1 緒論 

1.1 冷彎薄壁型鋼及其結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn) 
冷彎薄壁型鋼不僅是單純通過增大截面面積的方式，還可以通過改變截面形狀的方式獲得較好的力學(xué)性能，能承受較大的荷載。 跟據(jù)上述冷彎薄壁型鋼構(gòu)成和成型來看，冷彎薄壁型鋼及其結(jié)構(gòu)體系有以下特點(diǎn)[1]： （1）冷彎薄壁型鋼布置靈活。與截面積相同的熱軋型鋼相比較，截面布置靈活，品種繁多。 （2）冷彎薄壁型鋼性能好。材料強(qiáng)度高、構(gòu)件截面形式優(yōu)化，用鋼量��；自重輕，基礎(chǔ)材料��；耐久性好，建筑解體后可回收再利用；慣性矩和抵抗矩等的截面特性系數(shù)較高，鋼材的力學(xué)性能得到充分的發(fā)揮；經(jīng)過冷加工，材料出現(xiàn)冷彎效應(yīng)，強(qiáng)度得到提高。 （3）有利于住宅產(chǎn)業(yè)化。冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)可在工廠加工制作，現(xiàn)場(chǎng)拼裝，施工速度快；構(gòu)件、結(jié)構(gòu)板材和建筑配件可在工廠按標(biāo)準(zhǔn)定型，進(jìn)行社會(huì)化生產(chǎn)、市場(chǎng)化采購，配套性好、質(zhì)量容易保證。 （4）結(jié)構(gòu)節(jié)能環(huán)保。冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)中熱工管道鋪設(shè)在節(jié)能墻體中，可減少熱能損失；少使用水泥和粘土磚等不可再生資源，避免其在生產(chǎn)過程中的能源消耗；采用新型建筑材料，不助燃，可防腐蝕、霉變和蟲蛀，居住的環(huán)境衛(wèi)生健康；施工時(shí)噪聲、粉塵和垃圾少。 （5）結(jié)構(gòu)節(jié)省用地。冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)墻體的厚度較小且四壁規(guī)整、便于建筑布置,增加了住宅有效使用面積（約 5%以上）；施工時(shí)占地少。 （6）結(jié)構(gòu)自重輕。其自重僅為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的 1/3～1/4，基礎(chǔ)負(fù)擔(dān)小且處理簡(jiǎn)單，尤其適用于如坡地、劣地等地質(zhì)條件較差的地區(qū)，節(jié)約優(yōu)質(zhì)土地資源。
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1.2 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用及發(fā)展 
中國(guó)房屋鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展面臨重大機(jī)遇，，作為 7 億噸的世界第一產(chǎn)鋼大國(guó)，鋼結(jié)構(gòu)建筑只占 5%，而發(fā)達(dá)國(guó)家占 50%以上。冷彎型鋼在建筑上的使用在國(guó)外更是占有冷彎型鋼總產(chǎn)量的 70%，如圖 1.1 所示為冷彎薄壁型鋼住宅體系。 據(jù)相關(guān)資料顯示[2]，20 世紀(jì) 90 年代，在美國(guó)使用冷彎型鋼的鋼結(jié)構(gòu)建筑比例已超過熱軋 H 型鋼。冷彎型鋼在 1～2 層的建筑結(jié)構(gòu)有廣泛使用[3～5]。輕型門式剛架房屋體系是國(guó)內(nèi)外近幾年發(fā)展較快、應(yīng)用較多的一類建筑，更是冷彎型鋼在建筑結(jié)構(gòu)上使用的體現(xiàn)。 在中國(guó)，混凝土和砌體結(jié)構(gòu)住宅一統(tǒng)天下，但這些傳統(tǒng)住宅的建造浪費(fèi)國(guó)土資源，破壞生態(tài)環(huán)境和消耗大量能源，因此傳統(tǒng)住宅建造方式的改變是當(dāng)前的重要課題。伴隨著改革開放，尤其在近幾年，發(fā)達(dá)國(guó)家輕型鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)的相應(yīng)產(chǎn)品和技術(shù)不斷涌入，國(guó)內(nèi)開始應(yīng)用定型和產(chǎn)業(yè)化的北美冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系，這推動(dòng)了冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展[6]。目前，中國(guó)鋼材產(chǎn)量世界第一，而且國(guó)家也在制定和調(diào)整政策以鼓勵(lì)發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)，中國(guó)正步入鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的黃金時(shí)期。在汶川地震之后，人們更加重視建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，使得輕鋼住宅體系在建造商及居民個(gè)體對(duì)不同建筑體系的選擇中越來越受到青睞。但目前在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用并不是很廣泛，每年建筑面積約為 20 萬 m2，主要原因在于此類結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算方法還不夠完善，試驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠充足，沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。但隨著社會(huì)的發(fā)展，這些制約將不復(fù)存在，而且冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系將成為建筑行業(yè)的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)體系。 
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2 雙肢冷彎薄壁 C 型鋼框架抗震性能試驗(yàn)研究 

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?nbsp;
試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑殡p肢冷彎薄壁 C 型鋼背靠背內(nèi)插熱軋鋼板以摩擦型高強(qiáng)螺栓連接的輕鋼框架。由于此類構(gòu)造形式較為特殊，框架梁柱之間傳力效果好壞還不明確，梁柱線剛度比能表征梁柱的彎矩傳遞效率[48]（梁線剛度為梁的抗彎剛度除以其長(zhǎng)度，即 EIb/L，同理柱的線剛度為 EIc/H，兩者之比為梁柱線剛度比），同時(shí)墊板厚度對(duì)整體框架的剛度是有影響的。因此，以梁柱線剛度比和墊板厚度為參數(shù)，其中線剛度比分別為 0.481、0.337 和 0.259，墊板厚度分別為 8mm，10mm 和 12mm。本試驗(yàn)主要研究此類構(gòu)造平面單層單跨鋼框架的抗震性能。 通過對(duì)五榀單層單跨縮尺平面雙肢冷彎薄壁 C 型鋼框架模型進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，擬達(dá)到以下目的： 研究框架結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制與特征、塑性鉸出鉸順序、變形、滯回性能、承載能力和剛度及其退化、延性和耗能能力等指標(biāo)，并得出以上 2 個(gè)參數(shù)對(duì)其抗震性能的影響程度，進(jìn)而明確雙肢冷彎薄壁C 型鋼框架的抗震性能特性。 
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2.2 試驗(yàn)方案確定 
建筑結(jié)構(gòu)抗震性能研究要求結(jié)構(gòu)物在模擬地震的荷載作用下進(jìn)行試驗(yàn)，以觀測(cè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、變形和破壞狀態(tài)。結(jié)構(gòu)承受的地震荷載可以等效為承受多次水平往返荷載，由于結(jié)構(gòu)吸收和耗散能量是依靠其自身的變形、局部破壞或耗能裝置來實(shí)現(xiàn)的，所以結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)的特點(diǎn)是水平往返荷載作用、結(jié)構(gòu)變形大，試驗(yàn)要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服并進(jìn)入非線性工作階段直至結(jié)構(gòu)完全破壞�；谝陨弦笄铱紤]到現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備條件，本試驗(yàn)采用低周反復(fù)加載擬靜力試驗(yàn)方法對(duì)五榀平面單層單跨縮尺雙肢冷彎薄壁 C 型鋼框架模型進(jìn)行抗震性能研究。 
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3 有限元 ANSYS 模型建立和適用性驗(yàn)證 ....... 38 
3.1 ANSYS 模型建立 ........... 38 
3.2 ANSYS 模型與試驗(yàn)驗(yàn)證 ...... 42 
4 ANSYS 模型參數(shù)拓展分析 ..... 45 
4.1 計(jì)算結(jié)果分析 ......... 45 
4.1.1 破壞現(xiàn)象及形態(tài) ........... 45 
4.1.2 滯回曲線及骨架曲線 .......... 51 
4.2 計(jì)算結(jié)果抗震分析 ......... 54 
4.2.1 承載力退化 ........... 54 
4.2.2 剛度退化 ....... 55 
4.2.3 延性 ....... 56 
4.2.4 耗能性能 ....... 56 
4.3 有限元模擬結(jié)論 ..... 57 

4 ANSYS 模型參數(shù)拓展分析 

本章進(jìn)行了 9 榀雙肢冷彎薄壁 C 型鋼框架低周反復(fù)荷載作用下模擬計(jì)算，以 C型鋼厚度、C 型鋼翼緣寬厚比、柱 C 型鋼腹板高厚比和梁 C 型鋼腹板高厚比等為研究參數(shù)，詳細(xì)地考察了框架的荷載-變形關(guān)系滯回曲線、骨架曲線、破壞形態(tài)、承載力和剛度及其退化規(guī)律、延性和耗能等。 將 F-S-2.5 作為基準(zhǔn)模型，以其為基礎(chǔ)建立不同參數(shù)的模型。模擬計(jì)算框架模型取跨度 1600mm，層高 960mm，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。采用 8.8 級(jí) Φ20 摩擦型高強(qiáng)螺栓，螺栓預(yù)拉力為125kN[49]。選取基準(zhǔn)模型 F-S-2.5 為代表，深入分析了加載過程中的破壞現(xiàn)象、受力特征和工作原理。模型加載分四個(gè)階段：第一階段為施加螺栓預(yù)緊力階段；第二階段為施加外荷載直至模型屈服階段；第三階段為屈服荷載至極限荷載階段；第四階段為極限荷載至破壞荷載階段。 在施加摩擦型高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力后，模型的冷彎薄壁 C 型鋼螺栓孔處集中力較大，已有部分螺孔應(yīng)力達(dá)到 304.29MPa；墊板基本沒有受力，最大應(yīng)力值僅為 3.25MPa，如圖4.1（a）和（b）所示。 當(dāng)梁端水平荷載加至 67.97kN 時(shí)，模型加載遠(yuǎn)端梁端屈服，冷彎薄壁 C 型鋼應(yīng)力最大值為 300.86MPa；墊板受力增加，其中梁柱節(jié)點(diǎn)板螺孔處受力最大，最大應(yīng)力值為124.28MPa，而柱中點(diǎn)處墊板和梁三分點(diǎn)處墊板基本不受力，如圖 4.1（c）和（d）所示。 當(dāng)梁端水平荷載達(dá)到模型極限荷載 75.30kN 時(shí)，模型兩柱腳處冷彎薄壁 C 型鋼受力最大，最大應(yīng)力為 335.61MPa；墊板的受力增加，尤其是梁柱節(jié)點(diǎn)板螺栓孔和加腋處，最大應(yīng)力值為 293.63MPa，而柱中點(diǎn)處墊板和梁三分點(diǎn)處墊板不受力，如圖 4.1（e）和（f）所示。 

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結(jié)    論

本文通過擬靜力試驗(yàn)和有限元模擬往復(fù)循環(huán)荷載計(jì)算等方法，深入研究了雙肢冷彎薄壁C 型鋼框架的墊板厚度、梁柱線剛度比、C 型鋼厚度、C 型鋼翼緣寬厚比、柱C 型鋼腹板高厚比和梁C 型鋼腹板高厚比等參數(shù)對(duì)其抗震性能的影響，研究結(jié)論如下： 
（1）雙肢冷彎薄壁 C 型鋼框架的塑性鉸出鉸順序?yàn)椋杭虞d遠(yuǎn)端梁端→加載遠(yuǎn)端柱腳→加載近端柱腳→加載近端梁端；破壞模式為框架梁端和柱腳局部屈曲，最終整體破壞，表明該類框架遵循“強(qiáng)柱弱梁”抗震原則。 
（2）隨著各個(gè)影響參數(shù)的變化，雙肢冷彎薄壁 C 型鋼框架承載力和剛度退化穩(wěn)定，滯回環(huán)飽滿，位移延性系數(shù)在 2.47～5.16 之間，等效粘性阻尼系數(shù)在 0.16～0.45 之間，表明該類框架的抗震性能較好。 
（3）各個(gè)參數(shù)的變化對(duì)雙肢冷彎薄壁 C 型鋼框架抗震性能都有不同程度影響，唯有增加 C 型鋼厚度和降低梁柱線剛度比可以改善框架的抗震性能。 
（4）建議設(shè)計(jì)框架時(shí)，梁柱線剛度比應(yīng)不小于 0.481，采用 8.8 級(jí) M20 摩擦型高強(qiáng)螺栓較為合適，墊板厚度與 C 型鋼尺寸進(jìn)行匹配計(jì)算，保證強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件設(shè)計(jì)即可。  
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：37932