多層輕鋼結構墻體的特征值屈曲分析

季敏

【摘要】隨著我國經濟的發展和科技的進步，房地產業已經成為國民經濟的基礎性產業，對房地產業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移剛度無法對層數的增加給予支撐，本文考慮使用熱軋型鋼來協同冷彎型鋼工作，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的冷彎薄壁型鋼組合墻體增強很大。

【關鍵詞】多層輕鋼結構墻體;特征值屈曲;有限元法

當前，我國高層建筑中對于冷彎薄壁型鋼的應用研究還非常少，其問題是冷彎薄壁型鋼的豎向承載力與水平側移剛度無法對層數的增加給予支撐，本文考慮使用熱軋型鋼來協同冷彎型鋼工作，建立多層墻體有限元模型體系，并運用有限元ANSYS軟件，構建起層數為5層的冷彎薄壁型鋼與熱軋型鋼組合的新型結構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的冷彎溥壁型鋼組合墻體增強很大。隨著我國產鋼量越來越大，加強研究推廣冷彎薄壁型鋼多層住宅，不但可以增加內消，還可以實現節能、節地、環保以及有限資源的合理運用。

一、熱軋型鋼與冷彎型鋼的區別

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境下彎曲成的不同斷面造型的成品鋼材，它的優點很明顯，有熱軋所不可以生產的各類特薄、形狀合理而復雜的截面。這也使得熱軋型鋼與冷彎型鋼有很多方面的區別。首先在生產方式上，熱軋型鋼是由焊接和溫度變化而形成的殘余應力，冷彎型鋼是冷彎而形成的殘余應力，二者截面殘余應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。冷彎型鋼截面材性冷彎后發生改變，彎角處出現冷彎效應，即強度提高、塑性降低。三是熱軋型鋼結構限制截面板件寬厚比，不允許出現局部屈曲，而冷彎型鋼截面板件寬厚比大，設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。熱軋型鋼構件主要是采用高強螺栓和焊接連接，而冷彎型鋼構件目前主要采用自攻自鉆螺釘連接、拉鉚釘和射釘等新型連接方法，冷彎型鋼構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，側向彎曲和扭轉穩定性分析的梁單元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基本上是發生局部屈曲，而有熱軋型鋼的墻體第一階模態是局部屈曲，后兩階模態部分墻柱是局部屈曲，另有部分墻柱出現整體屈曲。采用熱軋型鋼來協同冷彎薄壁型鋼T作，可以充分利用墻柱的屈曲荷載。因此，用新型組合墻體應用在多層住宅結構體系中是行得通的。