研究生開題報告ppt課件

1、冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)房屋的組合墻體抗剪性能研究選題報告長安大學(xué)建筑工程學(xué)院學(xué)生： 2019.71. 概述2. 在中國發(fā)展冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)房屋的必然性，可行性3. 課題的引出4. 國內(nèi)外關(guān)于該類組合墻體的研究概況5. 本研究課題的主要目的及內(nèi)容6. 本研究的預(yù)期目的主要成果、理論意義及實際應(yīng)用價值）7. 本研究的物質(zhì)條件試驗、測試、數(shù)據(jù)處理手段）8. 論文進(jìn)度安排1 概述 現(xiàn)代輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑體系誕生于二十世紀(jì)初, 隨著人類環(huán)保意識的加強(qiáng)，世界各國逐漸采用冷彎薄壁型鋼房屋結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的木結(jié)構(gòu)。目前，美國、日本、澳大利亞等國早已采用鍍鋅輕鋼龍骨作為承重體系應(yīng)用于住宅建筑。2019年，美國的低層輕鋼結(jié)

2、構(gòu)住宅僅有500棟，到2000年已達(dá)到20萬棟的規(guī)模，約占美國住宅建筑的20%。而且，國外在輕鋼結(jié)構(gòu)體系的分析、設(shè)計理論和方法及制造工藝上已經(jīng)非常完善，其專用設(shè)計軟件可在短時間內(nèi)完成設(shè)計、繪圖、工程量統(tǒng)計及工程報價，在制作上也實現(xiàn)了高度的標(biāo)準(zhǔn)化及工廠化。 北美典型的鋼結(jié)構(gòu)低層住宅是采用冷成型輕鋼龍骨作為承重體系。構(gòu)件壁厚為0.462.46mm，截面形式有C型主要用于垂直構(gòu)件），和U型主要用于地梁和頂部水平橫梁），門窗洞口過梁采用兩個C型構(gòu)件組合成工字型截面。在400mm或600mm間距的鋼骨間布置各種支撐體系，在兩側(cè)安裝上結(jié)構(gòu)板材或飾面石膏板后，形成肋非?？煽康摹鞍謇呓Y(jié)構(gòu)體系”。這種結(jié)構(gòu)鋼骨和

3、鋼骨之間，以及墻材與鋼骨之間的連接全部采用自攻螺釘或普通鐵釘，結(jié)構(gòu)安裝方便，可以較好的抵抗地震與風(fēng)等水平荷載以及建筑物自重等各種豎向荷載的作用。 與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土和砌體結(jié)構(gòu)相比，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)： 1.可實現(xiàn)住宅建筑的工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化。結(jié)構(gòu)構(gòu)件、裝飾構(gòu)件、水暖電構(gòu)件都可以進(jìn)行工業(yè)化、模數(shù)化、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，真正消除了天氣原因引起的延誤，提高資金周轉(zhuǎn)率、縮短建設(shè)工期，綜合效益高； 2.符合國家環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展要求。鋼材可以回收利用，施工現(xiàn)場濕作業(yè)少，減少了噪聲、粉塵對周圍環(huán)境的污染，而且采用高效節(jié)能、隔音材料，屬于節(jié)能建筑； 3.居室功能設(shè)計更加合理。輕鋼結(jié)構(gòu)的特性是可以提供大空間

4、裸房，支撐體是永恒的，填充體者可以更新?lián)Q代，不同用戶的不同要求都可以得到滿足，用戶可以自主進(jìn)行建筑平面設(shè)計； 4.提高住宅建筑面積的使用率。輕鋼建筑采用輕質(zhì)板材作為隔板材料，使用面積增加大約5%； 5.輕鋼結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高強(qiáng)，抗震性能好，安全性高，而且單位面積質(zhì)量輕，降低了了建筑物的基礎(chǔ)造價； 6.輕鋼結(jié)構(gòu)建筑不助燃，不霉變，不蟲蛀，不老化，少維修。2 在中國發(fā)展冷彎薄壁型鋼住宅的必然性、可行性 我國目前住宅產(chǎn)業(yè)化還相當(dāng)落后，建筑設(shè)計與建筑材料水平低，基礎(chǔ)性技術(shù)研究工作薄弱，新型建筑體系及其配套部件與產(chǎn)品體系尚未形成。而且，加入WTO后， 國外輕鋼結(jié)構(gòu)公司，如ABC、巴特勒和冠達(dá)爾等紛紛進(jìn)入中國，我

5、國住宅產(chǎn)業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。目前，我國住宅建筑發(fā)展的根本目標(biāo)是產(chǎn)業(yè)化和環(huán)保，低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅特別適合于在山地和坡地建造，可以節(jié)約良田、改善自然建筑人文景觀，促進(jìn)城鄉(xiāng)建設(shè)，屬于環(huán)保建筑又能實現(xiàn)住宅建設(shè)產(chǎn)業(yè)化，該體系適合我國國情的發(fā)展。 我國發(fā)展冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅已具備了物質(zhì)與技術(shù)條件，并且國家逐步調(diào)整政策鼓勵發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)。2019年我國鋼材產(chǎn)量已達(dá)到1.5億噸，居世界第一位。國內(nèi)新建和轉(zhuǎn)產(chǎn)的鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)已近有500家，種類繁多的鋼材品種和配套的建材、圍護(hù)結(jié)構(gòu)均能自行生產(chǎn)，不少企業(yè)已實現(xiàn)設(shè)計、制造、安裝一體化。而且建設(shè)部在中提出“積極、合理、較快地發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)”，并強(qiáng)調(diào)加速推廣定型化的輕型

6、房屋鋼結(jié)構(gòu)體系。2019年，經(jīng)國家經(jīng)貿(mào)委批準(zhǔn)，將“輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑通用體系的開發(fā)和應(yīng)用作為建筑業(yè)用鋼的突破點(diǎn)，并正式列入國家重點(diǎn)技術(shù)創(chuàng)新項目。2019上海市頒布了第一個試行規(guī)程MB-1輕鋼龍骨體系低層裝配式房屋技術(shù)規(guī)程。為了指導(dǎo)我國自主建造低層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅，推動輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，建設(shè)部正在編制我國第一個輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)低層輕型鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅技術(shù)要求。低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅已成功運(yùn)用于廣東、浙江、上海等多個項目中，該結(jié)構(gòu)體系的推廣必將帶動我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展。3 課題的引出 近幾年來，冷彎薄壁型鋼房屋結(jié)構(gòu)在我國逐漸被推廣使用，鑒于它輕質(zhì)、造型美觀、安裝周期短等優(yōu)點(diǎn)，這種房屋常用于單層

7、或二層別墅住宅，見照片1。 圖1 由于這種輕鋼房屋體系的性能還未被完全掌握，國內(nèi)輕鋼制造廠家和設(shè)計院在對冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計時仍沿用普通的冷彎薄壁型鋼構(gòu)件設(shè)計規(guī)范，或完全按國外的設(shè)計表格選取構(gòu)件。這樣使我國的輕鋼結(jié)構(gòu)用鋼量指標(biāo)攀高不下，或者在沒有理論根據(jù)的情況下僅憑經(jīng)驗一味追求低用鋼量或者盲目套用國外規(guī)范。 此類房屋結(jié)構(gòu)的主要承載構(gòu)件是房屋的墻體，墻體既承受上部結(jié)構(gòu)傳下的荷載，又承受風(fēng)或地震作用等水平荷載作用。墻板材料可采用纖維板、紙漿板、膠合板或石膏板，若墻板材料強(qiáng)度足夠，墻板與龍骨柱間有足夠的連接，墻板對龍骨柱能提供側(cè)向支撐，可以提高龍骨柱的強(qiáng)度，使結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟(jì)，見圖2所示。圖2 本課

8、題來源于國家國際科技合作重點(diǎn)項目子題的研究內(nèi)容，主要通過試驗方法和有限元分析，對冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)房屋的組合墻體的抗剪性能進(jìn)行研究，以便為國家設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。4 國內(nèi)外關(guān)于該類組合墻體的研究概況 1.線性彈簧支撐 1947年，Green，Winter及Cuykendall關(guān)于墻板對墻龍骨的支撐性能進(jìn)行了理論及試驗研究，研究認(rèn)為墻板對龍骨提供的支撐是線性彈簧類型。結(jié)果發(fā)現(xiàn)為了給龍骨提供必要的支撐，組合體必須滿足三個條件：1.連接件間距必須足夠小，以防連接件間的龍骨在墻方向發(fā)生屈曲；2.墻體材料具有足夠剛性，以使龍骨在墻方向變形盡可能??；3.墻材料和龍骨間的連接應(yīng)有足夠強(qiáng)度，以形成能抵抗屈曲

9、的側(cè)向力，而連接件不破壞。 2.蒙皮支撐 20世紀(jì)70年代，Corenll大學(xué)和其他機(jī)構(gòu)對墻支撐龍骨的新研究表明，鋼板對柱提供的支撐是剪力蒙皮類型。于煒文在文獻(xiàn)2中對各國關(guān)于蒙皮性能的研究做了詳盡的敘述。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)蛯永鋸澅”谛弯摻Y(jié)構(gòu)住宅的墻龍骨連有罩面材料后，墻材料能有效支撐鋼框架構(gòu)件，防止發(fā)生在板平面內(nèi)柱整體屈曲和梁側(cè)向屈曲。墻龍骨能承受的最大荷載由以下兩情況之一確定：1.墻平面內(nèi)連接件之間墻龍骨柱屈曲圖3）；2.龍骨柱整體屈曲圖4）。 圖3 完全有效的連接件間的龍骨屈曲 圖4龍骨柱整體屈曲 如圖3所示，當(dāng)連接件之間龍骨屈曲時，破壞模型可能有彎曲屈曲、扭轉(zhuǎn)屈曲和彎扭屈曲，取決于龍骨橫截面

10、的幾何形狀及連接件間距，與墻材料無關(guān)，可按無墻板密肋柱墻體設(shè)計。 1976年，Simaan和Pekoz以組合墻體綜合研究為基礎(chǔ)，提了幾個穩(wěn)定方程，以確定墻立柱發(fā)生不同類型的整體屈曲時的臨界荷載。這些屈曲荷載方程適用于兩翼緣均有墻材罩面的槽鋼、C形截面、Z形截面和I字形截面。 美國AISI規(guī)范第D4b），D4.1D4.3節(jié)考慮了墻材料對墻體立柱設(shè)計荷載的影響。AISI條款主要建立在Cornell大學(xué)Simaan、Pekoz等學(xué)者的研究工作基礎(chǔ)上，雖然研究考慮了墻龍骨一側(cè)翼緣、兩側(cè)翼緣所連墻體的剪切剛度和轉(zhuǎn)動約束，但AISI設(shè)計僅針對龍骨兩側(cè)翼緣設(shè)有相同剪力蒙皮支撐的情況，且忽略了墻材料對立柱提供

11、的轉(zhuǎn)動約束。 從80年代中期到現(xiàn)在，我國學(xué)者張耀春、朱勇軍等對蒙皮支撐的鋼構(gòu)件進(jìn)行了研究。用幾何非線性有限元分析方法對蒙 皮支撐柱在靜力荷載作用下的性能進(jìn)行研究。將壓型鋼板等效成正交各向異性板，并離散為八節(jié)點(diǎn)超參數(shù)板殼單元；鋼構(gòu)件被離散成空間薄壁開口截面梁柱單元；構(gòu)件和蒙皮之間的連接用連接元來模擬。并通過試驗方法驗證有限元分析的正確性和適用性，同時考察單面蒙皮支撐的C形截面柱的性能。理論分析和試驗結(jié)果均表明隨著蒙皮抗剪剛度及扭轉(zhuǎn)約束的增加，構(gòu)件的截面扭轉(zhuǎn)和翼緣側(cè)向變形將大為減小，承載能力大大提高。 3.側(cè)向彈性支撐 90年代中后期，Miller,T.H.和T.Pekoz等對輕鋼住宅中的組合墻體

12、進(jìn)行了一系列研究，發(fā)現(xiàn)石膏板支撐龍骨的強(qiáng)度明顯依賴于龍骨間距，而且石膏板的變形僅發(fā)生在連接件局部，并不在作為剪力蒙皮的整個板內(nèi)分布，這有別于蒙皮支撐。國內(nèi)外對該類組合墻體進(jìn)行了一系列的試驗、理論和有限元分析。1試驗小節(jié) 墻體的強(qiáng)度取決于許多因素間的相互作用，包括墻板的強(qiáng)度和厚度、自攻螺釘?shù)拈g距、墻體的高寬比以及鋼墻龍骨柱的強(qiáng)度和和間距等。由于這些因素，墻體的強(qiáng)度一般要通過1：1的足尺試件來研究其性能。 Serrette等對輕鋼住宅的組合墻體，在單調(diào)水平加載下的抗剪性能進(jìn)行進(jìn)行了一系列的試驗研究。試驗方法同ASTM E7280中規(guī)定的方法，文獻(xiàn)【51】中詳細(xì)介紹了試驗裝置、試驗方法和結(jié)果處理方法

13、。文獻(xiàn)52中，通過足尺試驗以測定墻體的抗剪性能、通過小比例試件測試墻體的連接特性。小比例試件的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：石膏板連接的破壞都是螺釘楔入石膏板中30度左右剪切滑移， OSB板的連接破壞似伴隨著螺釘從板中拔出，螺釘附近的墻板材料破壞。 Lee, Y. K. 等對輕鋼住宅的組合墻體在軸心受力時的承載力進(jìn)行了試驗研究。 2019年，西安建筑科技大學(xué)對北新房屋公司開發(fā)的輕鋼別墅的墻體進(jìn)行了1：1的模型試驗，包括：1.豎向荷載作用下，組合墻體立柱的承載力研究；2.水平單調(diào)加載和低周期往復(fù)加載下，墻體的抗剪性能研究；3.模擬風(fēng)荷載作用下，組合墻體的抗彎性能研究。2理論分析 Young-Ki Lee 和Th

14、omas H.Miller對輕鋼住宅中，立柱兩側(cè)翼緣連接有石膏板的組合墻體在軸心受力時進(jìn)行了理論研究。在TimoshenkoGere(1961)的具有連續(xù)彈性支承桿的彎扭屈曲模型上，將石膏板對立柱的側(cè)向支撐效應(yīng)等效為一系列的彈簧支撐，分析模型見圖5。作者分析了兩端鉸接的墻體立柱可能發(fā)生的五種屈曲形式，用能量法解出了立柱發(fā)生繞弱軸的彎曲屈曲荷載P2和整體彎扭屈曲荷載P3。并將解析解和Miller1990年的試驗結(jié)果相比較，吻合較好。 圖5 墻體簡化模型 鐘亞軍在TimoshenkoGere(1961)彎扭屈曲模型的基礎(chǔ)上，用解析法推導(dǎo)出冷彎型鋼低層住宅墻體立柱，在四種典型邊界條件下的臨界屈曲荷載

15、?？紤]墻板的支撐效應(yīng)后，墻體立柱的承載力提高1.61.8倍，立柱墻體連接件間距取s=L/8較為合理，L為立柱長度。3有限元分析 木結(jié)構(gòu)與輕鋼密立柱墻體相似，對木立柱結(jié)構(gòu)房屋墻體抗剪性能的理解對研究輕鋼密立柱房屋墻體有借鑒作用。 Itani對木立柱墻體進(jìn)行了非線性有限元的分析，將墻板模擬成二維板單元、木立柱被模擬為梁單元、釘子被模擬為一系列彈簧單元，分析中假設(shè)木立柱與墻板呈線彈性變化，每個節(jié)點(diǎn)采用三個彈簧單元分別代表板切線方向、法線方向和轉(zhuǎn)動的約束。但是木結(jié)構(gòu)的密立柱墻體抗剪性能試驗的破壞現(xiàn)象為釘子破壞并從木立柱中拔出，釘子進(jìn)入非線性狀態(tài)；而輕鋼密立柱墻體破壞為螺釘附近板為承壓破壞，螺釘仍處于彈

16、性狀態(tài)。 Emad F.Gad用三維有限元模型分析了側(cè)向單調(diào)加載時，具有復(fù)雜邊界條件的冷彎型鋼住宅建筑的組合墻體?？紤]這些邊界條件后，立柱的承載力是孤立墻體的三倍，在文獻(xiàn)18中，作者將立柱與上下導(dǎo)軌離散為梁單元，他們之間的連接為鉸接；石膏板離散為殼單元；螺釘連接離散為非線性彈簧單元。 郭麗峰在西安建筑科技大學(xué)組合墻體的試驗基礎(chǔ)上完成了碩士論文，并利用有限元進(jìn)行了模擬分析。提出了復(fù)雜的和簡化的兩種模型，將卷邊槽鋼離散為殼單元shell143、石膏板和OSB板離散為二維實體單元plane42、骨架和墻板的連接離散為非線性連接單元combine39。墻體豎向荷載在輸入時簡化為頂部導(dǎo)軌的自重，用力控制

17、加載。 2019年，上海市頒布了我國第一個試行規(guī)程MB-1輕鋼龍骨體系低層裝配式房屋技術(shù)規(guī)程，該規(guī)程在結(jié)構(gòu)計算時未考慮墻面材料對立柱所提供的支撐作用，這與其力學(xué)性能特征不符合，也浪費(fèi)了材料。 5 本研究課題的主要目的及內(nèi)容 本課題主要對冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)房屋的組合墻體的抗剪性能進(jìn)行試驗和有限元方法分析，從而提出實用的設(shè)計方法，以便為國家設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)提供設(shè)計依據(jù)。主要內(nèi)容包括試驗方法和有限元分析兩部分： 1試驗方法 試驗的目的：1.測試立柱間距為600模數(shù)下的3米高墻體，在水平單調(diào)加載及低周反復(fù)加載兩種情況下的抗剪承載力Pu，并比較二者的性能差異； 2.分別進(jìn)行兩種結(jié)構(gòu)板材OSB板和石膏板的單板

18、墻體抗剪試驗和雙板墻體抗剪試驗，以測試單板墻體抗剪強(qiáng)度與雙板墻體抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系，為將來雙板墻體抗剪強(qiáng)度的換算提供依據(jù)；3.校驗豎向荷載對立柱間距為600模數(shù)下的3米高墻體抗剪能力的影響；4.測試立柱間距為600模數(shù)下的3米和3.3米高墻體在水平低周反復(fù)加載情況下的抗剪 承載力Pu之間的換算關(guān)系；5.對試驗現(xiàn)象、結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析，并對墻體構(gòu)造提出改進(jìn)建議。 試驗裝置見圖6，試驗內(nèi)容見表1。2 有限元分析方法利用ANSYS分析軟件對試驗中的組合墻體抗剪性能進(jìn)行模擬分析。冷彎薄壁型鋼采用截面邊緣纖維屈服準(zhǔn)則，失穩(wěn)后塑性發(fā)展不多，但由于墻板對立柱的支撐效應(yīng)使其塑性得到一定的發(fā)展，故假設(shè)鋼材選用理想

19、彈塑性，墻板材為各向同性的彈性材料，分析中不考慮材料的殘余應(yīng)力缺陷和初始幾何缺陷的影響，并忽略卷邊槽鋼的圓角硬化的影響。立柱與導(dǎo)軌的連接為鉸接。 根據(jù)該類組合墻體的受力特征，將上下 圖6 墻體抗剪試驗裝置簡圖 表一 組合墻體試件編號及抗剪試驗研究內(nèi)容 墻體試驗加載方法 序號 組別 試件 編號 試件參數(shù) （Hb） 水平荷載 豎向力 研 究 內(nèi) 容 1 BX-1 單調(diào)加載 2 BX-2A 3 BX-2B 4 第 一 組 BX-2C 3m2.4m （單面石膏板） 低周反復(fù)加載 BX-1 和 BX-2 的試驗結(jié)果對比分析。 5 BX-3 單調(diào)加載 6 BX-4A 7 BX-4B 8 第 二 組 BX-

20、4C 3m2.4m （單面 OSB 板） 低周反復(fù)加載 BX-3 和 BX-4 的試驗結(jié)果對比分析。 9 BX-5 單調(diào)加載 10 BX-6 0 11 第 三 組 BX-7 3m2.4m （石膏板+OSB） 低周反復(fù)加載 80kN BX-57 的試驗結(jié)果對比分析，并與第一批試驗結(jié)果比較； 12 BX-8 3.3m2.4m （單面石膏板） 13 第 四 組 BX-9 3.3m2.4m （ 單 面OSB板） 低周反復(fù)加載 0 BX-8、 BX-9 與 BX-2、 BX-4的試驗結(jié)果對比分析。 導(dǎo)軌、輕鋼立柱和墻板離散為殼單元、立柱和墻板之間的連接采用耦合限制連接部位處的X、 Y、Z方向的平動，而不限制轉(zhuǎn)動的辦法來分析。 有限元方法僅分析組合墻體在水平方向單調(diào)加載情況下的性能。分析考慮單面墻板組合墻體與雙面墻板組合墻體之間的相關(guān)性，豎向荷載對墻體抗剪性能的影響，以及長寬比對墻體承載力的影響。6 預(yù)期效果主要成果，理論意義及實際應(yīng)用價值） 1.通過試驗觀察，了解并總結(jié)該類組合墻體在水平荷載作用下的受力及破壞特征，并在此基礎(chǔ)上完成試驗報告，包括試驗裝置、試驗方法、試驗過程、以及數(shù)據(jù)處理及試驗結(jié)果分析等。 2.建立合理的有限元分析模型，使其分析結(jié)果與試驗結(jié)果很好吻合，以便為實際工程設(shè)計提供有效的方法。 3.歸納總結(jié)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)房屋的組合墻體的抗剪性能，包括：單面墻板組合墻體與雙面墻板組合