浅析节点及支座刚（铰）接对轻钢墙体结构性能的影响
2012-07-24曹辉雷阳蒲爽张丽
曹 辉 雷 阳 蒲 爽 张 丽
（重庆大学土木工程学院，重庆 400045）
1 概述
在冷弯薄壁管桁轻钢体系中，墙体是一个很重要的构件，它既作为竖向受力构件传递来自楼面和墙体的竖向荷载，同时也作为结构水平抗侧构件承受如风荷载和地震作用等水平荷载作用。在以前对薄壁管桁轻钢体系墙体的研究中，通常都是假定墙体中横向的横撑和竖向的轻钢柱刚接在一起，轻钢柱与地面基础也刚接在一起，并没有谈及当它们铰接时结构会怎样变化，因此本文利用3D3S软件建立轻钢骨架墙体模型以分析这种横撑与轻钢柱刚（铰）接、轻钢柱与基础刚（铰）接对结构性能的影响。
2 建立模型
本次建模采用一般墙体常用的形式，两端采用150*150的方柱，中间采用150*40的片柱，方柱和片柱均由40*40*1.0厚的矩管构成，横撑采用50*70*1.0的矩管，所有钢材均采用S350钢材，根据以往的试验结果，屈服强度根取为 ，弹性模量 ，泊松比取为0.3。轻钢骨架墙体模型如下图所示。
轻钢骨架墙体整体模型
加载方式：
首先在每个轻钢柱上加载一定的竖向荷载并保持不变，然后在左端方柱的顶部加载一个水平推力，推力的大小依次为10kN、20 kN、50 kN、100 kN。
整个分析情况分为四种：
情况1：横撑与轻钢柱全部刚接；轻钢柱与基础全部刚接。
情况2：横撑与轻钢方柱刚接，与轻钢片柱铰接；轻钢柱与基础全部刚接。
情况3：横撑与轻钢柱全部铰接；轻钢柱与基础全部刚接。
情况4：横撑与轻钢柱全部刚接；轻钢柱与基础全部铰接。
3 数据分析
比较分析时，均以情况1为参照，为方便分析时描述，将轻钢柱从左到右依次编号为：1号方柱、2号片柱、3号片柱、4号方柱，从下到上依次分为：下段、中段、上段；将横撑从下到上依次编号为：1号横撑、2号横撑、3号横撑、4号横撑，从左到右依次分为：左端跨、中间跨、右端跨。
3.1 情况2与情况1比较
3.1.1 墙体顶点位移：顶点位移增大了约1.77倍。
3.1.2 轻钢柱支座反力：两端方柱支座反力减小，中间片柱支座反力略为增大，并且方柱减小的幅度比片柱增大的幅度要大。
3.1.3 横撑应力：2、3、4号横撑两端跨均增大，增大的幅度依次为2号＜3号＜4号横撑；2、3、4号横撑中间跨减小很多，其中2号、3号横撑中间跨应力减小接近0.4号横撑减小到30%左右；横撑最大应力由3号横撑两端跨转到4号横撑两端跨。
3.1.4 轻钢柱应力：两端方柱应力增大，增大幅度依次为下段＜中段＜上段，中间片柱应力减小，减小的幅度依次为下段＜中段＜上段；柱子中最大应力由2号片柱上段转移至方柱下段。
3.1.5 结构最大应力：整个结构中最大应力由3号横撑两端跨转到4号横撑两端跨。
3.2 情况3与情况1比较
3.2.1 墙体顶点位移：顶点位移增大了约3.40倍。
3.2.2 轻钢柱支座反力：全部轻钢柱受压，压力基本相等，与顶点水平力的大小无关。
3.2.3 横撑应力：2、3号横撑的应力接近0,4号横撑的应力也很小；横撑最大应力由3号横撑两端跨转移至4号横撑中间跨。
3.2.4 轻钢柱应力：两端方柱应力增大，增大的幅度比情况2的要大，并且中段与上段的增大幅度差距比中段与下段的增大幅度差要小，即增大的幅度为下段＜＜中段＜上段；2号片柱应力减小，减小的幅度依次为下段＜中段＜上段，3号片柱的下段略增大，中段和上段减小，减小的幅度为中段＜上段；柱子中最大应力由2号片柱上段转移至方柱下段。
3.2.5 结构最大应力：整个结构中最大应力由3号横撑两端跨转移至两端方柱下段。
3.3 情况4与情况1比较
3.3.1 墙体顶点位移：顶点位移增大了约1.58倍。
3.3.2 轻钢柱支座反力：所有的支座反力全部增大，1号方柱、3号片柱为拉力，2号片柱、4号方柱为压力，其中拉力增大幅度比压力增大幅度要大。
3.3.3 横撑应力：1号横撑不再为0，其大小与 2、3、4 号横撑相差不大，2、3、4 号横撑应力均增大，增大的幅度依次为2号＞3号＞4号；1~4号横撑仍然是两端跨大，中间跨小；横撑最大应力由3号横撑两端跨转移至2号横撑端跨。
3.3.4 轻钢柱应力：两端方柱的下段应力减小，减小的幅度依次为下段＞中段，上段应力略有增加；片柱应力增大，其中下段增大幅度较大，中段及上段略有增加；柱子中最大应力由2号片柱上段转移至2号片柱下段。
3.3.5 结构最大应力：整个结构中最大应力由3号横撑两端跨转移至4号横撑的两端跨。
3.4 分析总结
由以上的几种情况的比较，可以得出：
3.4.1 当横撑与轻钢柱刚接以及轻钢柱与基础刚接时，整个结构为全部轻钢柱与全部横撑形成的框架，抗侧刚度由整个框架提供，抗侧刚度大，顶点位移小。
3.4.2 当横撑与轻钢片柱变成铰接时，整个结构变为两端方柱与横撑形成刚架和中间片柱与横撑形成排架的组合体，抗侧刚度主要由刚架提供，排架提供的抗侧刚度主要由片柱自身的抗侧刚度决定，整个墙体的抗侧刚度减小，顶点位移增大；另外，受力体系改变，导致构件内力也发生变化，铰接节点处的横撑与轻钢柱应力施放，两端跨刚接节点处的横撑与轻钢柱应力增加。
3.4.3 当横撑与轻钢柱全部铰接时，整个结构变成轻钢柱与横撑组成的排架，抗侧刚度由排架提供，排架提供的抗侧刚度主要由轻钢柱自身的抗侧刚度决定，因而整个墙体的抗侧刚度进一步减小，顶点位移进一步增大；另外，整个横撑应力全部施放，两端轻钢柱的应力大幅增加。
3.4.4 当轻钢柱与基础铰接时，整个结构变为下端铰接的框架，抗侧刚度由整个框架提供，但是由于下端铰接，故轻钢柱脚允许转动，从而导致墙体抗侧刚度相对柱脚刚接时要低，顶点位移增大。
结论
由分析可知，当横撑与轻钢柱铰接或者轻钢柱与基础铰接时都会导致整个墙体的抗侧刚度降低比较多，因此在实际施工中，需要尽量保证横撑与轻钢柱子刚接以及轻钢柱与基础刚接，这样才能保证结构具有足够的抗侧刚度以抵抗水平荷载作用。
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