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水平荷载下冷弯薄壁型钢住宅结构侧移理论及应用探究

一、绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1研究背景

随着建筑行业的快速发展以及人们对居住品质要求的不断提高,新型建筑结构体系应运而生。冷弯薄壁型钢住宅结构作为一种绿色、环保、高效的建筑结构形式,在国内外得到了广泛的关注与应用。其主要材料是由热镀锌钢带或钢板经冷轧技术合成的轻钢龙骨,通过精确计算和辅件的配合,能够合理地承受荷载,并取代传统房屋结构。

冷弯薄壁型钢住宅体系最早由木结构演变而来,在欧美、澳大利亚等发达国家,经过近百年的发展、应用及实践积累,已经成为低层住宅建筑的主要组成形式,并形成了各自独有的设计施工规范,如美国钢铁协会标准AISI、澳大利亚及新西兰联合发布实施的冷轧薄壁型钢结构规范AS/NZS4600、欧洲冷轧薄壁轻钢构件设计规范EuroCode3等。20世纪90年代,该体系传入我国,给我国的低层建筑体系带来了新的变革。目前,国内已制定了《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002和《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》JGJ227-2011等专业结构规范。

在实际的建筑使用过程中,冷弯薄壁型钢住宅结构会受到多种荷载的作用,其中水平荷载(如风荷载、地震作用等)是影响其结构安全和正常使用的关键因素之一。水平荷载作用下,结构会产生侧移,过大的侧移不仅会影响结构的正常使用功能,如导致墙体开裂、门窗变形等,还可能引发结构的失稳破坏,严重威胁到人们的生命财产安全。因此,准确分析水平荷载作用下冷弯薄壁型钢住宅结构的侧移,对于保障结构的安全性和可靠性具有重要意义。

此外,冷弯薄壁型钢住宅结构的构件截面尺寸较小,钢材用量相对较少,结构的整体刚度相对较低,这使得其在水平荷载作用下的侧移问题更为突出。同时,由于冷弯薄壁型钢住宅结构在我国的应用时间相对较短,相关的研究还不够完善,尤其是在水平荷载作用下的侧移理论研究方面,仍存在许多有待解决的问题。因此,开展水平荷载作用下冷弯薄壁型钢住宅结构侧移理论研究具有重要的现实需求和紧迫性。

1.1.2研究意义

理论意义:

完善冷弯薄壁型钢住宅结构设计理论。目前,对于冷弯薄壁型钢住宅结构在水平荷载作用下的侧移计算方法和理论还不够成熟,通过深入研究,可以进一步完善该结构体系在水平荷载作用下的受力分析理论,为结构设计提供更可靠的理论依据。

丰富结构力学在冷弯薄壁型钢结构领域的应用。冷弯薄壁型钢的截面特性和力学性能与传统钢结构有所不同,研究水平荷载作用下其结构的侧移,有助于拓展结构力学在该特殊结构领域的应用,加深对冷弯薄壁型钢结构力学行为的理解。

实践意义:

指导冷弯薄壁型钢住宅结构的设计与施工。准确的侧移计算方法和理论可以帮助工程师在设计阶段合理控制结构的侧移,优化结构布置和构件选型,从而提高结构的安全性和经济性。在施工过程中,也可以根据侧移计算结果采取相应的措施,确保结构的施工质量和安全。

保障冷弯薄壁型钢住宅结构的使用安全。合理控制结构在水平荷载作用下的侧移,可以有效避免因侧移过大而导致的结构损坏和使用功能障碍,保障居民的生命财产安全,提高住宅的使用寿命和可靠性。

推动冷弯薄壁型钢住宅结构的推广应用。随着人们对绿色建筑和可持续发展的关注度不断提高,冷弯薄壁型钢住宅结构作为一种环保、节能的建筑形式,具有广阔的发展前景。深入研究其在水平荷载作用下的侧移问题,有助于解决实际工程应用中的关键技术难题,促进该结构体系在我国的进一步推广和应用,推动建筑行业的可持续发展。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究进展

国外对冷弯薄壁型钢住宅结构的研究起步较早,经过多年的发展,已经取得了丰硕的成果。在水平荷载作用下结构侧移研究方面,主要从试验研究、理论分析和数值模拟等多个角度展开。

在试验研究方面,众多学者进行了大量的足尺模型试验。例如,美国的一些研究团队通过对不同结构形式和构造细节的冷弯薄壁型钢住宅结构进行水平加载试验,深入研究了结构在水平荷载作用下的破坏模式、变形特征以及构件的受力性能。试验结果表明,结构的侧移主要受到墙体抗侧刚度、节点连接性能以及结构布置形式等因素的影响。其中,墙体作为抵抗水平荷载的主要构件,其面板材料、龙骨间距、螺钉连接方式等对墙体抗侧刚度有着显著影响。如采用定向刨花板(OSB板)作为面板的墙体,其抗侧性能与采用其他板材的墙体存在差异,不同的螺钉间距也会导致墙体抗侧刚度的变化。

在理论分析上,国外学者提出了多种计算冷弯薄壁型钢住宅结构侧移的理论方法。一些学者基于经典的结构力学原理,将结构简化为等效的平面框架或空间框架模型,通过建立平衡方程来求解结构在水平荷载作用下的侧移。例如,将冷弯薄壁型钢组合墙体等效为一个带支撑的平面框架,考虑墙体的弯曲变形和剪切变形,推导出墙体的抗侧刚度计算公式,进而得到

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