来源：《建筑科学与工程学报》2024 年第 3 期

作者：张凯，李阳，陈雨桐

出处：《建筑科学与工程学报》2024

摘要

冷弯薄壁型钢住宅具备工业化程度高、自重轻、施工速度快等优势，现阶段低层体系应用成熟，但向多层建筑推广时，装配式剪力墙上下层连接构造薄弱、抗剪承载力离散性大等问题突出。本文针对干法装配冷弯薄壁型钢复合剪力墙开展足尺试验与数值模拟，探究面板螺钉间距、上下层连接形式、轴压比等参数对墙体抗剪承载力、变形能力与破坏模式的影响规律；对比自攻螺钉连接、拉铆混合连接两种装配方案的受力差异，揭示装配墙体的剪切滑移、立柱局部屈曲发展机理；建立可用于工程设计的简化承载力计算公式，提出适用于多层冷弯薄壁钢结构的剪力墙装配构造优化措施。研究成果可为多层冷弯薄壁型钢住宅体系推广提供试验依据与设计参考。

Abstract

Cold-formed thin-walled steel buildings feature high industrialization, light self-weight and fast construction speed. While low-rise systems have been widely applied, their promotion in multi-story buildings is restricted by weak connections between upper and lower stories and large dispersion of shear capacity of prefabricated shear walls. Full-scale tests and numerical simulations were carried out on dry-assembled cold-formed thin-walled steel composite shear walls. The influences of screw spacing of wall panels, assembly connection form and axial compression ratio on shear capacity, deformation behavior and failure mode were investigated. Mechanical differences between self-drilling screw connections and rivet-screw hybrid connections were compared, and the mechanism of shear slip and local buckling of studs was revealed. A simplified bearing capacity formula for engineering design was established, and optimized assembly details for multi-story cold-formed thin-walled steel shear walls were proposed. The research provides experimental support and design reference for the popularization of multi-story cold-formed thin-walled steel residential systems.

一、研究背景

冷弯薄壁钢结构住宅作为绿色装配式建筑主流体系之一，在乡村低层住宅项目中已经规模化落地。现有国内规范与研究成果大多针对 1～3 层低层建筑，当建筑高度提升至 4～6 层时，结构竖向荷载与水平地震作用显著增大，剪力墙作为主要抗侧力构件，受力特征发生明显改变。

传统现场拼装墙体依靠自攻螺钉实现面板与钢骨架连接，多层工况下容易出现螺钉撕裂、面板滑移、上下层连接脱开等脆性破坏。目前行业缺少统一的多层装配剪力墙构造设计准则，不同企业节点做法差异较大，存在安全隐患。

为突破低层应用局限，拓展冷弯薄壁型钢体系适用高度，亟需系统研究装配式剪力墙抗剪受力机理，优化干法装配连接构造，形成配套设计方法，支撑多层冷弯薄壁型钢住宅产业化落地。

二、研究内容

（一）墙体试件设计与加载方案

设计多组足尺冷弯薄壁型钢复合剪力墙试件，变量包含：面板螺钉间距、上下层竖向连接形式、是否增设拉铆钉、竖向轴压力大小。采用水平低周往复加载方案模拟地震作用，全程采集荷载、墙体位移、骨架应变、面板裂缝发展数据，记录墙体从弹性阶段到极限破坏全过程特征。

（二）受力机理与破坏模式分析

试验结果表明：弹性阶段墙体变形均匀，荷载主要由石膏 / 水泥纤维面板通过螺钉传递给钢立柱；进入塑性阶段后，面板对角出现斜向剪切裂缝，螺钉位置出现应力集中；极限状态下常见两类破坏：螺钉拉出破坏、钢立柱底部局部屈曲。采用拉铆 - 螺钉混合连接可以有效延缓面板滑移，提升墙体延性。

（三）有限元参数拓展分析

基于试验校准有限元模型，开展大范围参数分析，研究墙体高宽比、立柱截面厚度、保温填充材料对墙体抗剪刚度与耗能能力的影响。通过海量算例拟合得到装配式剪力墙抗剪承载力简化计算公式，公式计算误差控制在 10% 以内，满足工程设计精度。

（四）构造方案对比优选

对比四类上下层竖向连接做法：普通螺栓搭接、带连接板端螺栓、U 型套箍连接、连续立柱贯通方案。综合承载力、施工便捷度、造价指标，推荐多层建筑优先采用带连接板螺栓搭接构造，并给出螺钉布置、边缘加强构造实施细则。

三、主要结论与工程建议

综合以上研究，可以得出以下主要结论：

1. 单纯自攻螺钉连接剪力墙在高轴力作用下易发生面板滑移破坏，采用螺钉 + 拉铆钉混合连接，墙体极限抗剪承载力可提升 15%～22%，耗能能力显著改善。
2. 上下层连接构造是多层冷弯薄壁剪力墙关键薄弱部位，不设置加强连接板时，墙体层间滑移会提前出现，大幅降低结构抗震储备。
3. 墙体面板螺钉间距不宜大于 150mm，墙体两端立柱建议增设内衬加强槽钢，避免底部局部屈曲。
4. 本文提出的承载力简化计算公式可直接用于 4～6 层冷弯薄壁型钢剪力墙初步设计。
6. 建议在多层冷弯薄壁装配式住宅项目中，剪力墙上下层接缝位置增设端板连接板；层高大于 3.0m 墙体，两侧立柱采用加厚截面，优先选用拉铆混合装配方案，提升结构整体抗震安全储备。