多层轻钢结构墙体的特征值屈曲分析

季敏

【摘要】随着我国经济的发展和科技的进步，房地产业已经成为国民经济的基础性产业，对房地产业各个方面的研究也越来越多，但是在多高层建筑中对于冷弯薄壁型钢的应用研究还非常少，其问题是冷弯薄壁型钢的竖向承载力与水平侧移刚度无法对层数的增加给予支撑，本文考虑使用热轧型钢来协同冷弯型钢工作，建立多层墙体有限元模型体系，运用有限元ANSYS软件，分析其特征值屈曲，并获得了新型组合墙体的承载力比传统的冷弯薄壁型钢组合墙体增强很大。

【关键词】多层轻钢结构墙体;特征值屈曲;有限元法

当前，我国高层建筑中对于冷弯薄壁型钢的应用研究还非常少，其问题是冷弯薄壁型钢的竖向承载力与水平侧移刚度无法对层数的增加给予支撑，本文考虑使用热轧型钢来协同冷弯型钢工作，建立多层墙体有限元模型体系，并运用有限元ANSYS软件，构建起层数为5层的冷弯薄壁型钢与热轧型钢组合的新型结构组合墙体有限元模型，分析其特征值屈曲，获得了新型组合墙体的承载力比传统的冷弯溥壁型钢组合墙体增强很大。随着我国产钢量越来越大，加强研究推广冷弯薄壁型钢多层住宅，不但可以增加内消，还可以实现节能、节地、环保以及有限资源的合理运用。

一、热轧型钢与冷弯型钢的区别

热轧型钢是用加热钢坯轧成的不同几何断面造型的一类钢材。按照型钢截面样式的不一样，热轧型钢分为角钢、扁钢、槽钢、工字钢、热轧L型钢;按照型钢断面造型的不一样，又包括簡单断面、复杂断面或异型断面与周期断面等型钢类型。

冷弯型钢是一种用钢板在冷环境下弯曲成的不同断面造型的成品钢材，它的优点很明显，有热轧所不可以生产的各类特薄、形状合理而复杂的截面。这也使得热轧型钢与冷弯型钢有很多方面的区别。首先在生产方式上，热轧型钢是由焊接和温度变化而形成的残余应力，冷弯型钢是冷弯而形成的残余应力，二者截面残余应力的大小的分布完全不一样。其次，冷弯型钢截面有冷弯效应。冷弯型钢截面材性冷弯后发生改变，弯角处出现冷弯效应，即强度提高、塑性降低。三是热轧型钢结构限制截面板件宽厚比，不允许出现局部屈曲，而冷弯型钢截面板件宽厚比大，设计中允许局部屈曲并利用板件屈曲后强度。四是二者连接方式不同。热轧型钢构件主要是采用高强螺栓和焊接连接，而冷弯型钢构件目前主要采用自攻自钻螺钉连接、拉铆钉和射钉等新型连接方法，冷弯型钢构件之间也采用机械连接（扣合、咬合）等无连接件连接。

二、有限元建模建立

使用热轧型钢来协同冷弯型钢工作，建立多层墙体有限元模型体系。冷弯型钢方面各个层冷弯薄壁型钢墙体构件大小是3m×0.6m，长度是3.6m。冷弯薄壁卷边C型钢截面是C140×50×20×2.0.底梁和顶梁是用一对自攻螺钉与墙柱连接的同类型槽型截面;试件一侧墙面板用9mm厚OSB板，也用自攻螺钉与钢墙柱连接。并用具有应力刚化、大变形功能和强大非线性功能的塑性壳单元SHELL181单元模拟壁薄，又具有大变形性能的冷弯薄壁型钢构件。在热轧H型钢中，为了与冷弯薄壁型钢组合墙体连接相同尺寸（3m×3.6m）的热轧H型钢H140×140×200×10×10×10框架墙体。热轧H型钢梁柱使用可以进行弯㈣，侧向弯曲和扭转稳定性分析的梁单元BEAM189进行模拟。

（二）计算分析

通过建立多层墙体有限元模型体系，并运用有限元ANSYS软件，分析其特征值屈曲，并分析去掉热轧型钢框架墙体的特征值屈曲，可知无热轧型钢墙体屈曲荷载要小于有热轧型钢墙体的屈曲荷载。在屈曲模式下无热轧型钢的墙体三阶模态基本上是发生局部屈曲，而有热轧型钢的墙体第一阶模态是局部屈曲，后两阶模态部分墙柱是局部屈曲，另有部分墙柱出现整体屈曲。采用热轧型钢来协同冷弯薄壁型钢T作，可以充分利用墙柱的屈曲荷载。因此，用新型组合墙体应用在多层住宅结构体系中是行得通的。