近年来，低层冷弯薄壁型钢结构住宅作为新型住宅结构体系在我国逐渐应用，冷弯型钢龙骨式复合墙体是低、多层龙骨体系房屋建筑结构的主要承重构件，其抗剪性能的研究对制定相关规范和加速低层冷弯薄壁型钢结构住宅体系在我国的推广应用具有意义 ^[1,2,3,4]。低层冷弯薄壁型钢结构体系源于低层木结构住宅体系，这种结构一般适用于2层或局部3层以下的独立或联排住宅，墙体立柱间距一般为400～600mm，上下导轨与楼面间设有抗剪连接件 ^[3]，如图1所示。

　　 冷弯薄壁型钢龙骨式复合墙体是承担竖向荷载和水平荷载的主要构件，由冷弯薄壁型钢墙体龙骨、外墙结构面板(OSB板、波纹钢板等)和内墙板(石膏板等)通过自攻螺钉连接而成，如图2所示。墙体龙骨由上下导轨和立柱(卷边C形截面)通过自攻螺钉连接而成，边立柱往往采用双柱，并在边立柱下端设有抗拔锚栓连接件。复合墙体受力机理不同于传统构件，主要通过蒙皮效应利用其壳面内的刚度和强度抵抗侧向荷载。

　　 国内外对于冷弯型钢龙骨式复合墙体抗剪性能的研究已取得颇多成果 ^{[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]}。然而研究对象主要以用于低层结构的传统复合墙体为主。为进一步将冷弯型钢龙骨式复合墙体推广至中、高层结构中，提出采用桁架龙骨的新型波纹钢板覆面冷弯型钢龙骨式复合墙体(简称新型墙体)，并对其抗剪性能进行研究。

　　 基于已完成的波纹钢板覆面龙骨式复合墙体抗剪试验 ^[9]，采用ANSYS有限元分析软件，对传统波纹钢板覆面龙骨式复合墙体(简称传统墙体)进行数值模拟研究，通过与已有试验结果的对比，验证有限元分析方法及模型的可靠性，以便指导该类墙体及新型墙体的数值分析。

　　 传统墙体龙骨及覆面板均采用塑性壳单元shell 181模拟。波纹钢板接缝处及波纹钢板与龙骨间的自攻螺钉连接均采用非线性弹簧单元combin39模拟。使用弹簧单元模拟螺钉时需输入力-变形曲线，即螺钉试验荷载-变形曲线，本研究采用图3所示的螺钉曲线 ^[9]。

　　 另外，对于其他螺钉连接，即龙骨间和龙骨与石膏板间的螺钉连接，采用耦合的方法处理，耦合对应构件在自攻螺钉连接处x,y,z 3个方向的平动自由度不考虑构件间的滑移。

　　 材料非线性由材料应力-应变关系的非线性引起。材料非线性问题只需将材料本构关系非线性化，即可将线性问题的表达式推广应用于非线性分析。传统墙体各构件材料遵循Von Mises屈服准则，应力-应变关系按照双线性随动强化模型(BKIN模型)输入。对于钢材，主要参考文献[9]的试验结果。龙骨、立柱均采用Q345钢材，而波纹钢板则采用G550钢材。对于石膏板，文献[6,9]中假定石膏板为各向同性材料(实际为正交各向异性材料)，均能得到合理的结果，借鉴这一假设，将石膏板假定为各向同性材料，并根据文献[9]的石膏板材料性能试验结果，进行有限元分析时取石膏板静曲强度为1.85MPa，弹性模量为1 943.33MPa，泊松比为0.23。

　　 在ANSYS分析中，几何非线性不仅表现为几何方程不同，且由于产生大变形，应力、应变关系需重新定义，本构关系和平衡方程需按重新定义的应力、应变表示。一般通过在建模时人为引入初始缺陷及在求解设置中打开几何大变形开关实现对几何非线性的考虑。

　　 2)有限元模型的建立

　　 主要考察编号为SW10的墙体试件 ^[5]，该墙体钢龙骨为Q345钢材，覆面板一侧为12mm厚石膏板、一侧为0.5mm厚带肋波纹钢板。试验加载方式为水平单调加载，并施加20kN竖向荷载。

　　 有限元模型的建立将按照试件组装顺序进行，建模顺序如图4所示。采用直接建模方法，即先根据预先定好的网格划分尺寸，精确确定结点坐标，再由结点生成有限元单元。

　　 3)边界条件及荷载的施加

　　 边界条件的模拟至关重要，只有精确合理地模拟边界条件，有限元分析才能达到较好的效果。结合试验情况，约束墙体上导轨腹板结点平面外的平动自由度，并耦合上导轨腹板结点沿加载方向的平动自由度;约束墙体下导轨腹板及立柱下端沿竖向的平动自由度，并约束下导轨腹板与试验架底梁连接位置处结点x,y,z 3个方向的平动自由度;试验墙体边立柱脚部均设有抗拔连接件，有限元模型中通过约束试验墙体抗拔连接件最下面一排螺钉处的边立柱腹板结点x,y,z 3个方向自由度模拟。

　　 对于竖向荷载的施加，实际上竖向荷载主要由立柱承担，故有限元模拟中将竖向荷载换算为均布荷载的形式加在柱顶，以模拟竖向荷载对墙体抗剪性能的影响，墙顶施加水平荷载前将竖向荷载一次加载到位，进行小变形静力求解，并保持恒定不变。水平荷载采用位移加载的方式。

　　 4)有限元模型验证

　　 对传统墙体有限元模型的正确性进行验证，确保后续的分析有效可靠。模型正确性的验证需通过有限元分析结果与试验结果的对比完成，主要从破坏模式、荷载-位移曲线和最大抗剪承载力3方面进行。

　　 SW10墙体有限元模型在水平荷载作用下的破坏过程及破坏模式与试验现象基本一致，均以波纹钢板的剪切屈服与边立柱的屈曲为主，如图5所示。荷载-位移曲线对比如图6所示，由图6可知，有限元分析曲线与试验曲线趋势一致，初始刚度、最大荷载及最大荷载对应的位移均较为接近。试验中，最大抗剪承载力及对应的位移分别为39.2kN,40.7mm，而有限元分析结果分别为43.2kN,36.8mm，二者误差均为10%左右，充分证明有限元模型及分析方法可靠。

　　 本研究提出的新型墙体仍采用冷弯薄壁型钢构件，但采用桁架结构形式，并与覆面波纹钢板共同组成墙体结构体系，具体构造如图7所示。

　　 桁架龙骨立柱采用开口卷边槽形冷弯薄壁型钢，规格为[140mm×50mm×11mm×1.2mm，上下导梁、横梁及斜撑均为冷弯薄壁U形钢，规格为U142mm×56mm×1.2mm。采用双侧带肋波纹钢板，钢板厚0.75mm，肋高5mm，波距70.5mm。墙体覆面板与立柱连接的自攻螺钉间距外周为150mm、内部为300mm。为方便对比分析，传统墙体与新型墙体均采用双侧覆波纹钢板。

　　 新型墙体有限元模型建立步骤及方法与前文所述内容基本一致，只是在形成龙骨时增加对斜撑模型及其连接的模拟。建立斜撑模型时，因斜撑结点几何坐标较难确定，故采用几何建模方法。在立柱和横梁对应结点上建立局部坐标系，画出截面形状线，通过拉伸命令生成斜撑几何模型，再对其赋材料属性并划分网格生成单元，从而完成斜撑模型的建立(见图8)。在新型墙体有限元模型的基础上，去除斜撑单元可形成对应的传统墙体有限元模型，去除钢板单元可形成桁架龙骨有限元模型。波纹钢板与龙骨间螺钉连接仍采用单向弹簧单元模拟，螺钉曲线参考文献[16]。龙骨间螺钉连接仍按耦合方法模拟。新型墙体有限元模型边界约束条件与前文一致。仍采用位移加载的方式施加水平荷载。求解选项设置及后处理过程均按照前文内容进行。

　　 1)与传统墙体的比较

　　 从破坏模式及最大抗剪承载力2方面对传统墙体和新型墙体有限元分析结果进行比较，分析墙体抗剪性能的差异。

　　 根据有限元模拟结果，传统墙体破坏模式主要为波纹钢板产生斜向剪切屈曲变形，钢板周边破坏，边柱柱脚发生畸变屈曲，最后钢板面向外鼓屈过大，导致对立柱的侧向支撑减弱，从而使得墙体整体破坏。对于新型墙体，钢板破坏模式与传统墙体类似，主要差异在于龙骨的破坏模式，桁架龙骨斜撑腹板和翼缘发生局部屈曲，底层立柱和斜撑发生畸变屈曲，特别是远离加载端柱脚和附近斜撑尤为严重，桁架龙骨中的应力大部分仍处于弹性阶段，但畸变屈曲比传统龙骨明显。

　　 传统墙体与新型墙体荷载-位移曲线如图9所示，新型墙体无论是初始刚度还是后期刚度均比传统墙体大，但延性较传统墙体差。新型墙体最大抗剪承载力(126.79kN)比传统墙体(106.83kN)提高18.7%，最大位移(42.13mm)小于传统墙体(73.56mm)。

　　 分别计算传统墙体与新型墙体的用钢量，以体积计，传统墙体为0.016 4m³，新型墙体为0.020 6m³，用钢量增加25.6%，但最大抗剪承载力提高18.7%，抗侧刚度也增大(见表1)。

　　 2)桁架龙骨与桁架龙骨式复合墙体的比较

　　 在桁架龙骨表面蒙上钢板并用螺钉连接即可形成桁架龙骨式复合墙体，为研究桁架龙骨对复合墙体抗剪性能的贡献(见表2)，分别对二者进行有限元数值模拟，结果如图10所示。由图10可知，单纯的桁架龙骨抗剪承载力及抗侧刚度均较小，因此桁架龙骨式复合墙体仍为应力蒙皮体系，即通过蒙皮的面内刚度抵抗侧向荷载。不能忽视桁架龙骨的作用，一方面桁架龙骨与钢板的关系并非单纯的相加关系，二者通过相互作用共同承担侧向力;另一方面，桁架龙骨相对传统龙骨而言为几何不变体系，对于墙体抵抗竖向力非常有利。

　　 3)正反向加载墙体抗剪性能的比较

　　 新型墙体斜撑布置具有方向性，因此需考虑墙体在2个方向上的受力，前文已对斜撑受压方向(正向)受力性能进行分析，现对斜撑受拉方向(反向)性能进行有限元分析，并与受压时进行对比。正反向加载墙体荷载-位移曲线如图11所示，抗剪性能参数如表3所示。

　　 由图11、表3可知，反向加载时墙体承载力及刚度均优于正向加载，因此，着重考虑墙体正向受荷下的抗剪性能。事实上，反向加载时斜撑受拉，不存在稳定问题，可以预见墙体在该方向上有更大的承载力及刚度。

　　 利用已有模型对影响新型墙体抗剪性能的因素进行参数分析，包括立柱壁厚、龙骨强度、波纹钢板厚度、波纹钢板肋高、单双排边立柱及竖向荷载6个因素。参数分析结果如表4所示。

　　 由表4可知，立柱壁厚为1.0,1.2mm的新型墙体比立柱壁厚为0.8mm的新型墙体最大抗剪承载力分别提高30.2%,52.9%。由此可知，新型墙体抗剪承载力随立柱壁厚的增加明显提高。由新型墙体破坏模式可知，墙体主要破坏形态为边立柱柱脚屈曲，最终导致承载力下降，故增大立柱壁厚对墙体承载力的提高非常有利。

　　 采用G550龙骨的新型墙体最大抗剪承载力比采用Q345龙骨的新型墙体提高7.2%。由此可知，龙骨强度的提高对新型墙体抗剪承载力的提高有一定帮助，但不明显。由于墙体破坏时，龙骨应力大部分处于弹性阶段，因此，不难推测龙骨强度的提高对墙体承载力的提高作用不大。

　　 当波纹钢板厚度分别为0.75,0.85mm时，新型墙体最大抗剪承载力比波纹钢板厚0.65mm时分别提高7.2%,9.6%。由此可知，钢板厚度的增加对新型墙体抗剪承载力的提高有一定作用，但不明显。

　　 改变波纹钢板肋高对新型墙体最大抗剪承载力的变化影响很小，肋高10,15mm墙体最大承载力分别与肋高5mm墙体相差0.43%,0.89%。

　　 双排边立柱新型墙体最大抗剪承载力比单排边立柱新型墙体提高29.3%。因此，边立柱的加强对新型墙体抗剪性能的提升影响较大。参数分析结论与新型墙体以边柱屈曲为主要破坏模式的特点吻合。

　　 承受50,100kN竖向荷载的新型墙体(轴压比分别为0.1,0.2)最大抗剪承载力比不承受竖向荷载的新型墙体分别下降1.6%,12.7%，可见轴压比>0.2后新型墙体抗剪承载力下降明显。

　　 根据参数分析结果，对新型墙体构造设计提出以下建议。

　　 1)因立柱壁厚对新型墙体抗剪承载力影响显著，故可根据工程需求选择不同壁厚立柱组成墙体。

　　 2)龙骨强度对新型墙体抗剪性能的影响较小，建议根据具体市场供应及需求情况选取龙骨强度。

　　 3)由于在一定范围内钢板厚度及肋高对新型墙体抗剪性能的影响较小，建议在兼顾墙体刚度及耐久性的前提下，选择0.75mm厚、5mm肋高波纹钢板作为覆面板。

　　 4)因去掉附加边立柱后新型墙体抗剪承载力削弱明显，故建议采用双排边立柱。

　　 5)由于轴压比>0.2后新型墙体抗剪承载力下降明显，建议在进行墙体设计时，轴压比控制为≤0.2。

　　 根据JGJ 227—2011《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》 ^[3]中的计算方法，可求得新型墙体单位长度抗剪承载力设计值S_h。采用Q345钢材双排边立柱桁架龙骨，0.75mm厚、5mm肋高波纹钢板覆面，不同立柱壁厚下的新型墙体最大抗剪承载力及单位长度抗剪承载力设计值如表5所示，以供参考。

　　 根据已有波纹钢板覆面龙骨式复合墙体抗剪试验研究数据，对其进行数值模拟分析，验证龙骨式复合墙体非线性有限元分析方法的可行性。在此基础上，提出新型冷弯型钢龙骨式复合墙体，并对其抗剪性能进行非线性有限元分析及参数分析，得出以下结论。

　　 1)通过精细化的非线性有限元分析，可合理模拟龙骨式复合墙体的破坏模式，并得到可靠的荷载-位移关系。

　　 2)采用非线性弹簧单元模拟自攻螺钉连接，可较好地模拟覆面板与龙骨间的滑移，得到的墙体变形及破坏形态与试验结果吻合良好。

　　 3)新型墙体的主要破坏模式为底层立柱和斜撑发生畸变屈曲，个别斜撑甚至发生整体屈曲破坏，同时波纹钢板周边进入塑性。

　　 4)新型墙体与传统墙体相比，用钢量增加25.6%，最大抗剪承载力提高18.7%，抗侧刚度也有大幅提升，其中1/300H侧移处割线刚度(弹性阶段刚度)提高32.0%。

　　 5)新型墙体中桁架龙骨对墙体抗剪性能有部分贡献，但主要抗剪强度及抗侧刚度仍由覆面钢板提供，即抗剪机理与传统墙体相似，钢板与龙骨间的螺钉连接是墙体抗剪性能充分发挥的关键。

　　 6)增加立柱壁厚及设置附加边立柱可有效提高新型墙体抗剪承载力，而增加龙骨强度、增加钢板厚度及肋高、施加竖向荷载对新型墙体抗剪性能的影响不大。