《研究生开题报告》PPT课件.ppt

冷弯薄壁型钢结构房屋的组合墙体抗剪性能研究选题报告,长安大学建筑工程学院 学生： 2010.7,1. 概述 2. 在中国发展冷弯薄壁型钢结构房屋的必然性，可行性 3. 课题的引出 4. 国内外关于该类组合墙体的研究概况 5. 本研究课题的主要目的及内容 6. 本研究的预期目的（主要成果、理论意义及实际应用价值） 7. 本研究的物质条件（试验、测试、数据处理手段） 8. 论文进度安排,1 概述 现代轻型钢结构房屋建筑体系诞生于二十世纪初, 随着人类环保意识的加强，世界各国逐渐采用冷弯薄壁型钢房屋结构代替传统的木结构。目前，美国、日本、澳大利亚等国早已采用镀锌轻钢龙骨作为承重体系应用于住宅建筑。1997年，美国的低层轻钢结构住宅仅有500栋，到2000年已达到20万栋的规模，约占美国住宅建筑的20%。而且，国外在轻钢结构体系的分析、设计理论和方法及制造工艺上已经非常完善，其专用设计软件可在短时间内完成设,计、绘图、工程量统计及工程报价，在制作上也实现了高度的标准化及工厂化。 北美典型的钢结构低层住宅是采用冷成型轻钢龙骨作为承重体系。构件壁厚为0.462.46mm，截面形式有C型（主要用于垂直构件），和U型（主要用于地梁和顶部水平横梁），门窗洞口过梁采用两个C型构件组合成工字型截面。在400mm或600mm间距的钢骨间布置各种支撑体系，在两侧安装上结构板材或饰面石膏板后，形成肋非常可靠的“板肋结构体系”。这种结构钢骨和钢骨之间，以及墙材与钢骨之间的连接,全部采用自攻螺钉或普通铁钉，结构安装方便，可以较好的抵抗地震与风等水平荷载以及建筑物自重等各种竖向荷载的作用。 与传统的钢筋混凝土和砌体结构相比，冷弯薄壁型钢结构住宅具有独特的优点： 1.可实现住宅建筑的工业化和产业化。结构构件、装饰构件、水暖电构件都可以进行工业化、模数化、产业化生产，真正消除了天气原因引起的延误，提高资金周转率、缩短建设工期，综合效益高； 2.符合国家环保和可持续发展要求。钢材可以回收利用，施工现场湿作业少，减,少了噪声、粉尘对周围环境的污染，而且采用高效节能、隔音材料，属于节能建筑； 3.居室功能设计更加合理。轻钢结构的特性是可以提供大空间裸房，支撑体是永恒的，填充体者可以更新换代，不同用户的不同要求都可以得到满足，用户可以自主进行建筑平面设计； 4.提高住宅建筑面积的使用率。轻钢建筑采用轻质板材作为隔板材料，使用面积增加大约5%； 5.轻钢结构轻质高强，抗震性能好，安全性高，而且单位面积质量轻，降低了,了建筑物的基础造价； 6.轻钢结构建筑不助燃，不霉变，不虫蛀，不老化，少维修。 2 在中国发展冷弯薄壁型钢住宅的必然性、可行性 我国目前住宅产业化还相当落后，建筑设计与建筑材料水平低，基础性技术研究工作薄弱，新型建筑体系及其配套部件与产品体系尚未形成。而且，加入WTO后，,国外轻钢结构公司，如ABC、巴特勒和冠达尔等纷纷进入中国，我国住宅产业面临着前所未有的挑战。目前，我国住宅建筑发展的根本目标是产业化和环保，低层冷弯薄壁型钢结构住宅特别适合于在山地和坡地建造，可以节约良田、改善自然建筑人文景观，促进城乡建设，属于环保建筑又能实现住宅建设产业化，该体系适合我国国情的发展。 我国发展冷弯薄壁型钢结构住宅已具备了物质与技术条件，并且国家逐步调整政策鼓励发展钢结构。2001年我国钢材产,量已达到1.5亿吨，居世界第一位。国内新建和转产的钢结构企业已近有500家，种类繁多的钢材品种和配套的建材、围护结构均能自行生产，不少企业已实现设计、制造、安装一体化。而且建设部在中国建筑技术政策中提出“积极、合理、较快地发展钢结构”，并强调加速推广定型化的轻型房屋钢结构体系。1999年，经国家经贸委批准，将“轻型钢结构住宅建筑通用体系的开发和应用”作为建筑业用钢的突破点，并正式列入国家重点技术创新项目。2001,上海市颁布了第一个试行规程MB-1轻钢龙骨体系低层装配式房屋技术规程。为了指导我国自主建造低层轻钢结构住宅，推动轻钢结构住宅的产业化进程，建设部正在编制我国第一个轻型钢结构住宅行业标准低层轻型钢结构装配式住宅技术要求。低层冷弯薄壁型钢结构住宅已成功运用于广东、浙江、上海等多个项目中，该结构体系的推广必将带动我国经济发展。,3 课题的引出 近几年来，冷弯薄壁型钢房屋结构在我国逐渐被推广使用，鉴于它轻质、造型美观、安装周期短等优点，这种房屋常用于单层或二层别墅住宅，见照片1。,图1,由于这种轻钢房屋体系的性能还未被完全掌握，国内轻钢制造厂家和设计院在对冷弯薄壁型钢结构住宅设计时仍沿用普通的冷弯薄壁型钢构件设计规范，或完全按国外的设计表格选取构件。这样使我国的轻钢结构用钢量指标攀高不下，或者在没有理论根据的情况下仅凭经验一味追求低用钢量或者盲目套用国外规范。 此类房屋结构的主要承载构件是房屋的墙体，墙体既承受上部结构传下的荷载，又承受风或地震作用等水平荷载作用。墙,板材料可采用纤维板、纸浆板、胶合板或石膏板，若墙板材料强度足够，墙板与龙骨柱间有足够的连接，墙板对龙骨柱能提供侧向支撑，可以提高龙骨柱的强度，使结构更加经济，见图2所示。,图2,本课题来源于国家国际科技合作重点项目子题轻型钢结构住宅体系关键技术集成及其产业化的研究内容，主要通过试验方法和有限元分析，对冷弯薄壁型钢结构房屋的组合墙体的抗剪性能进行研究，以便为国家设计规范和标准提供依据。 4 国内外关于该类组合墙体的研究概况,1.线性弹簧支撑 1947年，Green，Winter及Cuykendall关于墙板对墙龙骨的支撑性能进行了理论及试验研究，研究认为墙板对龙骨提供的支撑是线性弹簧类型。结果发现为了给龙骨提供必要的支撑，组合体必须满足三个条件：1.连接件间距必须足够小，以防连接件间的龙骨在墙方向发生屈曲；2.墙体材料具有足够刚性，以使龙骨在墙方向变形尽可能小；3.墙材料和龙骨间的连接应有足够强度，以形成能抵抗屈曲的侧向力，而连接件不破坏。,2.蒙皮支撑 20世纪70年代，Corenll大学和其他机构对墙支撑龙骨的新研究表明，钢板对柱提供的支撑是剪力蒙皮类型。于炜文在文献2中对各国关于蒙皮性能的研究做了详尽的叙述。研究发现，当低层冷弯薄壁型钢结构住宅的墙龙骨连有罩面材料后，墙材料能有效支撑钢框架构件，防止发生在板平面内柱整体屈曲和梁侧向屈曲。墙龙骨能承受的最大荷载由以下两情况之一确定：1.墙平面内连接件之间墙龙骨柱屈曲（图3）；2.龙骨柱整体屈曲（图4）。,图3 完全有效的连接件间的龙骨屈曲,图4龙骨柱整体屈曲,如图3所示，当连接件之间龙骨屈曲时，破坏模型可能有弯曲屈曲、扭转屈曲和弯扭屈曲，取决于龙骨横截面的几何形状及连接件间距，与墙材料无关，可按无墙板密肋柱墙体设计。 1976年，Simaan和Pekoz以组合墙体综合研究为基础，提了几个稳定方程，以确定墙立柱发生不同类型的整体屈曲时的临界荷载。这些屈曲荷载方程适用于两翼缘均有墙材罩面的槽钢、C形截面、Z形截面和I字形截面。,美国AISI规范第D4（b），D4.1D4.3节考虑了墙材料对墙体立柱设计荷载的影响。AISI条款主要建立在Cornell大学Simaan、Pekoz等学者的研究工作基础上，虽然研究考虑了墙龙骨一侧翼缘、两侧翼缘所连墙体的剪切刚度和转动约束，但AISI设计仅针对龙骨两侧翼缘设有相同剪力蒙皮支撑的情况，且忽略了墙材料对立柱提供的转动约束。 从80年代中期到现在，我国学者张耀春、朱勇军等对蒙皮支撑的钢构件进行了研究。用几何非线性有限元分析方法对蒙,皮支撑柱在静力荷载作用下的性能进行研究。将压型钢板等效成正交各向异性板，并离散为八节点超参数板壳单元；钢构件被离散成空间薄壁开口截面梁柱单元；构件和蒙皮之间的连接用连接元来模拟。并通过试验方法验证有限元分析的正确性和适用性，同时考察单面蒙皮支撑的C形截面柱的性能。理论分析和试验结果均表明随着蒙皮抗剪刚度及扭转约束的增加，构件的截面扭转和翼缘侧向变形将大为减小，承载能力大大提高。,3.侧向弹性支撑 90年代中后期，Miller,T.H.和T.Pekoz等对轻钢住宅中的组合墙体进行了一系列研究，发现石膏板支撑龙骨的强度明显依赖于龙骨间距，而且石膏板的变形仅发生在连接件局部，并不在作为剪力蒙皮的整个板内分布，这有别于蒙皮支撑。国内外对该类组合墙体进行了一系列的试验、理论和有限元分析。 1）试验小节 墙体的强度取决于许多因素间的相互作用，包括墙板的强度和厚度、自攻螺钉的间距、墙体的高宽比以及钢墙龙骨柱的强度和,和间距等。由于这些因素，墙体的强度一般要通过1：1的足尺试件来研究其性能。 Serrette等对轻钢住宅的组合墙体，在单调水平加载下的抗剪性能进行进行了一系列的试验研究。试验方法同ASTM E7280中规定的方法，文献【51】中详细介绍了试验装置、试验方法和结果处理方法。文献52中，通过足尺试验以测定墙体的抗剪性能、通过小比例试件测试墙体的连接特性。小比例试件的试验结果发现：石膏板连接的破坏都是螺钉楔入石膏板中30度左右剪切滑移， OSB板的连接破坏似伴随着螺钉从板中拔出，螺,钉附近的墙板材料破坏。 Lee, Y. K. 等对轻钢住宅的组合墙体在轴心受力时的承载力进行了试验研究。 2003年，西安建筑科技大学对北新房屋公司开发的轻钢别墅的墙体进行了1：1的模型试验，包括：1.竖向荷载作用下，组合墙体立柱的承载力研究；2.水平单调加载和低周期往复加载下，墙体的抗剪性能研究；3.模拟风荷载作用下，组合墙体的抗弯性能研究。 2）理论分析,Young-Ki Lee 和Thomas H.Miller对轻钢住宅中，立柱两侧翼缘连接有石膏板的组合墙体在轴心受力时进行了理论研究。在TimoshenkoGere(1961)的具有连续弹性支承杆的弯扭屈曲模型上，将石膏板对立柱的侧向支撑效应等效为一系列的弹簧支撑，分析模型见图5。作者分析了两端铰接的墙体立柱可能发生的五种屈曲形式，用能量法解出了立柱发生绕弱轴的弯曲屈曲荷载P2和整体弯扭屈曲荷载P3。并将解析解和Miller1990年的试验结果相比较，吻合较好。,图5 墙体简化模型,钟亚军在TimoshenkoGere(1961)弯扭屈曲模型的基础上，用解析法推导出冷弯型钢低层住宅墙体立柱，在四种典型边界条件下的临界屈曲荷载。考虑墙板的支撑效应后，墙体立柱的承载力提高1.61.8倍，立柱墙体连接件间距取s=L/8较为合理，L为立柱长度。 3）有限元分析 木结构与轻钢密立柱墙体相似，对木立柱结构房屋墙体抗剪性能的理解对研究轻钢密立柱房屋墙体有借鉴作用。,Itani对木立柱墙体进行了非线性有限元的分析，将墙板模拟成二维板单元、木立柱被模拟为梁单元、钉子被模拟为一系列弹簧单元，分析中假设木立柱与墙板呈线弹性变化，每个节点采用三个弹簧单元分别代表板切线方向、法线方向和转动的约束。但是木结构的密立柱墙体抗剪性能试验的破坏现象为钉子破坏并从木立柱中拔出，钉子进入非线性状态；而轻钢密立柱墙体破坏为螺钉附近板为承压破坏，螺钉仍处于弹性状态。,Emad F.Gad用三维有限元模型分析了侧向单调加载时，具有复杂边界条件的冷弯型钢住宅建筑的组合墙体。考虑这些边界条件后，立柱的承载力是孤立墙体的三倍，在文献18中，作者将立柱与上下导轨离散为梁单元，他们之间的连接为铰接；石膏板离散为壳单元；螺钉连接离散为非线性弹簧单元。 郭丽峰在西安建筑科技大学组合墙体的试验基础上完成了硕士论文，并利用有限元进行了模拟分析。提出了复杂的和简化的两种模型，将卷边槽钢离散为壳单元shell143、,石膏板和OSB板离散为二维实体单元plane42、骨架和墙板的连接离散为非线性连接单元combine39。墙体竖向荷载在输入时简化为顶部导轨的自重，用力控制加载。 2001年，上海市颁布了我国第一个试行规程MB-1轻钢龙骨体系低层装配式房屋技术规程，该规程在结构计算时未考虑墙面材料对立柱所提供的支撑作用，这与其力学性能特征不符合，也浪费了材料。,5 本研究课题的主要目的及内容 本课题主要对冷弯薄壁型钢结构房屋的组合墙体的抗剪性能进行试验和有限元方法分析，从而提出实用的设计方法，以便为国家设计规范和标准提供设计依据。主要内容包括试验方法和有限元分析两部分： 1）试验方法 试验的目的： 1.测试立柱间距为600模数下的3米高墙体，在水平单调加载及低周反复加载两种情况下的抗剪承载力Pu，并比较二者的性能差异；,2.分别进行两种结构板材（OSB板和石膏板）的单板墙体抗剪试验和双板墙体抗剪试验，以测试单板墙体抗剪强度与双板墙体抗剪强度之间的关系，为将来双板墙体抗剪强度的换算提供依据； 3.校验竖向荷载对立柱间距为600模数下的3米高墙体抗剪能力的影响； 4.测试立柱间距为600模数下的3米和3.3米高墙体在水平低周反复加载情况下的抗剪 承载力Pu之间的换算关系； 5.对试验现象、结果进行总结分析，并对墙体构造提出改进建议。,试验装置见图6，试验内容见表1。 2 有限元分析方法 利用ANSYS分析软件对试验中的组合墙体抗剪性能进行模拟分析。冷弯薄壁型钢采用截面边缘纤维屈服准则，失稳后塑性发展不多，但由于墙板对立柱的支撑效应使其塑性得到一定的发展，故假设钢材选用理想弹塑性，墙板材为各向同性的弹性材料，分析中不考虑材料的残余应力缺陷和初始几何缺陷的影响，并忽略卷边槽钢的圆角硬化的影响。立柱与导轨的连接为铰接。 根据该类组合墙体的受力特征，将上下,图6 墙体抗剪试验装置简图,导轨、轻钢立柱和墙板离散为壳单元、立柱和墙板之间的连接采用耦合（限制连接部位处的X、 Y、Z方向的平动，而不限制转动）的办法来分析。 有限元方法仅分析组合墙体在水平方向单调加载情况下的性能。分析考虑单面墙板组合墙体与双面墙板组合墙体之间的相关性，竖向荷载对墙体抗剪性能的影响，以及长宽比对墙体承载力的影响。,6 预期效果（主要成果，理论意义及实际应用价值） 1.通过试验观察，了解并总结该类组合墙体在水平荷载作用下的受力及破坏特征，并在此基础上完成试验报告，包括试验装置、试验方法、试验过程、以及数据处理及试验结果分析等。 2.建立合理的有限元分析模型，使其分析结果与试验结果很好吻合，以便为实际工程设计提供有效的方法。 3.归纳总结冷弯薄壁型钢结构房屋的组,合墙体的抗剪性能，包括：单面墙板组合墙体与双面墙板组合墙体的抗剪强度换算关系；单调加载和低周反复加载对