摘要：冷弯薄壁型钢结构住宅体系在美国、日本、澳大利亚等国家的住宅建筑中已进行了大量应用，并已经有了二、三十年的应用历史。
1 引言
冷弯薄壁型钢结构住宅体系在美国、日本、澳大利亚等国家的住宅建筑中已进行了大量应用，并已经有了二、三十年的应用历史。采用这种体系进行建设的住宅数量每年都以较快的速度增长。近年来，这种住宅结构体系，在我国的建筑高度在三层以下的住宅建设中，已开始试点并推广应用。由于该住宅体系具有保温、隔热和隔声性能在设计阶段可预先按国家有关住宅和节能标准进行合理设计考虑、结构用钢材可以100%回收利用、所采用建筑材料均为绿色建材并可全部工厂化生产、建筑分部体系可实现工厂化预拼装、施工精度高、建设周期短、节省水、电及人工等突出优点，所以该种住宅体系的试点推广，对促进我国的住宅产业化和推广绿色建筑建设都具有很重要的意义。
2 冷弯薄壁型钢结构住宅体系及组合抗剪墙体
冷弯薄壁型钢结构住宅体系，是最近几年从国外引进并在国内迅速发展起来的一种新型结构。冷弯薄壁型钢结构住宅体系采用了冷弯薄壁型钢龙骨式结构（Light Gage Steel structure）为主要结构受理体系，主要适用于三层及三层以下的住宅建筑中。其受力特点为墙、板受力。结构所受的竖向及水平力均通过受力墙体传至墙下基础。该结构体系包括：屋面体系，墙面体系和楼面体系。该体系的屋面部分可设计成各种坡度的坡屋面，屋面结构则采用的是由冷弯薄壁型钢组成的三角型钢桁架体系。其承重墙钢龙骨间距一般为400mm或600mm，墙体总厚度一般仅为100mm - 200mm；楼面体系的楼面钢梁断面高度，一般为150mm - 300mm。
冷弯薄壁型钢结构住宅体系示意图 冷弯薄壁型钢组合墙体示意图
屈服强度为550MPa的高强冷弯薄壁型钢立柱组合抗剪墙体系由镀锌或镀铝锌的冷弯薄壁型钢作为结构承重立柱构件、带肋钢板、石膏板经自攻螺钉连接而成，是冷弯薄壁型钢结构住宅的主要承重和抗侧力构件。传统的冷弯薄壁型钢结构住宅组合墙体是有由C型冷弯薄壁型钢立柱和石膏板、定向刨花板（OSB板）经自攻螺钉连接而成。 由于我国木材短缺，且定由向刨花板（OSB板）组成的冷弯薄壁型钢立柱组合抗剪墙体，在防火性能方面，难以获得国内消防部门的认可。因此，博思格建筑系统住宅部与西安建筑科技大学钢结构研究所和长安大学共同合作，用加劲薄钢板代替OSB板，组成了以高强冷弯薄壁型钢为立柱的新型组合墙体体系。这在国内尚属首次。
3 组合墙体试验及成果
3.1 试验
试验采用了与实际工程中尺寸、构造相同的墙体构件材料，共16块组合墙体试件。按构造方式分为四组，即“带肋钢板＋石膏板”、单面带肋钢板、单面石膏板和双面无板带交叉钢拉条支撑；按试验加载方式分为“墙体无竖向力的水平单调加载”、“墙体无竖向力的水平低周反复加载“和“墙体有竖向力的水平低周反复加载。”
带肋钢板墙体试件 带肋钢板墙体试件破坏图
3.2试验成果
3.2.1 墙体试件抗剪强度试验值
单面石膏板墙体试件抗剪强度结果为4.42KN/m～4.96KN/m；单面带肋钢板墙体试件的抗剪强度结果为9.84KN/m～14.69KN/m，相应的延性系数为1.568～2.360；双面板墙体试件的抗剪强度为13.03KN/m～16.74KN/m。相应的延性系数为1.731～2.384。
根据澳大利亚、日本和北美相关住宅体系标准，抗剪墙体的平面内水平变形应控制在[L/300]，L为墙体高度。在本次双面板墙体试验中，墙体变形为[L/300]时所对应的抗剪墙体最小抗剪强度为Ps’=8.39 KN/m。在工程设计验算中采用此值作为设计标准值。
3.2.2 单面板墙体试件和双面板墙体试件承载力对比
单调加载时，单面石膏板墙体试件的抗剪强度与0.8倍的单面带肋钢板墙体试件抗剪强度之和与双面板墙体试件抗剪强度比较吻合，即单面石膏板墙体的抗剪强度＋0.8X（单面带肋钢板墙体的抗剪强度）≈双面板（石膏板＋带肋钢板）墙体的抗剪强度。
4 用冷弯薄壁龙骨式组合墙体按实际住宅工程情况进行设计分析
4.1工程条件
建设工程地位于上海，建设住宅为两层别墅( 双拼 )，建筑总高度为 10.2m。该建筑为丙类建筑，设防烈度为7度，安全等级为二级，设计基准期为50年。荷载条件为屋面恒荷：0.3kpa，基本风压：0.55kpa，楼面恒荷：0.5kpa/1.5kpa(卫生间)，墙面恒荷：1.8KPa 。设计该住宅 为两层轻型冷弯薄壁龙骨式结构体系建筑，剪力墙结构采用“带肋钢板＋石膏板双面板体系”，墙体、屋面桁架均采用屈服强度为550MPa的镀铝锌高强型钢结构体系，楼面次梁采用屈服强度为450MPa的镀锌高强钢材。
由于高强型钢结构体系的建筑具有自重轻的特点，所以，在该设计中地震荷载不对结构设计起控制作用。计算分析结果为，风荷载参与的荷载组和工况在设计中起控制作用。这里以剪力最大的一层墙体抗剪设计为例进行设计分析。
在该建筑的南北方向：一层层间剪力 为134.6KN；东西方向：一层层间剪力 为106.3KN。
工程效果图 一层剪力墙布置图
4.2 剪力墙体的抗剪承载能力验算：
其中：
v = 剪力墙单位长度剪力 设计值(kN/m)
Sn = 风载作用下带肋钢板组合剪力墙抗剪强度设计值 (kN/m)。
按550MPa 高强冷弯薄壁型钢立柱组合墙体抗剪性能研究结果, 即最大荷载Pmax对应的抗剪强度 Ps=13.6 KN/m，墙体变形L/300时荷载P300对应的抗剪强度Ps’=8.39 KN/m，取两者较小值即Ps’。
V = 剪力墙所承受的剪力设计值 (kN)
Ca = 剪力墙抗剪强度调整系数（见表5.4.7.4）查表北美相关标准《Standard For Cold-Formed Steel Framing-Lateral Design》 – 2004 Table C3.2-1
= 剪力墙总长（m）
由于本工程剪力墙体分布基本对称，在计算中，水平力仅按剪力墙墙长分配，忽略因刚度中心和质量中心不重合而产生的附加剪力。
由以上的墙体抗剪承载力分析可以看出，实际作用在建筑物上的水平剪力仅为该墙体体系最小抗剪能力的约45%。可见，由高强冷弯薄壁型钢立柱组合墙体用于实际工程中的两层别墅建筑时， 其抗剪性能是安全可靠的，并且有很高的安全储备。
4.3 剪力墙的变形校核：
采用美国标准计算校核本工程剪力墙位移，并与试验值作一个对比。取宽度最小的剪力墙W1－13，按美国钢铁协会冷弯薄壁型钢结构标准Standard For Cold-Formed Steel Framing-Lateral Design，2004 Edition C2.1.1 进行计算得：
∆＝9.16mm≤ [∆]＝1/300h=11mm.
从以上位移验算结果可以看出该计算值和高强冷弯薄壁型钢立柱组合墙体抗剪性能研究报告中的建议设计值与根据美国标准Standard For Cold-Formed Steel Framing-Lateral Design，2004 Edition 计算结果比较吻合。说明应用该试验值进行墙体体系设计时能充分满足建筑变形要求。
5 结语
通过以上分析可以看出高强冷弯薄壁型钢立柱组合墙体体系应用在低层住宅建筑工程中是安全可靠的。与北美的由C型冷弯薄壁型钢立柱和石膏板、定向刨花板（OSB板）经自攻螺钉连接而成的剪力墙相比，该墙体采用不可燃材料高强钢材，在提高高强冷弯薄壁型钢立柱组合墙体的结构极限强度和冷弯薄壁型钢立柱组合墙体体系的防火性能方面有显著改进，是一种经济、合理、节能、环保的新型抗剪墙体系。高强冷弯薄壁型钢立柱组合墙体体系的应用，将对建设节约、环保型社会，推进我国住宅产业现代化，有积极意义。
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本文来源于钢结构住宅博客 http://www.billtao.cn/
