭转刚度。试验结果表明:减小螺栓间距能增强拼合效应,对于单列螺栓构件,螺栓间距的变化对拼合效应的影响更明显;拼合效应主要作用于构件的腹板,腹板尺寸增大,单位面积的螺栓数量减少,拼合效应对抗扭刚度的贡献相对减少;相较于非拼合构件,拼合构件抗扭刚度的提升可能是因为螺栓在一定程度上约束了相邻腹板的相对翘曲,提升程度可能与拼合节点间腹板的翘曲刚度有关。

冷弯薄壁型钢T形拼合柱轴压性能研究与承载力计算

冷弯薄壁型钢(CFS)全螺栓垫板连接T形拼合柱是一种新型拼合截面柱,在全螺栓连接框架结构中承受集中荷载。目前关于全螺栓连接T形CFS拼合柱轴心受力性能的研究报道较少。基于已有的试验研究成果,建立准确可靠的T形CFS拼合柱数值分析模型,选取构件长细比、板材厚度、垫板的纵向间距等参数,研究在轴压作用下各重要参数对T形CFS拼合柱极限承载力和屈曲模态的影响。结果表明:随着长细比的增大,T形CFS拼合柱的屈曲模式由局部与畸变相关屈曲逐渐转变为整体屈曲,当长细比<104.7时,长细比变化对构件承载力的影响不明显;板厚对构件的承载力变化具有显著影响,在长细比较大的情况下可以改变构件的屈曲模式;垫板的纵向间距对构件的承载力和屈曲模式影响较小,不同垫板纵向间距的构件极限承载力变化均在4.5%以内。最后,将试验和数值分析结果与北美规范中直接强度法计算的名义承载力对比,评估直接强度法对于此类拼合柱承载力计算的适用性。