新型住宅墙体抗剪性能数值分析

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1、第七届全国现代结构工程学术研讨会新型住宅墙体抗剪性能数值分析秦中慧张其林(同井大学建筑工程鬲，上海200092)摘要z冷弯薄壁型钢住宅是一种以冷弯薄壁钢构件作为承重骨架，’轻型板材如石膏板、OsB板等为围护结构．并在墙体内填充保温隔热材料的新型住宅。本文利用结构分析软件ANSys对一宽度为2．44Ⅲ．高为1．98钿的冷弯薄壁型锕骨架墙体进行数值模拟．井将其结果与AIsI规范进咔亍比较．得出墙体抗剪强度和墙体破坏模式．本文结论可为后续试验提供参考．关键调：新型住宅。冷弯型钢墙体．数值分析．^NsYs一、概述’(一)新型冷弯薄壁型钢住宅佃舟一

2、冷弯薄肇型钢住宅是一种以冷弯薄瞳型钢构件作为承重骨架，轻型板材如石膏板、0sB板等为圈护结构，并在墙体内填充保温隔热材料的新型住宅．其钢骨架厚度多为2m以下。这种住宅各组成部分之间的连接完全采用自攻螺钉。住宅通过地脚锚检将墙体与基础相连．此住宅体系多用于工厂化批量生产。具有施工速度快，造型美观．经济实惠等许多优点．目前在北美和澳洲已建成大量这类住宅．高度一般不超过2—3层。在我国，这种住宅也已开始大量推广，其设计理论主要套用美国钢铁协会规范(AIsI)。田内还没有适合实际’隋况的规范。但是图家、各住宅开发、设计、施工企业和高校已经意识到这

3、点．开始着手相关计算理论的研究。图1所示为精工集团绿筑科技开发有限公司在嘉定建造的冷弯型钢住宅．·囤1冷弯薄壁型钢住宅(=)墙体抗剪性能研究背景．’对于传统结构，仅考虑骨架受力，忽略维护板材对结构的有利影响。而这种住宅体系考虑了维护板材对由冷弯薄壁构件组成的骨架的受力性能的提高．西安建筑科技大学何保康教授对这种住宅体系进行了研究。同济大学张其林教授和秦雅菲博士对住宅复合墙体轴压性能进行了深入研究，得出在双面有墙板覆盖的情况下．每根立柱的承载力约为50kN，并提出了相应的设计计算公式．随者这种住宅体系在我国的推广应用，它可能位于风、地震荷载

4、较大的区域，所以其墙体体系在水平荷载下的抗剪性能有待进一步研究。同时．这种住宅由于自重轻，在水平荷载作用下将会产生上拔力。上拔力由地脚锚栓承担。为了有效抵抗上拔力，工程中在墙体地脚锚栓处设置抗拔件(圈2)．但是在设置地工业建筑2007增刊16”第七届全国现代结构工程学术研讨会脚抗拔件的情况下，墙体的抗剪性能究竟怎样?墙体在极限荷载作用下怎样爱生破坏?地脚锚栓所承受的荷载究竟是多大?抗拔件、地脚锚栓是否发生破坏?怎样发生破坏?这一系列问题都亟待研究。图2本文将利用大型结构分析软件ANsYs对冷弯薄壁型钢骨架墙体进行数值模拟，分析其抗剪性能，

5、观察破坏模式．并与AIsI规范建议的墙体抗剪强度进行比较，从而为试验研究提供参考。二、墙体抗剪性能数值分析数值分析采用分析软件ANsYs。此软件集结构、热、流体、电磁、声学分析于一体，具有强大的前、后处理和分析求解功能。在结构上，许多高校和研究所都利用ANSYS做分析。(一)有限元模型-工程实际中．墙体通常高约2．4m’3Ⅲ．每根立柱的问距是400Ⅻ飞lOm，连接各型钢构件以及型钢骨架和覆盖面板的自攻螺钉问距为150m’300m，冷弯型铡构件厚lm或1．2m，u型导轨为u92×40×1．2m．c型立柱为c89×4l×13×1-2m，外墙面

6、板采用OsB板，内墙面板采用石膏板。有限元模型根据工程实际选取。为了考虑试验室试验条件和加工制作的要求，墙体模型尺寸为(见图3)：高1．984m，宽2．44m，由5根立柱组成．每根立柱的间距是610Il】m，自攻螺钉sT4．2，间距为152Ⅷ．用于骨架的冷弯型钢厚l-2Ⅻ，导轨为u92×40×l，2衄，立柱为c89×4l×13×1．2删．骨架一面覆盖13珊厚OsB板，另一面覆盖13m厚石膏板，为了防止边立柱过早屈曲，采用两根立柱背靠背拼接成类似于工字形截面的形式。边柱处设置了抗拔件，墙体与混凝土基础由直径为16m的地脚锚栓连接。采用ANs

7、Ys直接建模，模型见图4。整体坐标系定位：沿墙体宽度方向为x向，沿墙体厚度方向为Y向，沿墙体高度方向为Z向。立柱、导轨、石膏板和OsB板都采用薄壳单元shelll8l。shelll8l适用于分析薄的以及中等厚度的壳体结构，它是一个四节点单元，每个节点处6个自由度：x、Y、z向位移和绕x、Y、z轴的转角。它适用于线性、大转角、大应变非线性分析。自攻螺钉采用粱单元beam44。Beam44承受拉伸、压缩、扭转和弯曲的单轴单元，只允许线形材料。单元每个节点都有6个自由度，x、Y、z向位移和绕x、Y、z轴的转角，可咀释放转角模拟铰接。已有研究表明

8、螺钉自身通常不发生破坏，同时连接界于完全刚接和铰接之间，所以分析中释放部分转角约束。这种方法的采用，比采用耦合来实现自由度释放更加方便快捷，同时能与实际连接情况相吻合。用于加载的顶梁采用实体单