墙体抗剪性能研究摘  要：对无竖向力水平单调加载和有竖向力低周反复加载两种加载方式下的2榀高强冷弯型钢骨架带交叉支撑墙体抗剪性能进行足尺试件试验研究。在单调加载墙体模型得到试验充分验证的基础上，对影响墙体抗剪性能的5个因素进行有限元参数分析。分析结果表明：立柱间距、交叉支撑截面对墙体抗剪承载力影响较小；随立柱截面尺寸的增大，墙体抗剪承载力增加；随竖向荷载值的增加，墙体抗剪承载力降低；单面设置交叉支撑墙体比双面设置交叉支撑墙体的承载力降低幅度较大。

关键词：高强冷弯型钢骨架带交叉支撑墙体；抗剪性能；试验研究；有限元参数分析
0  引  言
    钢结构公司冷弯薄壁型钢结构住宅是轻钢低层住宅中一种富有特色的新型结构体系，具有高性能、轻质、产业化、环保等显著特点，其结构形式源于木结构低层别墅住宅，一般适用于2层或局部3层以下的独立或联排住宅，墙体立柱间距400～600 mm。墙体骨架是该种住宅体系的竖向承重单元，它通常和石膏板、OSB板、胶合板以及薄钢板等通过自攻螺钉连接组成抗剪墙体，为了提高墙体的抗剪承载力，往往在墙体中布置扁钢交叉支撑。至今，国内外对冷弯型钢覆板墙体的抗剪性能做了大量的研究u_6l，但对带交叉支撑墙体研究甚少口]，尤其是对高强冷弯型钢骨架带交叉支撑墙体抗剪性能的研究尚未见报道。因此，本文对屈服强度为550 MPa高强冷弯型钢骨架带交叉支撑墙体抗剪性能进行了试验研究，并在试验研究的基础上对可能影响墙体抗剪性能的5种因素进行了详细的分析，得出了一些有益结论，可供该类墙体的工程应用和理论分析参考。

1  试验研究
1．1试验试件
    本次试验的2榀墙体试件取与博思格钢结构建筑系统在实际工程中采用的墙体基本相同的1：1模型试件，并在试验现场拼装制作，试件编号及加载方式见表1。墙体试件的立柱为C型550 MPa高强冷弯型钢，柱腹板上有两道加劲肋，立柱间距均为600 mm；上下导轨为550 MPa高强冷弯槽钢；墙体试件中间3根立柱为单根C型冷弯型钢；两侧边立柱为两根背靠背的C型冷弯型钢，通过在型钢腹板上用单排平头自攻自钻螺钉(直径4．8 mm，间距600 mm)连接成工字型截面；立柱、导轨尺寸见图
1，墙体试件见图2。
    钢结构墙体试件的两端底角设有M16抗拔螺栓，通过专用带悬臂板的抗拔连接件用六角螺钉(直径4．8 mm)连接在边柱腹板上，由于立柱端部构造原因，墙体试件抗拔连接件距柱底面85 mm；墙体试件上下导轨在两端抗拔螺栓之间设置有间距600 mm与试验架顶梁和地梁连接的M12固定锚栓；交叉扁钢拉条支撑宽75 mm，厚l mm，在墙体试件两面均设置。
1．2钢结构钢材材料属性
    试件中钢材为550 MPa镀铝锌板材，单面镀层厚度约20～30肚m，基材厚度￡为O．75，1．0 mm两种，每种厚度制作试件数量6个，同一种厚度的试件取材于同一批钢板，试件取样均为平行轧制方向。
材性试验结果见表2。
1．3试验装置、测点布置及试验结果
    钢结构加竖向荷载的墙体试验装置如图3所示。无竖向荷载的墙体试验装置简图只需在图3中去掉千斤顶、加载分配梁等即可。
    为了测试墙体抗剪试验中试件、加载装置等各部位的变形值，并通过这些变形值间的关系换算出墙体的净剪切变形值，两试件分别按图4所示布置了位移计，其中D，、Dz分别测试试件加载顶梁和试件顶部随作动器变化的位移值，D^、D。用于测试试件与加载底座间的相对滑动位移值，D。、D。分别测试试件垂直方向相对地面的位移值，D，、D。分别测试垂直方向底座相对地面的位移值，D。则测试试验中墙体面外位移值；同时，电液伺服作动器自身的位移传感器所记录的位移值。
    试件最大抗剪承载力和破坏模式见表3，荷载一位移(P一△)曲线见图5。2有限元分析模型的建立与验证
2．1有限元分析模型的建立
    本文采用ANSYS通用有限元程序对单调加载试验试件进行了精确模拟。有限元模型中墙体各构件均选取塑性壳单元Shelll81来模拟，高强钢材应力一应变曲线几乎没有强化阶段眵’，故本文有限元分析中高强度钢材采用理想弹塑性模型。有限元模型验证阶段采用表2中试验材性，参数分析阶段弹性模量E统一取为2．06×10。MPa，泊松比取为O．3，材料屈服准则选用Von Mises屈服准则。有限元分析模型同时考虑材料非线性和几何非线性。
    钢结构单元网格划分时，墙体立柱单元网格沿立柱长度方向取25 mm，沿宽度方向取立柱宽度的1／4；交叉扁钢拉条单元网格沿拉条长度方向取25 mm，沿宽度方向取拉条宽度的1／2；上导轨、下导轨及刚性撑杆单元网格沿试件长度方向取50 mm，沿宽度方向取相应试件宽度的1／4。结合试验边界条件，耦合墙体上导轨所有节点沿加载方向的平动自由度，以模拟加载顶梁的作用；约束墙体上导轨平面外的平动自由度，以模拟墙体顶部的侧向滚动支撑；约束下导轨与试验加载底梁锚栓连接处的z、儿z三个方向的平动自由度，并约束下导轨与立柱沿竖向的平动自由度，以模拟下导轨与加载底梁连接处的M12锚栓作用以及加载底梁对墙体的约束作用；对墙体边立柱脚部的抗拔连接件，有限元模型中通过约束试验墙体抗拔连接件最上面一排螺钉处的边立柱腹板节点z、∥、z三个方向的位移来模拟；交叉扁钢拉条与立柱相交处自攻螺钉连接，通过耦合该处拉条和立柱相应节点z、儿z三个方向的平动自由度来模拟。模型采用位移控制加载方法进行分析。墙体有限元分析模型如图6所示。
2．2有限元分析模型的验证
    本文将单调加载试验墙体与其相应的有限元模型最大抗剪承载力、荷载  侧向位移曲线进行了对比，最大抗剪承载力对比结果见表4，荷载一侧向位移曲线对比结果见图7。
    由表4和图7可知，有限元分析结果与试验结果比较接近，说明本文建立的高强冷弯型钢骨架带交叉支撑墙体抗剪性能有限元分析模型是正确可靠的，可以作为后续有限元参数分析的依据。
3．1  立柱间距对墙体抗剪性能的影响
    钢结构厂房对于冷弯C型钢截面的墙体立柱，通常立柱间距取为400～600 mm。有限元模型中的墙体立柱间距为600 mm，故本文将墙体立柱间距调整为4。0 mm来研究墙体立柱间距的改变对墙体抗剪承载力的影响，最大抗剪承载力见表5。由表5可知，立柱间距400 mm的墙体比立柱间距600 mm的墙体抗剪承载力提高2．4％，说明立柱间距加密对高强冷弯型钢骨架带交叉支撑墙体抗剪承载力影响不大。
3．2  立柱截面尺寸对墙体抗剪性能的影响
    钢结构以WB75—1有限元模型为基础，通过改变立柱截面尺寸来研究高强冷弯型钢骨架带交叉支撑墙体抗剪性能的变化。墙体立柱C型截面大小取3种规格：C75×40×8、C100×50×10和C120×60×12；截面厚度取3种厚度：0．6，0．75，1．0 mm。最大抗剪承载力见表6。
    由表6中数据可见，立柱厚度对墙体承载力的影响较大，在截面大小不变的情况下，1．O mm厚度的承载力比0．6’mm厚度的提高3．45～6．5 kN，提高幅度为38％～58 9／6；而对于立柱截面，在厚度相同的情况下，截面C1()(]×50×10比C75×40×8承载力提高1．75～4．68 kN，提高幅度为19％～43％；而截面C120×60×12相对c1。0×50×10承载力只提高了1．07～1．86 kN，提高幅度为8％～16％，提高幅度较小。由此可见，增加立柱截面，墙体抗剪承载力提高，墙体立柱厚度增加对墙体抗剪承载力的提高很有帮助，但是，柱截面达到一定尺寸后，再提高立柱截面对承载力影响较小。
3．3  交叉支撑截面尺寸对墙体抗剪性能的影响
    考察交叉支撑截面尺寸的变化对墙体抗剪承载力的影响。钢结构交叉支撑截面宽度取两种：75，100 mm，截面厚度取：O．6，O．75，1．O mm。最大抗剪承载力分析结果见表7。
    由表7可知，在截面宽度不变的情况下，O．75 InIn厚度的承载力比0．6 ITlIn厚度的提高0．53～O．71 kN，提高幅度为6．7％～8．4％；1．O rnrn厚度的承载力比O．75 mI-n厚度的提高O．67～1．11 kN，提高幅度为7．3％～13％；在厚度相同的情况下，100 ITllT-宽的拉条比75 mm宽的拉条承载力提高了O．25～O．69 kN，提高幅度为2．6％～8．2％。由此可见，随着交叉支撑截面尺寸的增加，墙体的抗剪承载力增加幅度不大，即交叉支撑截面尺寸的改变对墙体抗剪承载力影响较小。
3．4单面设置交叉支撑对墙体抗剪性能的影响
    本文将wB75—1有限元模型中的双面设置交叉支撑调整为单面设置交叉支撑，来研究交叉支撑设置的改变对墙体抗剪承载力的影响，分析结果见表8。由表8可知，单面设置交叉支撑墙体抗剪承载力比双面设置交叉支撑墙体抗剪承载力降低40％，降低幅度较大。表明：墙体构件材料利用不充分。故实际工程应用中不建议使用单面设置交叉支撑墙体。
3．5  竖向力对墙体抗剪性能的影响
    为了研究在墙体上作用的竖向力大小对墙体抗剪性能的影响，钢结构本文以wB75—1有限元模型为基础，进行了竖向力影响分析，最大抗剪承载力分析结果见表9。表9表明，施加30 kN竖向力时，墙体抗剪承载力比未施加竖向力降低1．5％，施加45 kN竖向力时，墙体抗剪承载力比未施加竖向力降低10％。由此可见，随着竖向荷载的增加，墙体抗剪承载力降低，施加较小的竖向力对墙体抗剪承载力影响较小，施加较大的竖向力对墙体抗剪承载力影响显著。
4  结  论
    1)墙体立柱间距加密，交叉支撑墙体抗剪承载力略有增加，但承载力提高幅度较小，表明立柱间距加密对此类墙体抗剪承载力影响很小。
    2)立柱截面的变化对墙体抗剪承载力影响较大。立柱截面增大，墙体抗剪承载力提高，墙体立柱厚度增加对墙体抗剪承载力的提高很有帮助。但柱截面达到一定尺寸后，再提高立柱截面尺寸和厚度，对承载力影响较小。
    3)交叉支撑截面的改变对墙体抗剪承载力影响较小。
    4)单面设置交叉支撑墙体比双面设置交叉支撑墙体的承载力降低幅度较大，抗剪承载力是双面设置支撑墙体的60％。单面设置交叉支撑墙体破坏时，构件材料强度没有得到充分利用，因此构造是不
合理的，实际工程应用中不应采用这种墙体构造。
    5)随着竖向荷载的增加，墙体抗剪承载力降低。施加较小的竖向力对墙体抗剪承载力影响较小，施加较大的竖向力对墙体抗剪承载力影响显著。