組合墻體在豎向荷載作用下的承載力分析

摘要：本文采用有限元法分析普鋼結構與輕鋼結構組合的墻體在豎向荷載作用下的承載力。結果表明，在該組合墻體中，由輕鋼承受豎向荷載。當增大墻體高度時，墻架柱的軸向承載力降低；當墻架柱間距由600mm增大到1200mm時，軸向承載力略有提高。分析了冷彎薄壁型鋼在組合墻體中的承載力。

關鍵詞：組合結構墻體；豎向荷載；有限元法

0 引 言

當前我國的鋼產量尤為稀缺，因此需要充分考慮到鋼結構中關于鋼材節約的問題。就目前的鋼結構發展趨勢來說，普通鋼結構與輕型鋼結構結合較之傳統的鋼混結構，對環境的污染較少，能提升建筑材料的回收利用率，有著較大的發展前景，是發展的新方向。本研究探索應用熱軋H型鋼梁柱支撐，墻體則應用冷彎薄壁型鋼密柱型鋼材，借助有限元分析軟件ANSYS，構建墻體模型，通過分析組合墻體在不同墻柱間距及墻體高度下的承載力，以更好地將其運用于多層輕鋼結構住宅體系當中。

1“普鋼規范”與“輕鋼規范”的區別

“普鋼規范”即《鋼結構設計規范》，而“輕鋼規范”即《門式剛架鋼結構技術規程》，二者存在的區別主要有兩點 [1]：

1）結構方案安排方面的區別

一是柱網和軸線的安排。“普鋼規范”中要求柱距是3m，一個門式剛架設計的好壞標準，是以用鋼的數量是多是少作為重要的衡量指標，而柱距的大小亦會直接影響到設計的用鋼量。門式剛架并非采用傳統的混凝土屋面板，而是采用輕型屋面，因而以往的柱距模數并太適用，我們可根據用鋼量設定確切的柱距。二是剛架截面的安排。“輕鋼規范”中提出剛架的中間部分可根據需要設為截面相等的搖擺柱，這些搖擺柱上下部都為鉸接，這一規定能減少墻體的用鋼量。三是支撐體系方面，二者的規定也有所差別，具體是“普鋼規范”中的受壓構件需達到[λ]=150這一標準，而受拉構件則需達到[λ]=400這一標準；而“普鋼規范”中的受壓構件標準有所寬松，達到[λ]=220即可，其受拉構件的標準則不變。四是節點的銜接方式方面，“普鋼規范”中提出節點需通過端板進行銜接，并對端板進行了一定的規范，端板需符合一定的受力要求及構造要求，而“輕鋼規范”中的端板大多位于翼緣兩邊，以此銜接螺栓，如此一來，高強度螺栓承載力就能被充分地利用起來，螺栓的用量也隨之大大地減少了。

2）在結構計算方法上存在區別

“普鋼規范”中所提出的結構計算方法多為手算，且通過兩個程序進行計算。先是在結構頂部設置一個不動鉸支座，起到固定的作用，并借助外荷載的力量，計算出該支座的反力R。其次，將上述不動鉸支座撤離，并將反力R作用于結構頂部，求解內力。將這兩個程序進行迭加，從而得出鋼結構的內力值。

“普鋼規范”的結構計算方法主要是有限元法，其計算過程離不開計算機這個重要的載體。

2 構建組合墻體有限元計算模型

2.1 分析單元的選用

在ANSYS單元庫里面的單元類型有很多，至少不低于150種，且大多都可有效地應用于結構分析。

一般來說，結構分析所覆蓋的單元類型極廣，有較為簡單的梁單元、桿單元，除此之外，那些較為復雜的殼單元、實體單元等，也涵蓋在內。為了充分

達成各單元自身的功用，我們需進行差異化處理。如BEAM189的每個節點有6個或7個自由度，當KEYOPT（1）默認為0時，就是每個節點有6個自由度，當KEYOPT（1）的值為1之時，就需要增加一個自由度，即翹曲量，以更好地適應新的情況。通常來說，BEAM189含有一定的應力剛度，這為有效地分析各元素的彎曲、扭轉穩定性奠定了基礎，這一特性通常比較適用于比較細長的梁結構，可進行組合墻體梁柱的模擬分析。

2.2 有限元計算模型的銜接處理和邊界情況

組合墻體的各個構件要緊密有序地銜接起來，需要借助焊接的力量。經筆者研究，在借助ANSYS軟件分析組合墻體的基礎上，利用藕合辦法將其有效銜接起來，具體的方法是使藕合冷彎薄壁C型鋼墻架柱和鋼骨架在焊接銜接處，分別在三個方向進行平行移動，這三個方向分別是x， y， z，并圍繞這三個方向進行轉動，而其中受約束的節點則有著相同的位移值，通過上述平動及轉動，真正將組合墻體的銜接處構建成為一個剛性區域。

邊界條件：邊界條件的安排，需應用剛連接其底部和底梁，不但要限制底梁朝著x、y、z進行平行移動，而且還限制底梁圍繞著x、y、z方向進行轉動；不但要限制頂梁朝著x、y、z進行平行移動，而且還限制頂梁圍繞x、y方向進行轉動[2]。

2.3 有限元模型的構建

有限元模型構建具體如下：墻體構件尺寸為3m×0.6m；中間墻架柱為單根冷彎薄壁卷邊C型鋼C140×60×20×3.0；兩側主柱為熱軋H型鋼H140×140×200×10×10×10；頂梁和底梁為同類型H型鋼截面，以焊接的方式，實現頂梁、底梁和墻柱的充分銜接。通過構建有限元模型BEAM189，以模擬梁單元中的梁柱，有一定的實踐意義。此次研究主要應用耦合的方式實現銜接。

3 有限元分析

3.1墻柱間距對墻柱承載力的影響

基于前文的3m×3.6m有限元模型研究，借助ANSYS計算不同的墻柱間距影響墻體承載力的具體情況進行詳細分析，其結果如表1所示。

通過表1可得出，當墻柱間距分別為600mm、900 mm、1200mm時，其最大應力也發生相應的變化，即墻柱軸向承載力相應有所提升。從實際使用的視角來看，600mm的間距過密，不適用于墻體，而墻柱間距若是為1200mm則顯得過大，由此可知，900mm的墻柱間距是較為標準的間距。

結論

經研究分析，在豎向荷載的作用下，普鋼結構與輕鋼結構組合的墻柱間距越大，其墻柱軸向承載力就越大。其中，主要承受豎向荷載的一方為輕鋼，普鋼并未發揮作用。

參考文獻

[1]張兵，傅曉俊.輕鋼結構門式剛架的應用及發展.江蘇冶金，2003

[2]陳曉輝.冷彎薄壁型鋼結構住宅體系組合墻體豎向受力分析.[碩士學位論文].昆明：昆明理工大學，2008

[3]王有為，趙基達，童悅仲，等.美國多層輕鋼結構住宅技術及其引進的相關問題.工程質量，2005