本发明专利技术公开了一种适用于多高层的钢框架加强的拓扑优化冷成型钢墙体及其施工工艺，该墙体包括新型钢框架单元和拓扑优化冷成型钢墙体单元。拓扑优化冷成型钢墙体单元的龙骨立柱横截面以及斜撑的布置都采用拓扑优化进行设计，使墙体具有更高的竖向和水平承载力。另外新型钢框架单元中的方钢管柱设置在拓扑优化冷成型钢墙体两侧，并上下连续，通过采用多组位于墙体两侧的卷边槽钢梁代替传统的单根工字梁，使得上层的竖向荷载不通过框架梁来传递，而是全部传递到下层墙体，同时可以较好地约束冷成型钢墙体单元的面外变形。由于多组卷边槽钢梁的存在，使得方钢管柱和拓扑优化龙骨柱成为整体，同时承担竖向和侧向力，有效地提升了结构的抗震性能、减小了方钢管柱截面尺寸。寸。寸。
【技术实现步骤摘要】
一种适用于多高层的钢框架加强的拓扑优化冷成型钢墙体及其施工工艺
[0001]本专利技术涉及一种适用于多高层的新型钢框架加强的拓扑优化冷成型钢墙体及其施工工艺,属于土木工程
技术介绍
[0002]冷成型钢组合结构，包括由冷成型钢龙骨立柱、导轨组成的冷成型钢骨架，以及通过自攻螺钉固定于冷成型钢骨架的墙板和屋盖。相关技术中的冷弯薄壁型钢住宅结构体系的突出优点是自重轻、施工速度快、抗震性能好、可结合普通钢结构运用，大部分建材可以回收利用。然而受到结构体系的限制，目前的冷成型钢结构主要用于三层以下住宅类房屋。
[0003]随着冷弯薄壁型钢结构体系的发展，多层冷弯薄壁型钢结构体系从21世纪初开始兴起并逐渐发展起来。在北美地区，多层冷弯薄壁型钢结构房屋据不完全统计已建成约300万平米，主要用于4～6层的学校、假日旅馆、老年公寓和住宅等房屋建筑[童悦仲，娄乃琳.美国的多层轻钢结构住宅[J].住宅科技，2004(11):32
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34]。国内外一些学者在传统冷弯薄壁结构的基础上进行了体系创新，其中Sharafi等[Mina M,Pezhman S,Hamid R,et al.Lateral behaviour of hybrid cold
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formed and hot
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rolled steel wall systems:Experimental investigation[J].Journal of Constructional Steel Research,2018,147]提出了一种混合结构，将部分冷弯薄壁龙骨替换为热轧方钢管小框架。冷弯薄壁龙骨承受了大部分的竖向荷载，而热轧方钢管小框架承受大部分水平荷载。该体系增加了墙体的抗侧强度与延性。周绪红[周绪红,邹昱瑄,徐磊,等.冷弯薄壁型钢
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钢板剪力墙抗震性能试验研究]对冷弯薄壁型钢边柱内置薄钢板剪力墙进行低周往复加载试验，研究结果表明冷弯薄壁型钢
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钢板剪力墙具有良好的抗震性能。增加边柱截面厚度及选用帽形边柱均可提高剪力墙的承载力、刚度及耗能性能。叶继红[建筑结构学报,2020,41(05):65
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75.(ZHOU Xiuhong,ZOU Yuxuan,XU Lei,et al.Seismic behavior of cold
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formed thin
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walled steel plate shear wall[J].Journal of Building Structures,2020,41(05):65
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75.(In Chinese))]采用矩形钢管混凝土柱作为冷弯薄壁墙体的端柱，并对单层和多层墙体进行了拟静力加载试验。研究结果表明，方钢管混凝土边柱能有效抑制螺钉倾斜，剪力墙的抗剪强度将提高。Thang[Thang N.D,John W.van de L.Seismic Performance of an Innovative Light
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Frame Cold
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Formed Steel Frame for Midrise Construction[J].Journal of Structural Engineering,2013,139(5)]研发了一种新型冷弯薄壁墙体。该系统包括楼板桁架、V型支撑轻钢龙骨柱、和钢管柱。研究结果表明，该体系具有良好的延性，可以用于多层住宅结构。
[0004]钢框架结构是一种发展非常成熟的结构体系，施工方便，结构性能良好，可以建造高层住宅，在国内外都有大量的应用。目前钢框架柱主要有H型钢柱、方钢管柱、以及异型柱。框架梁则采用工字型梁为主。节点分为刚性、半刚性和铰接节点。美国在2010年将节点分为6类[6]：1)焊接型；2)节点端板外伸型；3)托架为K型的螺栓连接型；4)翼缘螺栓连接
型；5)现场拼装型；6)梁翼缘削弱型。在实际工程中，冷弯薄壁墙体常常用在钢框架结构中，但都是作为围护结构，不参与承担竖向和水平荷载，如一种轻型钢框架
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冷弯薄壁型钢墙组合结构房屋建筑体系(CN106759866A)[罗会志,王狄龙,罗少卿,俞福利,梁奕俊,符金根,徐卫庆,张伟康.一种轻型钢框架
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冷弯薄壁型钢墙组合结构房屋建筑体系[P]]。
[0005]综合以上的研究背景，目前对于冷成型钢住宅、钢框架住宅、以及钢框架
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冷成型钢墙组合住宅，存在以下待解决问题：
[0006]1.目前冷成型钢墙体的水平和竖向承载力都偏低，且在地震作用下边龙骨柱容易受压屈曲，导致墙体破坏。
[0007]2.冷成型钢墙体与传统钢框架结合后，由于冷成型钢墙体的强度与刚度远小于钢框架，只能作为填充墙，无法和钢框架共同受力，承担水平和竖向荷载。
[0008]3.除此之外，对于多高层钢框架住宅，由于结构的竖向荷载和水平荷载全部由钢框架承担，导致梁柱截面尺寸较大，存在凸梁凸柱的现象，室内装修效果较差。
[0009]针对以上问题，将传统的冷成型钢墙体与钢框架进行以下优化设计并组合：
[0010]为了增加冷成型钢墙体的了竖向荷载承载力，使其可以应用到多高层住宅，通过拓扑优化将传统的龙骨立柱的C型截面改进为Π型截面，控制其在腹板宽度较小的情况下显著增加其竖向承载力。
[0011]为了使冷成型钢墙体抗侧承载力与刚度与钢框架相近，可以共同承担水平和竖向力，本体系的冷成型钢墙体采用拓扑优化骨架单元。与传统冷成型钢墙体骨架单元中无刚性支撑或仅设置交叉刚性支撑相比，拓扑优化骨架单元的刚性支撑布置根据优化结果布置，可以大幅提高墙体的抗侧能力承载力。
[0012]为了使钢框架更好地与冷成型钢墙体协同工作，将传统的梁柱框架体系改进为新型框架体系，每组卷边槽钢梁设置于墙体两侧，与墙体的龙骨柱通过自攻螺钉相连。位于墙体两侧的卷边槽钢梁不参与墙体的竖向荷载传递，仅传递水平荷载。由于每隔1/3层高就设置了卷边槽钢梁，不仅可以更好地使墙体龙骨柱与方钢管柱共同受力与工作，还可以全面约束冷成型钢墙体发生面外变形。
技术实现思路
[0013]本专利技术所要解决的技术问题在于，一种适用于多高层的新型钢框架加强的拓扑优化冷成型钢墙体及其施工工艺。通过拓扑优化大幅提高了冷成型钢墙体的竖向以及水平承载力。改进了传统梁柱框架的框架梁布置方式，可以使冷成型钢墙体和钢框架同时承担竖向荷载和水平荷载，从而提高结构承载力，降低框架梁柱截面尺寸。
[0014]该体系在冷弯薄壁型钢复合钢皮剪力墙两侧设置方钢管柱，通过采用位于墙体两侧的槽钢梁代替传统的工字梁，使得上层墙体的竖向力可以全部传递到下层墙体。与此同时，由于槽钢梁的存在，使得墙体两边的方钢管柱组成完整的框架体系，提高了方钢管柱的抗侧能力，从而使新体系中墙体和框架同时承担竖向和侧向力，使得结构可以应用于高层建筑。由于墙体和框架同时参与受力，因此框架柱的截面可以缩小，本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种适用于多高层的钢框架加强的拓扑优化冷成型钢墙体，包括新型钢框架单元(1)和拓扑优化冷成型钢墙体单元(2)。新型钢框架单元(1)与拓扑优化冷成型钢墙体单元(2)共同承担结构体系的竖向荷载与水平荷载。2.根据权利要求1所述的适用于多高层的钢框架加强的拓扑优化冷成型钢墙体，其特征在于，所述拓扑优化冷成型钢墙体单元(2)由覆面板材(9)与拓扑优化骨架单元(3)通过自攻螺钉相连接；拓扑优化骨架单元(3)由拓扑优化龙骨柱(4)、刚性支撑(5)和导轨(7)通过自攻螺钉相连接。其布置方式采用拓扑优化：基于OPENSEES软件，采用类桁架材料模型的结构拓扑优化方法研究钢性支撑的设计与布置。既有的拓扑优化龙骨柱(4)以及卷边槽钢梁(8)构成了结构优化的初始设计域；在地震荷载作用下，以应力约束体积最小问题为研究目标：find α
j
,t
bj
＞t b＝1,2s.t. σ
bj
≤σ
p
n表示总结点数目，V
e
是每个单元的类桁架材料体积。为了使体积最小，通过满应力方法让每一点类桁架材料的应力达到容许应力。且在每次迭代之后，类桁架杆件沿着相应的主应力方向布置，其中i记录迭代次数，σ
y
为材料容许应力。为了避免刚度矩阵奇异，在迭代过程不得为0，最小值为限值t。杆件密度变化作为迭代过程的收敛准则，当达到上述收敛条件时，可以得到最优化的类桁架材料分布。3.根据权利要求1所述的适用于多高层的钢框架加强的拓扑优化冷成型钢墙体，其特征在于，拓扑优化冷成型钢墙体单元(2)中拓扑优化龙骨柱(4)采用的Π型横截面，并采用直接强度法和遗传算法对截面参数进行优化，使拓扑优化龙骨柱(4)可以在新型钢框架单元(1)的约束下，在腹板厚度较小的情况下具有最大的竖向承载力；优化过程首先采用软件CUFSM，根据有限样条法计算构件的全截面屈曲荷载P
y
、整体屈曲荷载P
cre
、局部屈曲荷载P
crl
、以及畸变屈曲荷载P
crd
；其次采用直接强度法分别计算构件多种模态...
【专利技术属性】
技术研发人员：冯若强，刘深，
申请(专利权)人：南京东亦南工程科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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