多层超薄壁冷弯型钢结构房屋体系

第1章　绪论 1.1　研究背景 钢结构是典型的装配式结构，具有绿色化、工业化、信息化和“轻、快、好、省”等特性。由于化解钢铁产能严重过剩矛盾的现实需要，近年来国家推广钢结构建筑的力度不断加大。2013年国务院发布《关于化解产能严重过剩矛盾的指导意见》，“推广钢结构在建设领域的应用，提高公共建筑和政府投资建设领域钢结构使用比例，在地震等自然灾害高发地区推广轻钢结构集成房屋等抗震型建筑。”2016年《关于深入推进新型城镇化建设的若干意见》(国发〔2016〕8号文)指出，对大型公共建筑和政府投资的各类建筑全面执行绿色建筑标准和认证，积极推广应用绿色新型建材、装配式建筑和钢结构建筑。2018年“全国住房和城乡建设工作会议”提出大力发展钢结构等装配式建筑，积极化解建筑材料、用工供需不平衡的矛盾，加快完善装配式建筑技术和标准体系。 随着我国城镇化进程及新农村建设步伐加快，大量房屋建设造成自然生态失衡，迫切需要研制和使用可持续发展的建筑结构及其配套的围护体系，以缓解和消除大量建设对生态环境造成的迫害。装配式轻钢框架结构房屋采用“建筑元器件”的设计概念，以结构构件或建筑功能单元为基本元件组合而成，具有构件装配化、围护一体化、装饰装修一体化及生产工厂化等特点，易于实现建筑工业化。 冷弯型钢结构房屋结构中，主体结构构件壁厚小于2mm的称为超薄壁冷弯型钢结构，所采用的主要建造材料可回收再利用率高达90%以上，其承重的组合墙体由冷弯薄壁型钢龙骨、内填保温棉和外覆石膏板等构成，易于实现资源循环再利用(童悦仲和娄乃琳，2004)；墙体具有良好的保温隔热性能，降低使用过程中的能量消耗，符合国家绿色环保要求。人多地少的基本国情决定了我国房屋建设应以多层为主(童悦仲和娄乃琳，2004；童悦仲和刘美霞，2005)，将此种结构体系应用到新农村建设、牧区聚居区及小城镇多层房屋中是较好选择；汶川及雅安地震灾后重建中因其装配快速、对现场人员技能要求低，部分低层房屋采用了此种结构体系，取得了较好的社会经济效益(中华人民共和国建设部，2002)。 2008年的汶川地震及2013年雅安地震房屋破坏严重，尤其是大量农房倒塌，造成大量人员伤亡及财产损失。因此类房屋构件及部件工厂化生产，运到现场进行装配，施工速度快，在地震灾后重建过程中修建的此类住宅房屋在余震中表现出良好的抗震性能(日本鐵鋼連盟，2002；童悦仲和娄乃琳，2004)。型钢表面镀锌，耐腐蚀性强。该类结构体系具有较多优点，主要表现为：①钢材可完全回收再利用，满足国家环保和可持续发展要求；②轻质高强，地震作用小，且降低对下部基础及地基承载力的要求，可降低基础造价；③结构的所有构件、部件均为工厂标准化生产，加工质量易于得到保证，运到现场进行装配，符合建筑工业化要求；④现场干法施工对环境影响小，建设周期短，综合造价低；⑤组合墙体及组合楼板内部均有型钢龙骨骨架，镂空的内部便于管线暗埋其内，布置简单，检修维护容易，且能够提高房屋使用面积(童悦仲和娄乃琳，2004)。 超薄壁冷弯型钢结构房屋体系主要由组合墙体、墙体-楼板连接节点、楼盖和屋盖组成。墙体骨架由龙骨、上下导轨和墙面板组成；楼板由楼层梁、面板和吊顶组成，其中楼板有采用C型钢梁上直接铺OSB板，装配化程度高，但防火性能差；对防火性能及承载性能要求较高的采用压型钢板组合楼板的，采用混凝土现浇，湿作业量大(图1.1)，房屋成型后效果见图1.2，装配好的龙骨骨架见图1.3。综合考虑施工工艺、结构受力、部品及构件间传力、体系多杆件等特点(童悦仲和娄乃琳，2004；American Iron and Steel Institute，2015)，目前装配方法是将各楼层墙段龙骨骨架在工厂加工好后运到现场拼装，形成了低层冷弯薄壁型钢房屋技术规范推荐的楼层连接处做法，墙体所承受的水平地震作用简化在墙体顶端时，会使墙体发生转动和滑移，从抗力角度需在每层墙段间及底层墙底支座处设置抗拔锚栓(图1.4)，由于低层房屋自重轻，水平地震作用小，抗震性能容易得到保证；目前已有低层房屋振动台试验也表明其罕遇地震作用下抗震性能良好，多发生轻微破坏(童悦仲和娄乃琳，2004)，以自攻螺钉脱落、墙板开裂等*为常见，结构容易修复。但将该结构体系应用于多层房屋中时，随层数增多，底下各层墙体承受压力将增大，各层由地震作用产生的剪力也将增大，抗震性能需要进一步研究，结构体系需进一步优化，才能更好地抵抗水平地震作用。 图1.1　冷弯薄壁型钢结构体系示意图 图1.2　超薄壁冷弯型钢结构房屋 图1.3　超薄壁冷弯型钢房屋龙骨 1.2　超薄壁冷弯型钢结构房屋研究现状 在美国、欧洲及日本等国家和地区该体系得到广泛应用，随该体系应用的增多，学者们开展了大量的研究工作(汪洋，2006；李斌等，2008；王秀丽等，2015；陈明等，2015；褚云朋和姚勇，2016；李元齐和马荣奎，2017)，为本书相关研究工作的开展做了较好的铺垫，概述起来主要包括以下六个方面：①竖向承载构件研究，包括构件三种稳定问题，应用到荷载大的工况中(尤其是多层房屋中)时，角部墙架柱如何构造加强，包括双肢柱和三肢柱(构件截面组合)。②组合墙体抗剪性能研究，研究方法包括有限元分析和试验，研究对象包括开洞不开洞、是单面覆板还是双面覆板、面板材料及厚度、龙骨截面尺寸，加载方式包括单调加载与低周往复加载，得到不同面板材料及厚度下的每米抗剪承载力设计值，得到墙体破坏特征。③组合楼盖研究，包括采用压型钢板-混凝土组合楼盖，压型钢板与楼层梁采用自攻螺钉连接，对楼盖在施工阶段、使用阶段的正常使用及承载能力极限状态进行系统加载试验研究及有限元分析，并对自攻螺钉间距、刚性支撑件、楼盖梁数量及边界约束条件等参数进行探讨。④墙架柱-楼层梁节点研究，采用高强螺栓、普通螺栓及自攻螺钉连接的冷弯薄壁型钢梁柱节点进行低周往复加载试验研究，得到节点破坏模式，得到弯矩-转角恢复力骨架曲线。⑤结构体系中大量采用自攻螺钉连接，包括构件间以及构件与墙体面板间，自攻螺钉的失效将导致墙体抗剪承载性能降低，甚至造成整体结构破坏，因此自攻螺钉的抗剪、抗拉性能，以及自攻螺钉与板件间的作用性能至关重要，得到自攻螺钉的抗剪、抗拉及拉剪作用的计算表达式。⑥整体结构抗震性能研究，采用有限元分析及振动台试验的方法对低层房屋整体结构开展抗震性能研究，得到结构动力特性及不同地震强度下结构抗震性能，但对多层房屋开展抗震性能研究的很少，研究才刚刚起步，形成的成果不成体系，因此该结构体系应用于多层房屋中时仍需开展大量研究。 1.2.1　墙架柱-楼层梁连接研究现状 现有超薄壁冷弯薄壁型钢结构住宅体系中，组合楼板支承在组合墙体之上，将上下层组合墙体断开。上下层墙体间要设置抗拔锚栓，用以协调上下层墙体变形实现共同工作。结构体系的空间节点连接主要有：螺栓连接和自攻螺钉连接(王军，2005；乔存怀，2006)。随超薄壁构件应用逐年增多，各构件间连接方式以自攻螺钉为主，对用自攻螺钉连接的墙架柱-楼层梁空间节点开展抗震性能研究的相对较少，但其对整体结构抗震性能影响较大。 李斌等(2008)对采用螺栓连接的双肢C型钢梁节点进行抗震性能试验研究，得到节点的抗震性能。褚云朋等(2019)对冷弯薄壁型钢焊接T型节点进行了抗震性能试验研究，结果表明轴压比及连接域构造对节点的抗震性能影响较大。相关学者对顶底角钢、腹板双角钢连接的冷弯薄壁C型钢梁柱节点性能进行试验研究及有限元分析，得到节点的承载性能及刚性半刚性属性，并采用非线性回归分析的基础上，建立了节点的弯矩-转角滞回曲线模型，为整体结构分析提供了基础数据(王军，2005；黄智光，2010；姚勇等，2011；黄智光等，2011；褚云朋等，2012；李元齐等，2012；李元齐等，2013；Liu et al.，2018)。 2010年作者完成了12个冷弯薄壁矩形钢管-楼层梁空间焊接结点抗震性能试验研究及有限元计算分析(苏明周等，2011)，得到结点弯矩-转角恢复力骨架曲线，并将其用于整体结构的有限元模型抗震计算(叶继红等，2015)。对于多层冷弯型钢房屋进行分析时，组合墙体-楼板连接体系可看成计算单元，水平地震作用下节点承受往复荷载作用，可采用弯矩-转角恢复力骨架曲线表达，作者在2014年完成有限元计算分析工作，在2015年进行了试验研究，获得节点破坏模式及恢复力骨架其曲线表达其力学特性，试验过程表明，该类连接延性极好，抗拔锚栓对连接刚度影响极大(苏明周等，2011；叶继红等，2015)。已有低层房屋振动台试验也表明(李斌， 2010；郭鹏等，2010；周天华等，2013；陈卫海，2008)，该类体系抗侧能力主要源于墙面板的蒙皮作用和抗拔锚栓的抗倾覆作用。基于此，通过试验获得了不同连接方式、轴压力、截面高度、截面开闭口等因素对节点抗震性能的影响规律，为该结构体系的抗震设计方法获得提供了基础数据。 1.2.2　组合墙体抗剪性能研究现状 为掌握该类房屋组合墙体的抗剪性能，国内外学者进行了大量单层墙体的抗剪性能试验研究和理论分析，探讨了墙面未开洞、开洞及开洞尺寸，墙面是否有斜向钢拉带，墙架龙骨间距、龙骨外覆面板材料与厚度，自攻螺钉直径及间距，墙体高宽比等因素对墙体抗剪性能的影响规律，得到单片墙体抗剪承载力、位移计算公式及破坏模式、并获得墙体恢复力骨架曲线模型，为整体结构计算、结构极限状态确定及损伤程度的判定提供了基础数据(Folz and Filiatrault ， 2001；Tian et al.， 2004；聂少锋，2006；李杰，2008；石宇，2008；周绪红等，2006；黄智光等，2012；史艳莉等，2012；高宛成和肖岩，2014；Manikandan and Sukumar ， 2015 )。 1. 单层组合墙体研究现状 2005～2008年国内学者对不同覆板材料、不同高宽比的组合墙体进行了足尺试验研究，采用水平单调和往复加载方式。结果表明：墙体的破坏主要为螺钉拔出，造成面板与墙架柱间拉开失效，龙骨强度对抗剪承载力的影响较小(Folz and Filiatrault ， 2001；Tian et al.，2004；聂少锋，2006；李杰，2008；石宇，2008；周绪红等，2006；黄智光等，2012；史艳莉等，2012；高宛成和肖岩，2014；Manikandan and Sukumar，2015 )。 周绪红等(2010)对7片组合墙体足尺试件进行水平单调和低周反复加载试验，考虑面板材料、加载方式及墙体开洞等因素对墙体抗剪性能的影响(Dong et al.，2004；Serrette et al.， 2006)，得到面板强度及脆性性能对墙体抗剪承载力影响较大，单调加载承载力比往复加载高，墙顶轴压存会增大墙体刚度、提高承载力及位移延性，随墙架柱截面尺寸增大及间距减少，墙体的刚度和承载力提高，延性降低等结论。苏明周等(2011)对10片足尺墙体进行水平低周反复加载试验，得到墙体的抗剪性能指标。Gad等(1999)研究得到承载力主要源于墙板的蒙皮作用，斜撑对提高单柱墙体抗剪承载力作用明显但对双柱墙体作用很小等结论，并得到墙体的抗剪刚度及承载力设计值。 研究表明，减小龙骨间距可以提高墙体的受剪承载力，增加幅度依墙体构造的差异性为9%～31%不等(Folz and Filiatrault，2001；Mahaarachchi and Mahendran，2004；Xu and Martínez，2006；Serrette et al.，2006；何保康等，2008；石宇，2008；Dubina，2008；刘晶波等，2008；史三元等，2010；郭鹏等，2010；姚勇等，2011；马荣奎，2014；马荣奎等，2014；Manikandan and Sukumar，2015；叶继红等，201