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新型轻钢龙骨体系异形框架模型的简化与有限元分析

石红雷，王小平，徐磊

武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉（430070）

E-mail:ineedforever@

摘要：无比钢结构是一种新型的轻钢龙骨体系，我国现有的结构软件无法直接对其进行设计和计算，特别是针对一些异型结构，采用简化的模型和有限元分析是一种较好的选择。介绍了现阶段无比钢结构的组成、做法和改进，提出了一榀框架有限元建模的简化方法，并以一榀异型框架（“八”字型）为例，采用ABAQUS软件包分析了结构在风载和地震荷载下的水平位移，且与规范要求的最大值进行比较。结果表明，按照简化方法为基础对该榀异型框架的有限元建模和分析，在风灾和地震作用下计算得到的该榀框架的层间和水平位移均可满足规范要求。

关键词：无比轻钢龙骨体系；异型框架；做法改进；有限元分析；水平位移

1.概述

无比轻钢龙骨体系（WEBLightGaugeSteelJointStructure）简称无比钢，是一种新型的轻钢结构体系，具有墙厚小、质量轻等许多优点[1]。多用于4层及以下低层住宅。近年来，被引入中国，在青岛、安徽、北京、山西等地被成功用于低层住宅、办公楼、中小跨度厂房等。

无比钢的上部结构由楼板、桁架梁和墙体构成。墙体则是由蒙皮和自功螺丝把若干竖放的小桁架整体装配而成。由于蒙皮能大幅度提高墙体的刚度和承载力，且可以参与抵抗水平力，对一些异型结构采用现有的规范和常用设计软件无法进行墙体或框架的设计与计算，故常用有限元对该体系进行分析和计算[4]。

本文介绍了无比轻钢结构体系的构成与改进、桁架梁（片柱）的简化及一榀异型框架有限元建模方法，结合工程实例验算了水平位移的计算结果[2?8]。

2.无比钢结构体系的组成

无比钢结构体系即无比轻钢龙骨体系。主要有楼板﹑墙体﹑桁架梁和基础四部分构成。其结构中最小的体系是小桁架，如图1所示。这种小桁架主要是由冷弯薄壁方（矩）行管（Tubes）和三角行的V型连接件（Clips）通过自攻螺丝连接而成。即可以直接做桁架梁，也可以充当墙体中的受力骨架（桁架柱）。

轻形冷弯薄壁方管

V型连接件

自攻螺钉

图1桁架片柱构造图

无比钢墙体主要桁架片柱、方柱、蒙皮三部分构成。常规做法中还包括抗拉钢带及上、下C型导轨构成。抗拉钢带结构承受较大剪力时设置。由于C型导轨较薄，抗剪性能较差，

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多用于底层结构中，三层及以上结构体系中很少采用。片柱是墙体中的主要竖向受力构件，由于市场上OSB板尺寸的要求，片柱之间的尺寸通常取610mm。桁架方柱由两个片柱通过V型件连接而成，一般布置在墙体转角或集中力较大处。蒙皮多采用OSB板，约10mm厚，在墙体的一侧或两侧通过自攻螺钉与桁架片柱方柱相连。

楼层上下墙体之间的连接，以前多采用螺栓通过导轨相连，底层墙体的下部导轨通过预埋螺栓与钢筋混凝土条形基础相连。桁架梁与墙体的连接为：将桁架梁上弦方（矩形）管置于墙体上端的C型导轨上，并通过角钢1和自攻螺丝与墙体连接在一起。桁架梁下弦的方（矩形）管则通过角钢2，自攻螺丝与桁架片（方）柱弦杆相连。如图2所示。

1-导轨；2-桁架片柱；3-角钢1；4-楼板；5-桁架梁；6-角钢2；7-自攻螺丝；

图2常规无比钢墙体及楼面梁连接方法

3.桁架梁片柱截面刚度的等效简化

由于实体建模中构件较多，具体工程计算时耗时长，对电脑硬件要求较高，故将桁架梁（片柱）等效成梁，如图3所示，然后进行建模，将极大的节省时间和建模的繁杂程度。梁的等效面积A﹑抗剪刚度及绕Y轴的抗弯刚度EIy可直接根据片柱中两方管柱的截面尺寸而定，不考虑V形件的影响。而绕强轴X的弯曲刚度EIx则必须考虑V形连接件的影响。

EIxY

XEIx

A

1-矩形管（方管）；2-V形连接件

图3桁架梁等效成三维梁的示意图

如图4所示，设加载点A﹑B及梁中点C的竖向位移为ΔA﹑ΔB﹑ΔC﹑a为两端到加载点距离，L为梁跨度，则AB纯弯段的等效抗弯刚度可按式（1）计算：

可以求得对应的抗弯刚度

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就可以求得对应的扭转刚度

PPPP

PP

ABC

AB

M

位移图弯矩图

位移图

图4等效抗弯刚度计算示意图

采用中国建研院开发的PKPM软件对一跨度L为12m的桁架梁，通过改变荷载作用点距支座的距离a的大小，通过加权平均计算后得到个种截面尺寸的截面等效刚