循环荷载下冷弯薄壁型钢-刨花板组合墙受力性能研究

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冷弯薄壁型钢结构体系中,组合墙是承重和抗侧力构件,主要承受重力荷载及地震和风荷载产生的侧向力。组合墙由冷弯薄壁型钢框架和墙面板通过自钻螺钉连接而成,其中,冷弯薄壁型钢框架由单个构件按照一定间隔排列,并由上、下两个导轨通过螺钉连接而成,墙面板一般由外墙面板(如定向刨花板)和内墙面板(如石膏板)组成。在实际工程应用中,组合墙主要考虑边梁、刨花板连接缝位置、内侧石膏板及副立柱等参数。目前,国内外许多专家学者对组合墙力学性能的研究比较少见,为此,开展冷弯薄壁型钢组合墙的受力性能相关研究具有实际意义。主要研究内容如下:  通过立柱-定向刨花板连接试验,研究了定向刨花板沿水平纹理和垂直纹理的工作机理和破坏形态,试验结果表明:垂直纹理试件呈现沿木质纤维撕裂破坏;水平纹理试件,呈现木质纤维剪切破坏。垂直纹理试件的承载力和最大变形比水平纹理试件分别提高10%和45%左右,水平纹理试件的剪切刚度比垂直纹理提高50%左右。可见,垂直纹理试件的承载力相对较高,水平纹理试件的刚度相对较大。  通过静载与循环加载试验,研究了冷弯薄壁型钢-单片刨花板组合墙的工作机理、破坏形态、延性与耗能,探讨了边梁、板缝位置及石膏板等参数对组合墙受力性能的影响。试验结果表明:组合墙的破坏位置发生在板缝处、刨花板与底部导轨连接处及墙体底部的刨花板与边立柱连接等,未见立柱局部屈曲破坏;破坏模式为自钻螺钉倾斜并拔出刨花板,墙角部发生螺钉剪断及刨花板撕裂破坏。组合墙滞回曲线呈现“捏缩”现象,后峰值的强度衰减和刚度退化明显,且耗能较小。边梁对承载力提高或削弱取决于水平板缝高度,当水平缝高度为2.44m时,即与边梁位置相同,边梁的存在提高组合墙承载力10%左右,当水平缝高度为2.13m时,边梁的存在降低组合墙承载力5%左右;组合墙内侧添加石膏板能提高墙体初始抗剪刚度15%左右,但对承载力和延性提高不明显;水平板缝和垂直板缝对初始抗剪刚度影响较小,垂直板缝对组合墙承载力和延性有削弱作用,通过增加额外立柱可提高不对称垂直板缝的组合墙试件承载力和延性,建议设计及施工中应避免出现不对称垂直板缝。  通过静载与循环加载试验,研究了冷弯薄壁型钢-双片刨花板组合墙的工作机理、破坏形态、延性与耗能,探讨了边梁、石膏板、副立柱等参数对组合墙受力性能的影响。试验结果表明:组合墙的破坏发生在刨花板与底导轨连接处和边立柱底部与刨花板连接处,未见立柱局部屈曲破坏;组合墙滞回曲线呈现“捏缩”现象,后峰值的强度衰减和刚度退化明显,且耗能较低。边梁存在提高组合墙承载力12%左右;内侧添加石膏板对组合墙的初始抗剪刚度提高20%左右,但对于延性比和峰值位移影响较小,说明后峰值试件的力学表现主要依靠更强的定向刨花板和立柱的连接,较弱的副立柱对组合墙的承载力、初始抗剪刚度及峰值位移等有削弱作用。  利用等效能量弹塑性法和捏缩模型法对组合墙试验结果进行分析,通过等效能量弹塑性法,给出了冷弯薄壁型钢-刨花板组合墙屈服强度、延性比及初始抗剪刚度等;通过捏缩模型对组合墙滞回性能进行了模拟,并对两种模型进行了对比,结果表明:捏缩模型能较好的模拟强度衰减和刚度退化,具有捕捉“捏缩”效应的能力;等效弹塑性能量法只适合静力加载弹塑性分析;带边梁、板缝及石膏板等参数组合墙的强屈比在1.05-1.20之间,不对称的垂直板缝是影响强屈比的最不利因素。  利用有限元软件ABAQUS,建立了冷弯薄壁型钢-刨花板组合墙的有限元模型,确定了以壳单元(S4R)、网格长宽比(2∶1)、转角(直角)等参数计算模型,给出了组合墙墙面板自钻螺钉的最大主应力矢量图,并分析了立柱与墙面板等对组合墙承载力的影响,同时利用SAPWood软件分析了组合墙的板缝对组合墙承载力的影响。结果表明:增加立柱厚度对单片组合墙承载力提高程度相对较大,提高立柱-刨花板连接强度对双片板组合墙的承载力提高相对较大,水平板缝对组合墙承载力和刚度影响较小,垂直缝对组合墙承载力有削弱作用。  利用能量法建立了冷弯薄壁钢-刨花板组合墙极限承载力计算公式,理论公式计算结果与试验结果吻合良好,但公式的普遍适用性有待于进一步试验验证。
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