中國建筑金屬結構協(xié)會
建筑鋼結構分會主辦
1 引言
冷彎薄壁型鋼結構住宅體系在美國、日本、澳大利亞等國家的住宅建筑中已進行了大量應用，并已經有了二、三十年的應用歷史。采用這種體系進行建設的住宅數(shù)量每年都以較快的速度增長。近年來，這種住宅結構體系，在我國的建筑高度在三層以下的住宅建設中，已開始試點并推廣應用。由于該住宅體系具有保溫、隔熱和隔聲性能在設計階段可預先按國家有關住宅和節(jié)能標準進行合理設計考慮、結構用鋼材可以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、建筑分部體系可實現(xiàn)工廠化預拼裝、施工精度高、建設周期短、節(jié)省水、電及人工等突出優(yōu)點，所以該種住宅體系的試點推廣，對促進我國的住宅產業(yè)化和推廣綠色建筑建設都具有很重要的意義。
2 冷彎薄壁型鋼結構住宅體系及組合抗剪墻體
冷彎薄壁型鋼結構住宅體系，是最近幾年從國外引進并在國內迅速發(fā)展起來的一種新型結構。冷彎薄壁型鋼結構住宅體系采用了冷彎薄壁型鋼龍骨式結構（Light Gage Steel structure）為主要結構受理體系，主要適用于三層及三層以下的住宅建筑中。其受力特點為墻、板受力。結構所受的豎向及水平力均通過受力墻體傳至墻下基礎。該結構體系包括：屋面體系，墻面體系和樓面體系。該體系的屋面部分可設計成各種坡度的坡屋面，屋面結構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。
冷彎薄壁型鋼結構住宅體系示意圖 冷彎薄壁型鋼組合墻體示意圖
屈服強度為550MPa的高強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構承重立柱構件、帶肋鋼板、石膏板經自攻螺釘連接而成，是冷彎薄壁型鋼結構住宅的主要承重和抗側力構件。傳統(tǒng)的冷彎薄壁型鋼結構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，難以獲得國內消防部門的認可。因此，博思格建筑系統(tǒng)住宅部與西安建筑科技大學鋼結構研究所和長安大學共同合作，用加勁薄鋼板代替OSB板，組成了以高強冷彎薄壁型鋼為立柱的新型組合墻體體系。這在國內尚屬首次。
3 組合墻體試驗及成果
3.1 試驗
試驗采用了與實際工程中尺寸、構造相同的墻體構件材料，共16塊組合墻體試件。按構造方式分為四組，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；按試驗加載方式分為“墻體無豎向力的水平單調加載”、“墻體無豎向力的水平低周反復加載“和“墻體有豎向力的水平低周反復加載。”
帶肋鋼板墻體試件 帶肋鋼板墻體試件破壞圖
3.2試驗成果
3.2.1 墻體試件抗剪強度試驗值
單面石膏板墻體試件抗剪強度結果為4.42KN/m～4.96KN/m；單面帶肋鋼板墻體試件的抗剪強度結果為9.84KN/m～14.69KN/m，相應的延性系數(shù)為1.568～2.360；雙面板墻體試件的抗剪強度為13.03KN/m～16.74KN/m。相應的延性系數(shù)為1.731～2.384。
根據澳大利亞、日本和北美相關住宅體系標準，抗剪墻體的平面內水平變形應控制在[L/300]，L為墻體高度。在本次雙面板墻體試驗中，墻體變形為[L/300]時所對應的抗剪墻體最小抗剪強度為Ps’=8.39 KN/m。在工程設計驗算中采用此值作為設計標準值。
3.2.2 單面板墻體試件和雙面板墻體試件承載力對比
單調加載時，單面石膏板墻體試件的抗剪強度與0.8倍的單面帶肋鋼板墻體試件抗剪強度之和與雙面板墻體試件抗剪強度比較吻合，即單面石膏板墻體的抗剪強度＋0.8X（單面帶肋鋼板墻體的抗剪強度）≈雙面板（石膏板＋帶肋鋼板）墻體的抗剪強度。
4 用冷彎薄壁龍骨式組合墻體按實際住宅工程情況進行設計分析
4.1工程條件
建設工程地位于上海，建設住宅為兩層別墅( 雙拼 )，建筑總高度為 10.2m。該建筑為丙類建筑，設防烈度為7度，安全等級為二級，設計基準期為50年。荷載條件為屋面恒荷：0.3kpa，基本風壓：0.55kpa，樓面恒荷：0.5kpa/1.5kpa(衛(wèi)生間)，墻面恒荷：1.8KPa 。設計該住宅 為兩層輕型冷彎薄壁龍骨式結構體系建筑，剪力墻結構采用“帶肋鋼板＋石膏板雙面板體系”，墻體、屋面桁架均采用屈服強度為550MPa的鍍鋁鋅高強型鋼結構體系，樓面次梁采用屈服強度為450MPa的鍍鋅高強鋼材。
由于高強型鋼結構體系的建筑具有自重輕的特點，所以，在該設計中地震荷載不對結構設計起控制作用。計算分析結果為，風荷載參與的荷載組和工況在設計中起控制作用。這里以剪力最大的一層墻體抗剪設計為例進行設計分析。
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算：
其中：
v = 剪力墻單位長度剪力 設計值(kN/m)
Sn = 風載作用下帶肋鋼板組合剪力墻抗剪強度設計值 (kN/m)。
按550MPa 高強冷彎薄壁型鋼立柱組合墻體抗剪性能研究結果, 即最大荷載Pmax對應的抗剪強度 Ps=13.6 KN/m，墻體變形L/300時荷載P300對應的抗剪強度Ps’=8.39 KN/m，取兩者較小值即Ps’。
V = 剪力墻所承受的剪力設計值 (kN)
Ca = 剪力墻抗剪強度調整系數(shù)（見表5.4.7.4）查表北美相關標準《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，在計算中，水平力僅按剪力墻墻長分配，忽略因剛度中心和質量中心不重合而產生的附加剪力。
由以上的墻體抗剪承載力分析可以看出，實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%。可見，由高強冷彎薄壁型鋼立柱組合墻體用于實際工程中的兩層別墅建筑時， 其抗剪性能是安全可靠的，并且有很高的安全儲備。
4.3 剪力墻的變形校核：
采用美國標準計算校核本工程剪力墻位移，并與試驗值作一個對比。取寬度最小的剪力墻W1－13，按美國鋼鐵協(xié)會冷彎薄壁型鋼結構標準Standard For Cold-Formed Steel Framing-Lateral Design，2004 Edition C2.1.1 進行計算得：
∆＝9.16mm≤ [∆]＝1/300h=11mm.
從以上位移驗算結果可以看出該計算值和高強冷彎薄壁型鋼立柱組合墻體抗剪性能研究報告中的建議設計值與根據美國標準Standard For Cold-Formed Steel Framing-Lateral Design，2004 Edition 計算結果比較吻合。說明應用該試驗值進行墻體體系設計時能充分滿足建筑變形要求。
5 結語
通過以上分析可以看出高強冷彎薄壁型鋼立柱組合墻體體系應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鋼材，在提高高強冷彎薄壁型鋼立柱組合墻體的結構極限強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，是一種經濟、合理、節(jié)能、環(huán)保的新型抗剪墻體系。高強冷彎薄壁型鋼立柱組合墻體體系的應用，將對建設節(jié)約、環(huán)保型社會，推進我國住宅產業(yè)現(xiàn)代化，有積極意義。
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本文來源于鋼結構住宅博客 http://www.billtao.cn/
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