淺析節點及支座剛（鉸）接對輕鋼墻體結構性能的影響

曹 輝 雷 陽 蒲 爽 張 麗

（重慶大學土木工程學院，重慶 400045）

1 概述

在冷彎薄壁管桁輕鋼體系中，墻體是一個很重要的構件，它既作為豎向受力構件傳遞來自樓面和墻體的豎向荷載，同時也作為結構水平抗側構件承受如風荷載和地震作用等水平荷載作用。在以前對薄壁管桁輕鋼體系墻體的研究中，通常都是假定墻體中橫向的橫撐和豎向的輕鋼柱剛接在一起，輕鋼柱與地面基礎也剛接在一起，并沒有談及當它們鉸接時結構會怎樣變化，因此本文利用3D3S軟件建立輕鋼骨架墻體模型以分析這種橫撐與輕鋼柱剛（鉸）接、輕鋼柱與基礎剛（鉸）接對結構性能的影響。

2 建立模型

本次建模采用一般墻體常用的形式，兩端采用150*150的方柱，中間采用150*40的片柱，方柱和片柱均由40*40*1.0厚的矩管構成，橫撐采用50*70*1.0的矩管，所有鋼材均采用S350鋼材，根據以往的試驗結果，屈服強度根取為 ，彈性模量 ，泊松比取為0.3。輕鋼骨架墻體模型如下圖所示。

輕鋼骨架墻體整體模型

加載方式：

首先在每個輕鋼柱上加載一定的豎向荷載并保持不變，然后在左端方柱的頂部加載一個水平推力，推力的大小依次為10kN、20 kN、50 kN、100 kN。

整個分析情況分為四種：

情況1：橫撐與輕鋼柱全部剛接；輕鋼柱與基礎全部剛接。

情況2：橫撐與輕鋼方柱剛接，與輕鋼片柱鉸接；輕鋼柱與基礎全部剛接。

情況3：橫撐與輕鋼柱全部鉸接；輕鋼柱與基礎全部剛接。

情況4：橫撐與輕鋼柱全部剛接；輕鋼柱與基礎全部鉸接。

3 數據分析

比較分析時，均以情況1為參照，為方便分析時描述，將輕鋼柱從左到右依次編號為：1號方柱、2號片柱、3號片柱、4號方柱，從下到上依次分為：下段、中段、上段；將橫撐從下到上依次編號為：1號橫撐、2號橫撐、3號橫撐、4號橫撐，從左到右依次分為：左端跨、中間跨、右端跨。

3.1 情況2與情況1比較

3.1.1 墻體頂點位移：頂點位移增大了約1.77倍。

3.1.2 輕鋼柱支座反力：兩端方柱支座反力減小，中間片柱支座反力略為增大，并且方柱減小的幅度比片柱增大的幅度要大。

3.1.3 橫撐應力：2、3、4號橫撐兩端跨均增大，增大的幅度依次為2號＜3號＜4號橫撐；2、3、4號橫撐中間跨減小很多，其中2號、3號橫撐中間跨應力減小接近0.4號橫撐減小到30%左右；橫撐最大應力由3號橫撐兩端跨轉到4號橫撐兩端跨。

3.1.4 輕鋼柱應力：兩端方柱應力增大，增大幅度依次為下段＜中段＜上段，中間片柱應力減小，減小的幅度依次為下段＜中段＜上段；柱子中最大應力由2號片柱上段轉移至方柱下段。

3.1.5 結構最大應力：整個結構中最大應力由3號橫撐兩端跨轉到4號橫撐兩端跨。

3.2 情況3與情況1比較

3.2.1 墻體頂點位移：頂點位移增大了約3.40倍。

3.2.2 輕鋼柱支座反力：全部輕鋼柱受壓，壓力基本相等，與頂點水平力的大小無關。

3.2.3 橫撐應力：2、3號橫撐的應力接近0,4號橫撐的應力也很小；橫撐最大應力由3號橫撐兩端跨轉移至4號橫撐中間跨。

3.2.4 輕鋼柱應力：兩端方柱應力增大，增大的幅度比情況2的要大，并且中段與上段的增大幅度差距比中段與下段的增大幅度差要小，即增大的幅度為下段＜＜中段＜上段；2號片柱應力減小，減小的幅度依次為下段＜中段＜上段，3號片柱的下段略增大，中段和上段減小，減小的幅度為中段＜上段；柱子中最大應力由2號片柱上段轉移至方柱下段。

3.2.5 結構最大應力：整個結構中最大應力由3號橫撐兩端跨轉移至兩端方柱下段。

3.3 情況4與情況1比較

3.3.1 墻體頂點位移：頂點位移增大了約1.58倍。

3.3.2 輕鋼柱支座反力：所有的支座反力全部增大，1號方柱、3號片柱為拉力，2號片柱、4號方柱為壓力，其中拉力增大幅度比壓力增大幅度要大。

3.3.3 橫撐應力：1號橫撐不再為0，其大小與 2、3、4 號橫撐相差不大，2、3、4 號橫撐應力均增大，增大的幅度依次為2號＞3號＞4號；1~4號橫撐仍然是兩端跨大，中間跨小；橫撐最大應力由3號橫撐兩端跨轉移至2號橫撐端跨。

3.3.4 輕鋼柱應力：兩端方柱的下段應力減小，減小的幅度依次為下段＞中段，上段應力略有增加；片柱應力增大，其中下段增大幅度較大，中段及上段略有增加；柱子中最大應力由2號片柱上段轉移至2號片柱下段。

3.3.5 結構最大應力：整個結構中最大應力由3號橫撐兩端跨轉移至4號橫撐的兩端跨。

3.4 分析總結

由以上的幾種情況的比較，可以得出：

3.4.1 當橫撐與輕鋼柱剛接以及輕鋼柱與基礎剛接時，整個結構為全部輕鋼柱與全部橫撐形成的框架，抗側剛度由整個框架提供，抗側剛度大，頂點位移小。

3.4.2 當橫撐與輕鋼片柱變成鉸接時，整個結構變為兩端方柱與橫撐形成剛架和中間片柱與橫撐形成排架的組合體，抗側剛度主要由剛架提供，排架提供的抗側剛度主要由片柱自身的抗側剛度決定，整個墻體的抗側剛度減小，頂點位移增大；另外，受力體系改變，導致構件內力也發生變化，鉸接節點處的橫撐與輕鋼柱應力施放，兩端跨剛接節點處的橫撐與輕鋼柱應力增加。

3.4.3 當橫撐與輕鋼柱全部鉸接時，整個結構變成輕鋼柱與橫撐組成的排架，抗側剛度由排架提供，排架提供的抗側剛度主要由輕鋼柱自身的抗側剛度決定，因而整個墻體的抗側剛度進一步減小，頂點位移進一步增大；另外，整個橫撐應力全部施放，兩端輕鋼柱的應力大幅增加。

3.4.4 當輕鋼柱與基礎鉸接時，整個結構變為下端鉸接的框架，抗側剛度由整個框架提供，但是由于下端鉸接，故輕鋼柱腳允許轉動，從而導致墻體抗側剛度相對柱腳剛接時要低，頂點位移增大。

結論

由分析可知，當橫撐與輕鋼柱鉸接或者輕鋼柱與基礎鉸接時都會導致整個墻體的抗側剛度降低比較多，因此在實際施工中，需要盡量保證橫撐與輕鋼柱子剛接以及輕鋼柱與基礎剛接，這樣才能保證結構具有足夠的抗側剛度以抵抗水平荷載作用。

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