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1 引言
冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系在美國、日本、澳大利亞等國家的住宅建筑中已進(jìn)行了大量應(yīng)用，并已經(jīng)有了二、三十年的應(yīng)用歷史。采用這種體系進(jìn)行建設(shè)的住宅數(shù)量每年都以較快的速度增長。近年來，這種住宅結(jié)構(gòu)體系，在我國的建筑高度在三層以下的住宅建設(shè)中，已開始試點(diǎn)并推廣應(yīng)用。由于該住宅體系具有保溫、隔熱和隔聲性能在設(shè)計(jì)階段可預(yù)先按國家有關(guān)住宅和節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)考慮、結(jié)構(gòu)用鋼材可以100%回收利用、所采用建筑材料均為綠色建材并可全部工廠化生產(chǎn)、建筑分部體系可實(shí)現(xiàn)工廠化預(yù)拼裝、施工精度高、建設(shè)周期短、節(jié)省水、電及人工等突出優(yōu)點(diǎn)，所以該種住宅體系的試點(diǎn)推廣，對促進(jìn)我國的住宅產(chǎn)業(yè)化和推廣綠色建筑建設(shè)都具有很重要的意義。
2 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系及組合抗剪墻體
冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系，是最近幾年從國外引進(jìn)并在國內(nèi)迅速發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)。冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系采用了冷彎薄壁型鋼龍骨式結(jié)構(gòu)（Light Gage Steel structure）為主要結(jié)構(gòu)受理體系，主要適用于三層及三層以下的住宅建筑中。其受力特點(diǎn)為墻、板受力。結(jié)構(gòu)所受的豎向及水平力均通過受力墻體傳至墻下基礎(chǔ)。該結(jié)構(gòu)體系包括：屋面體系，墻面體系和樓面體系。該體系的屋面部分可設(shè)計(jì)成各種坡度的坡屋面，屋面結(jié)構(gòu)則采用的是由冷彎薄壁型鋼組成的三角型鋼桁架體系。其承重墻鋼龍骨間距一般為400mm或600mm，墻體總厚度一般僅為100mm - 200mm；樓面體系的樓面鋼梁斷面高度，一般為150mm - 300mm。
 
冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系示意圖 冷彎薄壁型鋼組合墻體示意圖
屈服強(qiáng)度為550MPa的高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼立柱組合抗剪墻體系由鍍鋅或鍍鋁鋅的冷彎薄壁型鋼作為結(jié)構(gòu)承重立柱構(gòu)件、帶肋鋼板、石膏板經(jīng)自攻螺釘連接而成，是冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅的主要承重和抗側(cè)力構(gòu)件。傳統(tǒng)的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅組合墻體是有由C型冷彎薄壁型鋼立柱和石膏板、定向刨花板（OSB板）經(jīng)自攻螺釘連接而成。 由于我國木材短缺，且定由向刨花板（OSB板）組成的冷彎薄壁型鋼立柱組合抗剪墻體，在防火性能方面，難以獲得國內(nèi)消防部門的認(rèn)可。因此，博思格建筑系統(tǒng)住宅部與西安建筑科技大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究所和長安大學(xué)共同合作，用加勁薄鋼板代替OSB板，組成了以高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼為立柱的新型組合墻體體系。這在國內(nèi)尚屬首次。
3 組合墻體試驗(yàn)及成果
3.1 試驗(yàn)
試驗(yàn)采用了與實(shí)際工程中尺寸、構(gòu)造相同的墻體構(gòu)件材料，共16塊組合墻體試件。按構(gòu)造方式分為四組，即“帶肋鋼板＋石膏板”、單面帶肋鋼板、單面石膏板和雙面無板帶交叉鋼拉條支撐；按試驗(yàn)加載方式分為“墻體無豎向力的水平單調(diào)加載”、“墻體無豎向力的水平低周反復(fù)加載“和“墻體有豎向力的水平低周反復(fù)加載。”
 
帶肋鋼板墻體試件 帶肋鋼板墻體試件破壞圖
3.2試驗(yàn)成果
3.2.1 墻體試件抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值
單面石膏板墻體試件抗剪強(qiáng)度結(jié)果為4.42KN/m～4.96KN/m；單面帶肋鋼板墻體試件的抗剪強(qiáng)度結(jié)果為9.84KN/m～14.69KN/m，相應(yīng)的延性系數(shù)為1.568～2.360；雙面板墻體試件的抗剪強(qiáng)度為13.03KN/m～16.74KN/m。相應(yīng)的延性系數(shù)為1.731～2.384。
根據(jù)澳大利亞、日本和北美相關(guān)住宅體系標(biāo)準(zhǔn)，抗剪墻體的平面內(nèi)水平變形應(yīng)控制在[L/300]，L為墻體高度。在本次雙面板墻體試驗(yàn)中，墻體變形為[L/300]時(shí)所對應(yīng)的抗剪墻體最小抗剪強(qiáng)度為Ps’=8.39 KN/m。在工程設(shè)計(jì)驗(yàn)算中采用此值作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值。
3.2.2 單面板墻體試件和雙面板墻體試件承載力對比
單調(diào)加載時(shí)，單面石膏板墻體試件的抗剪強(qiáng)度與0.8倍的單面帶肋鋼板墻體試件抗剪強(qiáng)度之和與雙面板墻體試件抗剪強(qiáng)度比較吻合，即單面石膏板墻體的抗剪強(qiáng)度＋0.8X（單面帶肋鋼板墻體的抗剪強(qiáng)度）≈雙面板（石膏板＋帶肋鋼板）墻體的抗剪強(qiáng)度。
4 用冷彎薄壁龍骨式組合墻體按實(shí)際住宅工程情況進(jìn)行設(shè)計(jì)分析
4.1工程條件
建設(shè)工程地位于上海，建設(shè)住宅為兩層別墅( 雙拼 )，建筑總高度為 10.2m。該建筑為丙類建筑，設(shè)防烈度為7度，安全等級為二級，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年。荷載條件為屋面恒荷：0.3kpa，基本風(fēng)壓：0.55kpa，樓面恒荷：0.5kpa/1.5kpa(衛(wèi)生間)，墻面恒荷：1.8KPa 。設(shè)計(jì)該住宅 為兩層輕型冷彎薄壁龍骨式結(jié)構(gòu)體系建筑，剪力墻結(jié)構(gòu)采用“帶肋鋼板＋石膏板雙面板體系”，墻體、屋面桁架均采用屈服強(qiáng)度為550MPa的鍍鋁鋅高強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)體系，樓面次梁采用屈服強(qiáng)度為450MPa的鍍鋅高強(qiáng)鋼材。
由于高強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)體系的建筑具有自重輕的特點(diǎn)，所以，在該設(shè)計(jì)中地震荷載不對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起控制作用。計(jì)算分析結(jié)果為，風(fēng)荷載參與的荷載組和工況在設(shè)計(jì)中起控制作用。這里以剪力最大的一層墻體抗剪設(shè)計(jì)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。
在該建筑的南北方向：一層層間剪力 為134.6KN；東西方向：一層層間剪力 為106.3KN。
 
工程效果圖 一層剪力墻布置圖
4.2 剪力墻體的抗剪承載能力驗(yàn)算：
其中：
v = 剪力墻單位長度剪力 設(shè)計(jì)值(kN/m)
Sn = 風(fēng)載作用下帶肋鋼板組合剪力墻抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 (kN/m)。
按550MPa 高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼立柱組合墻體抗剪性能研究結(jié)果, 即最大荷載Pmax對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度 Ps=13.6 KN/m，墻體變形L/300時(shí)荷載P300對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度Ps’=8.39 KN/m，取兩者較小值即Ps’。
V = 剪力墻所承受的剪力設(shè)計(jì)值 (kN)
Ca = 剪力墻抗剪強(qiáng)度調(diào)整系數(shù)（見表5.4.7.4）查表北美相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《Standard For Cold-Formed Steel Framing-Lateral Design》 – 2004 Table C3.2-1
= 剪力墻總長（m）
由于本工程剪力墻體分布基本對稱，在計(jì)算中，水平力僅按剪力墻墻長分配，忽略因剛度中心和質(zhì)量中心不重合而產(chǎn)生的附加剪力。
 
由以上的墻體抗剪承載力分析可以看出，實(shí)際作用在建筑物上的水平剪力僅為該墻體體系最小抗剪能力的約45%?？梢?，由高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼立柱組合墻體用于實(shí)際工程中的兩層別墅建筑時(shí)， 其抗剪性能是安全可靠的，并且有很高的安全儲(chǔ)備。
4.3 剪力墻的變形校核：
采用美國標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算校核本工程剪力墻位移，并與試驗(yàn)值作一個(gè)對比。取寬度最小的剪力墻W1－13，按美國鋼鐵協(xié)會(huì)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)Standard For Cold-Formed Steel Framing-Lateral Design，2004 Edition C2.1.1 進(jìn)行計(jì)算得：
∆＝9.16mm≤ [∆]＝1/300h=11mm.
從以上位移驗(yàn)算結(jié)果可以看出該計(jì)算值和高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼立柱組合墻體抗剪性能研究報(bào)告中的建議設(shè)計(jì)值與根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)Standard For Cold-Formed Steel Framing-Lateral Design，2004 Edition 計(jì)算結(jié)果比較吻合。說明應(yīng)用該試驗(yàn)值進(jìn)行墻體體系設(shè)計(jì)時(shí)能充分滿足建筑變形要求。
5 結(jié)語
通過以上分析可以看出高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼立柱組合墻體體系應(yīng)用在低層住宅建筑工程中是安全可靠的。與北美的由C型冷彎薄壁型鋼立柱和石膏板、定向刨花板（OSB板）經(jīng)自攻螺釘連接而成的剪力墻相比，該墻體采用不可燃材料高強(qiáng)鋼材，在提高高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼立柱組合墻體的結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度和冷彎薄壁型鋼立柱組合墻體體系的防火性能方面有顯著改進(jìn)，是一種經(jīng)濟(jì)、合理、節(jié)能、環(huán)保的新型抗剪墻體系。高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼立柱組合墻體體系的應(yīng)用，將對建設(shè)節(jié)約、環(huán)保型社會(huì)，推進(jìn)我國住宅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化，有積極意義。
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本文來源于鋼結(jié)構(gòu)住宅博客 http://www.billtao.cn/