1.五冶集团上海有限公司 上海 201999；2.西安建筑科技大学土木工程学院 陕西西安 710055
摘要：近年来冷弯薄壁型钢龙骨体系建筑在国际上发展十分迅速，已广泛用于低层住宅。该结构体系具有施工速度快、环保、节能等优势。在国内进一步推广应用时，结构的抗震性能将是关键性问题。针对国内外冷弯薄壁型钢龙骨体系房屋抗震性能相关问题的研究成果，本文从龙骨墙柱、自攻螺钉连接、复合墙体、整体结构的抗震性能以及有限元数值模拟技术等几个方面进行了总结。
关键词：低层；冷弯薄壁型钢；龙骨体系房屋；抗震性能；数值模拟技术
Research progress on seismic performance of cold curved thin-walled steel keel system
ZHANG Ningmei1，WANG Yadong2
1. MCC No.5 Group Shanghai Co. Ltd.，Shanghai 201999，China；2. School of Civil Engineering，Xi'an Univ.of Arch.＆Tech.，Xi'an710055，China）
abstract：in recent years，the structure of cold-bending thin-walled steel keel system has developed rapidly in the world，and has been widely used in low-rise residential buildings.The structure system has the advantages of fast construction speed，environmental protection and energy saving.The seismic performance of the structure will be the key problem when the application is further popularized in China.On seismic performance of cold-formed thin-wall steel keel system building at home and abroad research achievements of related problems，this article from the keel wall column，self-tapping screw connection，the seismic performance of composite wall，the overall structure and the finite element numerical simulation technology and so on several aspects are summarized.
Key words：low level；Cold-formed thin-walled steel；Building of keel system；Seismic performance；Numerical simulation technique
1 前言
近年来随着我国工业化住宅体系的发展，冷弯薄壁型钢龙骨体系作为低层钢结构住宅建筑的重要结构形式得到了大力推广。低层冷弯薄壁型钢龙骨体系结构是用镀锌或镀铝锌超薄壁冷弯型钢制作的型材作为主要结构构件，以冷弯薄壁型钢立柱、导梁以及各种结构用覆面板等组件构成的整片龙骨式复合墙体、楼板及屋盖等作为承重单元。钢龙骨构件通过自攻螺钉连接，覆面板与骨架通过自钻或自攻螺钉连接，从而形成龙骨骨架和覆面板组成的具有蒙皮效应的板块结构承重体系，如图1 所示。
国外在北美、澳洲等地方对低层冷弯薄壁型钢龙骨体系结构抗震性能的研究相对较早，进入二十一世纪，随着钢结构住宅产业化进程的加快，我国也开始了相关研究。在这些研究中以复合墙体究以及低层房屋结构模型的振动台试验为主。此外，近些年来国内外己有不少专家和学者借助ABAQUS、ANSYS等大型有限元软件对该结构体系的抗震性能进行研究。
图 1低层冷弯型钢龙骨体系房屋结构示意图[1]
2 抗震性能
为了减轻地震造成的后果，我国很多地区都有抗震设防的要求。低层冷弯薄壁型钢龙骨体系结构的延性相对普钢结构来说较低，其自重也相对较轻，这使得结构在地震作用下所受到的地震力也相对较小。因此，该结构在多遇地震作用下的安全性并无问题。尽管如此，由于罕遇地震下结构的抗震性能研究还很少，其安全性并不能保证。此外，世界各国对冷弯薄壁型钢结构的动力性能和抗震设计方面的研究大多是基于构件和墙体层面的试验研究，还没有形成系统的抗震分析理论体系和实用的计算方法。鉴于低层冷弯薄壁型钢龙骨体系结构构造的复杂性，下文按照从基本构件到整体结构的顺序，对其抗震性能中的相关研究的主要问题进行介绍。
2.1构件抗震性能
龙骨墙柱是冷弯薄壁型钢复合墙体的主要受力构件，其截面一般采用C形和组合C形的形式。复合墙体由于覆面板的蒙皮作用，其抗剪强度和刚度均有了很大提高，所以单根构件的抗剪和滞回耗能性能与复合墙体的抗震性能差异较大。
国外Mohamed Elchalakani等[2~4]分别通过对冷弯薄壁型钢圆管在对称变幅循环弯矩作用下的延性、双轴对称C形组合截面在单调和往复加载下受弯性能以及冷弯薄壁型钢矩管在单调和往复轴向荷载作用下的性能做了试验研究。国内董军、王士奇[5，6]采用数值分析的方法对冷弯薄壁C形钢构件在轴向拉压循环荷载和压弯联合作用下的滞回性能进行了研究，就加载模式、构件宽厚比和轴压比等因素对C形钢构件滞回性能的影响进行了分析。
国内外完成的基本构件试验研究中，板材厚度多在2mm以上，强度在235~400MPa之间，截面形式较为简单[7]。国内目前引进的屈服强度550MPa高强钢材，墙体立柱通常采用腹板中间加劲的复杂C形截面形式，构件的壁厚在1 mm左右，如图2所示。已完成的构件试验中，采取纯弯曲或者轴向荷载作用的加载方式与结构墙柱在压、弯、剪联合作用下的受力状态有差异。
国内外的试验研究表明单根开口C形截面龙骨柱的抗侧能力很小，且结构的抗剪强度和刚度主要依靠覆面板的蒙皮效应。因此，基本构件的抗震性能研究不是其结构体系研究的重点。
图 2加劲截面
2.2连接抗震性能
壁厚2mm 以下冷弯薄壁型钢结构大多采用螺钉连接，螺钉连接具有施工方便、外形美观、连接刚度好以及承载能力高等优点。根据被连接对象的不同，螺钉连接分为龙骨构件间的连接和覆面板与龙骨骨架间的连接。其中，后者是影响龙骨式复合墙体和房屋结构抗震性能的主要因素。
冷弯薄壁型钢复合墙体由于采用不同的覆面板构造形式，故存在多种连接类型，其中应钢龙骨和钢拉条、钢龙骨和波纹板、钢龙骨和OSB板以及钢龙骨和石膏板等的连接较为常见。对于自攻螺钉连接性能的研究多采用图3的试验方式。国外Miquel Casafon、Alfredo Arnedo[8，9]就钢龙骨墙柱与X形拉条采用自攻螺钉连接进行了承载力试验，研究连接的破坏模式和力学性能的影响参数；L.A.Fǜl?p[10]研究了墙体钢龙骨和波纹板和OSB板连接。聂少锋[11]选用Q345冷弯型钢的钢板与OSB板、钢板与石膏板连接做了一个单调拉伸试验。潘斯勇[12]选用屈服强度550MPa冷弯超薄壁型钢的钢板与钢板、钢板与OSB板以及钢板与石膏板连接的进行了剪切试验。
图 3自攻螺钉连接抗剪试验
2.3复合墙体抗震性能
龙骨式复合墙体是低层冷弯薄壁型钢龙骨体系房屋整体的抗震性的主要方面。因此，国内外关于龙骨式复合墙体的抗剪性能的研究较多。
国外Tarpy[13]首先进行了冷弯型钢龙骨式复合墙体的抗剪性能试验，随后Serrette、Gad等[14~16]围绕龙骨骨架及覆面板材料、墙体高宽比、加载方式及开洞尺寸等因素对抗剪性能的影响进行了众多试验。试验研究表明：随着变形的增加，墙体刚度发生严重退化和耗能量降低。1998年，AISI发布了《剪力墙设计指南》[17]，给出了不同高宽比、不同罩面类型、不同螺栓间距的轻钢龙骨墙体单位长度的抗剪强度。J?rgLange[18]对冷弯薄壁型钢抗剪墙体在水平和竖向荷载作用下的力学特性进行了试验研究，提出了墙体的强度和刚度确定方法，并引入用来评估蒙皮效应的分析模型。
国内何保康、郭丽峰[19，20]首先针对覆OSB板+石膏板墙体考察了加载方式和高宽比这两种因素对墙体抗剪性能的影响。后来针对高强度冷弯薄壁型钢骨架构成的复合墙体进行了抗剪试验。周绪红等[21]分别对覆OSB板和硅酸钙板的复合墙体做了抗剪试验。苏明周等[22]对复合墙体进行了水平低周反复加载试验，主要对立柱为单双柱的情况、斜向撑杆以及开洞等因素进行了研究。李元齐等[23]分别对覆OSB板+石膏板和波纹钢板+石膏板墙体进行了试验研究，考察了覆面板材料、加载方式以及洞口尺寸等因素对抗剪性能的影响。随着波纹钢板覆面冷弯薄壁型钢龙骨式剪力墙作为一种新型抗侧力结构体系的出现，张文莹等[24]对其抗震性能进行了研究。在这些试验中，仅仅得到了一些定性的抗震性能指标，并未归纳出标准的设计方法。
图 4复合墙体抗剪试验
2.4整体结构抗震性能
足尺模型是研究低层冷弯型钢龙骨体系结构整体模型的抗震性能的主要手段。
国外Gad[25]等人进行了单片无罩面墙架、单间房屋模型的振动台试验。通过不同结构构造的足尺原型房屋试验验证了不同冷弯薄壁型钢龙骨连接类型和非结构构件的作用。Kim和Wilcoski[26]建造了一个两层单跨的冷弯薄壁型钢结构足尺模型振动台，如图 5所示。模型的抗剪墙体采用密柱带交叉钢带的形式，墙柱C形截面壁厚为2.6mm，材料屈服强度366MPa。试验结果表明：墙内侧罩石膏板明显增加了墙体的侧向刚度并提高了体系的非弹性耗能能力。此外，当石膏板和拉条共同作用时，体系的整体刚度、强度均可直接叠加。
图 5 Kim和Wilcoski足尺模型振动台试验
国内沈祖炎、李元齐[27]对屈服强度550MPa高强冷弯薄壁型钢结构的二层住宅进行了足尺模型振动台试验模拟实验，如图6所示。试验结果表明：覆面采用石膏板加波纹板构造形式的复合墙体结构符合国内设防烈度9度及以下地区“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。此外，黄智光等[28]对一栋三层的冷弯薄壁型钢龙骨体系房屋足尺模型进行了振动台试验，如图7所示。试验结果表明：结构在振动过程中龙骨骨架基本完好、结构变形形式为剪切型，仅出现局部破坏。9度抗震设防时，满足抗震规范关于抗震变形验算的相关规定且具有较高的安全储备。
图 7西安建筑科技大学足尺模型振动台试验
国内外已完成的试验具有一定的代表性，通过众多试验验证了低层冷弯薄壁型钢龙骨体系整体结构具有良好的抗震性能。然而由于复合墙体构造类型的多样性，采用其他构造形式墙体的结构整体抗震性能还有待进一步研究。
3 数值模拟技术
随着有限单元法和计算机软、硬件的发展，尝试用数值模拟手段来研究低层冷弯薄壁型钢龙骨体系抗震性能成为了一种趋势。在完成的的数值模拟研究中，基本思路是从基本构件到整体结构进行研究的。
国内王士奇等[6]采用有限元分析软件 ABAQUS、ANSYS等用壳单元模拟冷弯薄壁 C形截面构件来研究其在荷载作用下的滞回性能。分析结果与试验结果类似：基本构件的滞回性能对于墙体或是整体结构的影响不大。
关于螺钉连接的性能，主要是是螺钉连接在单向荷载作用下的抗剪承载力。2007年，Fiorino[29]等设计了一种在龙骨构件两侧覆板的双面单剪对称形式的螺钉连接试件，为后续螺钉连接恢复力模型研究工作的开展创造了条件。尽管如此，目前关于螺钉连接恢复力模型的研究还很缺乏。
根据国内外现有研究成果，较认同耦合位移模型[30]、精细化模型[10，17，31，32]和等效支撑模型[33]是符合低层冷弯薄壁型钢龙骨体系龙骨式复合墙体抗震性能数值模型的三种主要模型。这三种模型都认为墙体抗剪能力主要取决于覆面板的蒙皮效应，覆面板是墙体的主要抗侧力构件。
关于整体结构抗震性能的数值模拟，张雪娇[32]在低层冷弯薄壁型钢龙骨体系房屋结构的各层楼板、屋盖的平面内刚度无限大以及结构仅做平移运动的假定情况下，采用 SAP2000程序建立了整体结构的二维数值模型，对动力时程进行分析。石宇[34]在耦合位移墙体模型的基础上建立了房屋结构的三维空间有限元数值模型并进行了模态分析和水平地震下的动力时程分析。
图 8墙体数值模拟模型
从有限元软件应用以来，低层冷弯薄壁型钢龙骨体系抗震性能的数值模拟研究工作的时间还较短，现在正处于起步阶段，研究中的各个环节尚有待于逐步完善。
4 结论与展望
本文针对国内外对于低层冷弯薄壁型钢龙骨体系房屋抗震性能的研究的试验成果进行了总结。近年来国内外的研究已经取得了很大的进展，但低层冷弯薄壁型钢龙骨体系结构在抗震性能数值模拟方面的研究尚不完善。关于螺钉连接的恢复力模型、龙骨式剪力墙的恢复力模型以及房屋整体的抗震性能数值模拟需要更多的学者和专家深入研究。此外，考虑到国内很多地区都有抗震设防的要求，因开展冷弯薄壁型钢结构抗震性能的研究能推进其在国内低层房屋建筑领域的应用，具有很大的实用价值。
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论文作者:张宁美1,王亚东2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第36期
论文发表时间:2018/6/11
标签：薄壁论文; 型钢论文; 龙骨论文; 墙体论文; 性能论文; 冷弯论文; 结构论文; 《建筑学研究前沿》2017年第36期论文;