淺析節(jié)點及支座剛（鉸）接對輕鋼墻體結(jié)構(gòu)性能的影響

曹 輝 雷 陽 蒲 爽 張 麗

（重慶大學土木工程學院，重慶 400045）

1 概述

在冷彎薄壁管桁輕鋼體系中，墻體是一個很重要的構(gòu)件，它既作為豎向受力構(gòu)件傳遞來自樓面和墻體的豎向荷載，同時也作為結(jié)構(gòu)水平抗側(cè)構(gòu)件承受如風荷載和地震作用等水平荷載作用。在以前對薄壁管桁輕鋼體系墻體的研究中，通常都是假定墻體中橫向的橫撐和豎向的輕鋼柱剛接在一起，輕鋼柱與地面基礎(chǔ)也剛接在一起，并沒有談及當它們鉸接時結(jié)構(gòu)會怎樣變化，因此本文利用3D3S軟件建立輕鋼骨架墻體模型以分析這種橫撐與輕鋼柱剛（鉸）接、輕鋼柱與基礎(chǔ)剛（鉸）接對結(jié)構(gòu)性能的影響。

2 建立模型

本次建模采用一般墻體常用的形式，兩端采用150*150的方柱，中間采用150*40的片柱，方柱和片柱均由40*40*1.0厚的矩管構(gòu)成，橫撐采用50*70*1.0的矩管，所有鋼材均采用S350鋼材，根據(jù)以往的試驗結(jié)果，屈服強度根取為 ，彈性模量 ，泊松比取為0.3。輕鋼骨架墻體模型如下圖所示。

輕鋼骨架墻體整體模型

加載方式：

首先在每個輕鋼柱上加載一定的豎向荷載并保持不變，然后在左端方柱的頂部加載一個水平推力，推力的大小依次為10kN、20 kN、50 kN、100 kN。

整個分析情況分為四種：

情況1：橫撐與輕鋼柱全部剛接；輕鋼柱與基礎(chǔ)全部剛接。

情況2：橫撐與輕鋼方柱剛接，與輕鋼片柱鉸接；輕鋼柱與基礎(chǔ)全部剛接。

情況3：橫撐與輕鋼柱全部鉸接；輕鋼柱與基礎(chǔ)全部剛接。

情況4：橫撐與輕鋼柱全部剛接；輕鋼柱與基礎(chǔ)全部鉸接。

3 數(shù)據(jù)分析

比較分析時，均以情況1為參照，為方便分析時描述，將輕鋼柱從左到右依次編號為：1號方柱、2號片柱、3號片柱、4號方柱，從下到上依次分為：下段、中段、上段；將橫撐從下到上依次編號為：1號橫撐、2號橫撐、3號橫撐、4號橫撐，從左到右依次分為：左端跨、中間跨、右端跨。

3.1 情況2與情況1比較

3.1.1 墻體頂點位移：頂點位移增大了約1.77倍。

3.1.2 輕鋼柱支座反力：兩端方柱支座反力減小，中間片柱支座反力略為增大，并且方柱減小的幅度比片柱增大的幅度要大。

3.1.3 橫撐應力：2、3、4號橫撐兩端跨均增大，增大的幅度依次為2號＜3號＜4號橫撐；2、3、4號橫撐中間跨減小很多，其中2號、3號橫撐中間跨應力減小接近0.4號橫撐減小到30%左右；橫撐最大應力由3號橫撐兩端跨轉(zhuǎn)到4號橫撐兩端跨。

3.1.4 輕鋼柱應力：兩端方柱應力增大，增大幅度依次為下段＜中段＜上段，中間片柱應力減小，減小的幅度依次為下段＜中段＜上段；柱子中最大應力由2號片柱上段轉(zhuǎn)移至方柱下段。

3.1.5 結(jié)構(gòu)最大應力：整個結(jié)構(gòu)中最大應力由3號橫撐兩端跨轉(zhuǎn)到4號橫撐兩端跨。

3.2 情況3與情況1比較

3.2.1 墻體頂點位移：頂點位移增大了約3.40倍。

3.2.2 輕鋼柱支座反力：全部輕鋼柱受壓，壓力基本相等，與頂點水平力的大小無關(guān)。

3.2.3 橫撐應力：2、3號橫撐的應力接近0,4號橫撐的應力也很小；橫撐最大應力由3號橫撐兩端跨轉(zhuǎn)移至4號橫撐中間跨。

3.2.4 輕鋼柱應力：兩端方柱應力增大，增大的幅度比情況2的要大，并且中段與上段的增大幅度差距比中段與下段的增大幅度差要小，即增大的幅度為下段＜＜中段＜上段；2號片柱應力減小，減小的幅度依次為下段＜中段＜上段，3號片柱的下段略增大，中段和上段減小，減小的幅度為中段＜上段；柱子中最大應力由2號片柱上段轉(zhuǎn)移至方柱下段。

3.2.5 結(jié)構(gòu)最大應力：整個結(jié)構(gòu)中最大應力由3號橫撐兩端跨轉(zhuǎn)移至兩端方柱下段。

3.3 情況4與情況1比較

3.3.1 墻體頂點位移：頂點位移增大了約1.58倍。

3.3.2 輕鋼柱支座反力：所有的支座反力全部增大，1號方柱、3號片柱為拉力，2號片柱、4號方柱為壓力，其中拉力增大幅度比壓力增大幅度要大。

3.3.3 橫撐應力：1號橫撐不再為0，其大小與 2、3、4 號橫撐相差不大，2、3、4 號橫撐應力均增大，增大的幅度依次為2號＞3號＞4號；1~4號橫撐仍然是兩端跨大，中間跨??；橫撐最大應力由3號橫撐兩端跨轉(zhuǎn)移至2號橫撐端跨。

3.3.4 輕鋼柱應力：兩端方柱的下段應力減小，減小的幅度依次為下段＞中段，上段應力略有增加；片柱應力增大，其中下段增大幅度較大，中段及上段略有增加；柱子中最大應力由2號片柱上段轉(zhuǎn)移至2號片柱下段。

3.3.5 結(jié)構(gòu)最大應力：整個結(jié)構(gòu)中最大應力由3號橫撐兩端跨轉(zhuǎn)移至4號橫撐的兩端跨。

3.4 分析總結(jié)

由以上的幾種情況的比較，可以得出：

3.4.1 當橫撐與輕鋼柱剛接以及輕鋼柱與基礎(chǔ)剛接時，整個結(jié)構(gòu)為全部輕鋼柱與全部橫撐形成的框架，抗側(cè)剛度由整個框架提供，抗側(cè)剛度大，頂點位移小。

3.4.2 當橫撐與輕鋼片柱變成鉸接時，整個結(jié)構(gòu)變?yōu)閮啥朔街c橫撐形成剛架和中間片柱與橫撐形成排架的組合體，抗側(cè)剛度主要由剛架提供，排架提供的抗側(cè)剛度主要由片柱自身的抗側(cè)剛度決定，整個墻體的抗側(cè)剛度減小，頂點位移增大；另外，受力體系改變，導致構(gòu)件內(nèi)力也發(fā)生變化，鉸接節(jié)點處的橫撐與輕鋼柱應力施放，兩端跨剛接節(jié)點處的橫撐與輕鋼柱應力增加。

3.4.3 當橫撐與輕鋼柱全部鉸接時，整個結(jié)構(gòu)變成輕鋼柱與橫撐組成的排架，抗側(cè)剛度由排架提供，排架提供的抗側(cè)剛度主要由輕鋼柱自身的抗側(cè)剛度決定，因而整個墻體的抗側(cè)剛度進一步減小，頂點位移進一步增大；另外，整個橫撐應力全部施放，兩端輕鋼柱的應力大幅增加。

3.4.4 當輕鋼柱與基礎(chǔ)鉸接時，整個結(jié)構(gòu)變?yōu)橄露算q接的框架，抗側(cè)剛度由整個框架提供，但是由于下端鉸接，故輕鋼柱腳允許轉(zhuǎn)動，從而導致墻體抗側(cè)剛度相對柱腳剛接時要低，頂點位移增大。

結(jié)論

由分析可知，當橫撐與輕鋼柱鉸接或者輕鋼柱與基礎(chǔ)鉸接時都會導致整個墻體的抗側(cè)剛度降低比較多，因此在實際施工中，需要盡量保證橫撐與輕鋼柱子剛接以及輕鋼柱與基礎(chǔ)剛接，這樣才能保證結(jié)構(gòu)具有足夠的抗側(cè)剛度以抵抗水平荷載作用。

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