多層輕鋼結(jié)構(gòu)墻體的特征值屈曲分析

季敏

【摘要】隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，房地產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，對房地產(chǎn)業(yè)各個方面的研究也越來越多，但是在多高層建筑中對于冷彎薄壁型鋼的應(yīng)用研究還非常少，其問題是冷彎薄壁型鋼的豎向承載力與水平側(cè)移剛度無法對層數(shù)的增加給予支撐，本文考慮使用熱軋型鋼來協(xié)同冷彎型鋼工作，建立多層墻體有限元模型體系，運用有限元ANSYS軟件，分析其特征值屈曲，并獲得了新型組合墻體的承載力比傳統(tǒng)的冷彎薄壁型鋼組合墻體增強很大。

【關(guān)鍵詞】多層輕鋼結(jié)構(gòu)墻體;特征值屈曲;有限元法

當(dāng)前，我國高層建筑中對于冷彎薄壁型鋼的應(yīng)用研究還非常少，其問題是冷彎薄壁型鋼的豎向承載力與水平側(cè)移剛度無法對層數(shù)的增加給予支撐，本文考慮使用熱軋型鋼來協(xié)同冷彎型鋼工作，建立多層墻體有限元模型體系，并運用有限元ANSYS軟件，構(gòu)建起層數(shù)為5層的冷彎薄壁型鋼與熱軋型鋼組合的新型結(jié)構(gòu)組合墻體有限元模型，分析其特征值屈曲，獲得了新型組合墻體的承載力比傳統(tǒng)的冷彎溥壁型鋼組合墻體增強很大。隨著我國產(chǎn)鋼量越來越大，加強研究推廣冷彎薄壁型鋼多層住宅，不但可以增加內(nèi)消，還可以實現(xiàn)節(jié)能、節(jié)地、環(huán)保以及有限資源的合理運用。

一、熱軋型鋼與冷彎型鋼的區(qū)別

熱軋型鋼是用加熱鋼坯軋成的不同幾何斷面造型的一類鋼材。按照型鋼截面樣式的不一樣，熱軋型鋼分為角鋼、扁鋼、槽鋼、工字鋼、熱軋L型鋼;按照型鋼斷面造型的不一樣，又包括簡單斷面、復(fù)雜斷面或異型斷面與周期斷面等型鋼類型。

冷彎型鋼是一種用鋼板在冷環(huán)境下彎曲成的不同斷面造型的成品鋼材，它的優(yōu)點很明顯，有熱軋所不可以生產(chǎn)的各類特薄、形狀合理而復(fù)雜的截面。這也使得熱軋型鋼與冷彎型鋼有很多方面的區(qū)別。首先在生產(chǎn)方式上，熱軋型鋼是由焊接和溫度變化而形成的殘余應(yīng)力，冷彎型鋼是冷彎而形成的殘余應(yīng)力，二者截面殘余應(yīng)力的大小的分布完全不一樣。其次，冷彎型鋼截面有冷彎效應(yīng)。冷彎型鋼截面材性冷彎后發(fā)生改變，彎角處出現(xiàn)冷彎效應(yīng)，即強度提高、塑性降低。三是熱軋型鋼結(jié)構(gòu)限制截面板件寬厚比，不允許出現(xiàn)局部屈曲，而冷彎型鋼截面板件寬厚比大，設(shè)計中允許局部屈曲并利用板件屈曲后強度。四是二者連接方式不同。熱軋型鋼構(gòu)件主要是采用高強螺栓和焊接連接，而冷彎型鋼構(gòu)件目前主要采用自攻自鉆螺釘連接、拉鉚釘和射釘?shù)刃滦瓦B接方法，冷彎型鋼構(gòu)件之間也采用機械連接（扣合、咬合）等無連接件連接。

二、有限元建模建立

使用熱軋型鋼來協(xié)同冷彎型鋼工作，建立多層墻體有限元模型體系。冷彎型鋼方面各個層冷彎薄壁型鋼墻體構(gòu)件大小是3m×0.6m，長度是3.6m。冷彎薄壁卷邊C型鋼截面是C140×50×20×2.0.底梁和頂梁是用一對自攻螺釘與墻柱連接的同類型槽型截面;試件一側(cè)墻面板用9mm厚OSB板，也用自攻螺釘與鋼墻柱連接。并用具有應(yīng)力剛化、大變形功能和強大非線性功能的塑性殼單元SHELL181單元模擬壁薄，又具有大變形性能的冷彎薄壁型鋼構(gòu)件。在熱軋H型鋼中，為了與冷彎薄壁型鋼組合墻體連接相同尺寸（3m×3.6m）的熱軋H型鋼H140×140×200×10×10×10框架墻體。熱軋H型鋼梁柱使用可以進行彎㈣，側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性分析的梁單元BEAM189進行模擬。

（二）計算分析

通過建立多層墻體有限元模型體系，并運用有限元ANSYS軟件，分析其特征值屈曲，并分析去掉熱軋型鋼框架墻體的特征值屈曲，可知無熱軋型鋼墻體屈曲荷載要小于有熱軋型鋼墻體的屈曲荷載。在屈曲模式下無熱軋型鋼的墻體三階模態(tài)基本上是發(fā)生局部屈曲，而有熱軋型鋼的墻體第一階模態(tài)是局部屈曲，后兩階模態(tài)部分墻柱是局部屈曲，另有部分墻柱出現(xiàn)整體屈曲。采用熱軋型鋼來協(xié)同冷彎薄壁型鋼T作，可以充分利用墻柱的屈曲荷載。因此，用新型組合墻體應(yīng)用在多層住宅結(jié)構(gòu)體系中是行得通的。