墻體抗剪性能研究摘  要：對無豎向力水平單調加載和有豎向力低周反復加載兩種加載方式下的2榀高強冷彎型鋼骨架帶交叉支撐墻體抗剪性能進行足尺試件試驗研究。在單調加載墻體模型得到試驗充分驗證的基礎上，對影響墻體抗剪性能的5個因素進行有限元參數分析。分析結果表明：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；單面設置交叉支撐墻體比雙面設置交叉支撐墻體的承載力降低幅度較大。

關鍵詞：高強冷彎型鋼骨架帶交叉支撐墻體；抗剪性能；試驗研究；有限元參數分析
0  引  言
    鋼結構公司冷彎薄壁型鋼結構住宅是輕鋼低層住宅中一種富有特色的新型結構體系，具有高性能、輕質、產業化、環保等顯著特點，其結構形式源于木結構低層別墅住宅，一般適用于2層或局部3層以下的獨立或聯排住宅，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]，尤其是對高強冷彎型鋼骨架帶交叉支撐墻體抗剪性能的研究尚未見報道。因此，本文對屈服強度為550 MPa高強冷彎型鋼骨架帶交叉支撐墻體抗剪性能進行了試驗研究，并在試驗研究的基礎上對可能影響墻體抗剪性能的5種因素進行了詳細的分析，得出了一些有益結論，可供該類墻體的工程應用和理論分析參考。

1  試驗研究
1．1試驗試件
    本次試驗的2榀墻體試件取與博思格鋼結構建筑系統在實際工程中采用的墻體基本相同的1：1模型試件，并在試驗現場拼裝制作，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；上下導軌為550 MPa高強冷彎槽鋼；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、導軌尺寸見圖
1，墻體試件見圖2。
    鋼結構墻體試件的兩端底角設有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；墻體試件上下導軌在兩端抗拔螺栓之間設置有間距600 mm與試驗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置。
1．2鋼結構鋼材材料屬性
    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量6個，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。
材性試驗結果見表2。
1．3試驗裝置、測點布置及試驗結果
    鋼結構加豎向荷載的墻體試驗裝置如圖3所示。無豎向荷載的墻體試驗裝置簡圖只需在圖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，其中D，、Dz分別測試試件加載頂梁和試件頂部隨作動器變化的位移值，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。則測試試驗中墻體面外位移值；同時，電液伺服作動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通用有限元程序對單調加載試驗試件進行了精確模擬。有限元模型中墻體各構件均選取塑性殼單元Shelll81來模擬，高強鋼材應力一應變曲線幾乎沒有強化階段眵’，故本文有限元分析中高強度鋼材采用理想彈塑性模型。有限元模型驗證階段采用表2中試驗材性，參數分析階段彈性模量E統一取為2．06×10。MPa，泊松比取為O．3，材料屈服準則選用Von Mises屈服準則。有限元分析模型同時考慮材料非線性和幾何非線性。
    鋼結構單元網格劃分時，墻體立柱單元網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；上導軌、下導軌及剛性撐桿單元網格沿試件長度方向取50 mm，沿寬度方向取相應試件寬度的1／4。結合試驗邊界條件，耦合墻體上導軌所有節點沿加載方向的平動自由度，以模擬加載頂梁的作用；約束墻體上導軌平面外的平動自由度，以模擬墻體頂部的側向滾動支撐；約束下導軌與試驗加載底梁錨栓連接處的z、兒z三個方向的平動自由度，并約束下導軌與立柱沿豎向的平動自由度，以模擬下導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墻體抗拔連接件最上面一排螺釘處的邊立柱腹板節點z、∥、z三個方向的位移來模擬；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節點z、兒z三個方向的平動自由度來模擬。模型采用位移控制加載方法進行分析。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證
    本文將單調加載試驗墻體與其相應的有限元模型最大抗剪承載力、荷載  側向位移曲線進行了對比，最大抗剪承載力對比結果見表4，荷載一側向位移曲線對比結果見圖7。
    由表4和圖7可知，有限元分析結果與試驗結果比較接近，說明本文建立的高強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，可以作為后續有限元參數分析的依據。
3．1  立柱間距對墻體抗剪性能的影響
    鋼結構廠房對于冷彎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
    鋼結構以WB75—1有限元模型為基礎，通過改變立柱截面尺寸來研究高強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中數據可見，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。鋼結構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置交叉支撐調整為單面設置交叉支撐，來研究交叉支撐設置的改變對墻體抗剪承載力的影響，分析結果見表8。由表8可知，單面設置交叉支撐墻體抗剪承載力比雙面設置交叉支撐墻體抗剪承載力降低40％，降低幅度較大。表明：墻體構件材料利用不充分。故實際工程應用中不建議使用單面設置交叉支撐墻體。
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，鋼結構本文以wB75—1有限元模型為基礎，進行了豎向力影響分析，最大抗剪承載力分析結果見表9。表9表明，施加30 kN豎向力時，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，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  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)單面設置交叉支撐墻體比雙面設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置支撐墻體的60％。單面設置交叉支撐墻體破壞時，構件材料強度沒有得到充分利用，因此構造是不
合理的，實際工程應用中不應采用這種墻體構造。
    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。