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轻钢厂房新型墙面系统抗风性能研究

文档作者：朱思宇杨彬张其林文档来源：同济大学土木工程学院		点击数：	更新时间： 2025年11月16日
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２０１４ 年８ 月下
第４３ 卷　第１６ 期
施　工　技　术
ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 　８１
ＤＯＩ：１０􀆰 ７６７２／ ｓｇｊｓ２０１４１６００８１
轻钢厂房新型墙面系统抗风性能研究∗
朱思宇，杨　彬，张其林
（同济大学土木工程学院，上海　２０００９２）
［摘要］ 对一种适用于轻型钢结构厂房的新型墙面系统进行了有限元分析和试验研究。考察此系统在无外部墙面
板时风吸力作用下的承载能力及破坏形态，以及此系统在有外部墙面板时风压力作用下的承载能力及破坏形态。
结合进一步的有限元分析，对此新型墙面系统在施工和使用阶段的抗风承载力进行探讨，最终得到系统的抗风承
载力，并折算出其可承受的基本风压。并将此新型墙面系统与传统墙面系统在承载能力、使用性能等各方面进行
比较，指出此新型墙面系统有很大的应用前景。
［关键词］ 轻钢厂房；墙面系统；风荷载；抗风性能；模拟；研究
［中图分类号］ ＴＵ３９２ ［文献标识码］ Ａ　　　　［文章编号］ １００２⁃８４９８（２０１４）１６⁃００８１⁃０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｗｉｎｄ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ
Ｎｅｗ⁃ｔｙｐｅ Ｗａｌｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ Ｓｔｅｅｌ Ｆａｃｔｏｒｙ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ
Ｚｈｕ Ｓｉｙｕ， Ｙａｎｇ Ｂｉｎ， Ｚｈａｎｇ Ｑｉｌｉｎ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００９２， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｏｎｅ ｔｏ ａ ｎｅｗ⁃ｔｙｐｅ ｗａｌｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｌｉｇｈｔ
ｓｔｅｅｌ ｆａｃｔｏｒｙ ｂｕｉｌｄｉｎｇ， ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈｏｕｔ ｏｕｔｅｒ ｐａｎｅｌ ｕｎｄｅｒ ｗｉｎｄ ｕｐｌｉｆｔ，
ａｎｄ ｔｈｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｏｕｔｅｒ ｐａｎｅｌ ｕｎｄｅｒ ｗｉｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ． Ｗｅ ｃａｎ ｇｅｔ ｔｈｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ａｎｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ
ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｕｎｄｅｒ ｗｉｎｄ ｌｏａｄ ｄｕｒｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎ⁃ｓｅｒｖｉｃｅ ｐｅｒｉｏｄｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎｄ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ｉｎ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ， ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｔｈｅ
ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｗｅｌｌ， ｓｏ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｂｒｏａｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｌｉｇｈｔ ｓｔｅｅｌ ｆａｃｔｏｒｙ ｂｕｉｌｄｉｎｇ； ｗａｌｌｓ； ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ； ｗｉｎｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ｒｅｓｅａｒｃｈ
∗ 国家科技支撑计划项目（２０１３ＢＡＪ１０Ｂ１０） ［作者简介］ 朱思宇，硕士研究生，Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｚｈｕｓｉｙｕ９１３＠１６３． ｃｏｍ ［收稿日期］ ２０１４⁃０２⁃２０
　　轻型钢结构具有节省用钢量、施工速度快、抗
震性能好、造型轻巧美观等优点，在建筑行业特别
是工业建筑领域被广泛使用。
传统的轻型钢结构外墙一般为压型钢板墙面
板和冷弯薄壁型钢墙梁，亦可采用砌体外墙，或底
部为砌体、上部为轻质材料外墙，保温隔热措施为
内侧采用预制板或其他纤维板，中间填充保温材
料；或是采用多孔砖等砌体［１］ 。本文针对一种新型
的无檩墙板墙面系统进行研究，该系统外部墙面板
仍采用压型钢板，柱与墙面板之间采用新型带肋板
替代传统的墙梁。相邻的带肋板之间在肋板处用
自攻螺钉固定，与工字型柱之间通过自攻螺钉连
接，与外部墙面板之间也通过自攻螺钉连接。与传
统相比，此系统可在带肋板和外部墙面板间空腔内
布置保温棉达到保温隔热效果，施工方便。选用
ＨＶ⁃６００ 作为带肋板，ＨＶ⁃２００ 作为外部墙面板进行
研究，系统如图１ 所示。
图１　新型墙面系统示意
Ｆｉｇ． １　Ｔｈｅ ｎｅｗ⁃ｔｙｐｅ ｗａｌｌ ｓｙｓｔｅｍ
轻型钢结构质量轻、柔性大，风灾对其造成的
　８２ 施工技术 第４３ 卷
破坏很普遍。轻钢房屋的风致破坏主要来自于围
护结构的破坏［２］ ，围护结构包括屋面板、墙面板和
门窗，破坏形式包括连接破坏面板脱落、面板局部
破坏等［３］ 。因此风荷载为控制此新型墙面系统设
计的主要荷载因素之一。
以下即针对此系统分别在无外部墙面板和有
外部墙面板两种情况下进行抗风性能的有限元分
析和试验研究。由于保温棉质量较轻、刚度较小，
对系统受力性能影响较小，因此有限元分析和试验
研究中未设置保温棉。
１　有限元分析
无外部墙面板时的计算模型为两相邻带肋板
ＨＶ⁃６００， 模型跨度５􀆰 ８ｍ， 横截面宽１􀆰 ２ｍ， 高
０􀆰 １４５ｍ；有外部墙面板时的计算模型为两个相邻的
ＨＶ⁃６００ 板， 且有外部墙面板ＨＶ⁃２００， 模型跨度
５􀆰 ８ｍ，横截面宽１􀆰 ２ｍ，高０􀆰 １７１ｍ。
为取得较好的计算精度，采用ｓｈｅｌｌ１８１ 弹塑性
壳单元模拟［４⁃５］ ；对于有外部墙面板的情况，选用接
触单元ｃｏｎｔａ１７５ 和目标单元ｔａｒｇｅ１７０ 定义接触对，
定义外墙面板压型钢板为接触面，加劲肋卷边为目
标面；利用ＭＰＣ１８４ 刚性梁单元模拟自攻螺钉。支
座处将长跨方向两边底板的ｘ，ｙ，ｚ，ＲＯＴｚ 进行约束；
面荷载作用范围为板的平板部分，作用方向为垂直
于板面；选用Ｑ３４５ 钢材，屈服强度ｆｙ ＝ ３４５ＭＰａ，弹
性模量为Ｅ ＝２􀆰 ０６ ×１０５Ｎ／ ｍｍ２；采用理想弹塑性模
型［６］ ；屈服准则采用等向强化Ｖｏｎ⁃Ｍｉｓｅｓ 屈服准则。
两种有限元模型如图２ 所示。
图２　有限元模型
Ｆｉｇ． ２　Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ
２　试验研究
２􀆰 １　试件概况
无外部墙面板的试件为２ 个ＨＶ⁃６００ 板件；有
外部墙面板的试件为２ 个ＨＶ⁃６００ 板件外装ＨＶ⁃２００
板件。板件之间以及板件与加载钢梁之间通过自
攻螺钉连接。２ 种试件的照片如图３ 所示。２􀆰 ２　加载方案
２􀆰 ２􀆰 １　无外部墙面板时
对无外部墙面板的情况模拟风吸力作用，即平板
部分受垂直于板面的压力。加载情况如图４ 所示。
图３　无外部墙面板及有外部墙面板试件
Ｆｉｇ． ３　Ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｗｉｔｈｏｕｔ ｏｕｔｅｒ ｐａｎｅｌ
ａｎｄ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｗｉｔｈ ｏｕｔｅｒ ｐａｎｅｌ
图４　无外部墙面板加载
Ｆｉｇ． ４　Ｌｏａｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈｏｕｔ ｏｕｔｅｒ ｐａｎｅｌ
采用堆载砂袋的方式模拟风荷载作用，采用
１３ｋｇ／ 袋的砂袋逐级进行加载。
２􀆰 ２􀆰 ２　有外部墙面板时
对有外部墙面板的情况模拟风压力作用，即外
墙板ＨＶ⁃２００ 受垂直于板面的压力。依然采用堆载
砂袋的方式模拟风荷载作用。
３　有限元及试验结果分析
３􀆰 １　无外部墙面板风吸力作用下受力性能
取跨中加劲肋处和跨中平板中部处的挠度和
应力值，分别绘制荷载⁃挠度曲线和荷载⁃应力曲线
（见图５）。由于平板部分刚度明显小于加劲肋部分
刚度，最大挠度位于２ 块相邻板的平板部分，而最大
应力则位于加劲肋处。
结合荷载⁃挠度曲线与荷载⁃应力曲线分析，荷
载作用下挠度迅速增大，在较低级荷载步时即达到
规范中的挠度限值，破坏之前位移已超过１００ｍｍ，
说明结构刚度较小；且随荷载增大，结构刚度有一
定弱化，破坏时，结构变形迅速增大，中部弯折垮
塌。破坏之前，跨中截面已有部分区域应力达到屈
服强度，且整体应力较大，说明结构破坏前构件材
料强度发展较为充分。
２ 组试验承载力及变形和应力较为接近，差别
为由于试件、安装等差异所致。有限元分析结果与
试验结果相比，前期加载阶段有限元刚度大于试验
刚度，加载后期有限元刚度退化比较明显，而试验
数据始终近似接近线性关系。差别是由于有限元
分析与试验实际情况有所差异，不能完全真实反映
初始缺陷及安装过程中的误差导致；承载力有限元
２０１４ Ｎｏ． １６ 朱思宇等：轻钢厂房新型墙面系统抗风性能研究 　８３
图５　无外部墙面板时荷载⁃挠度曲
线及荷载⁃应力曲线
Ｆｉｇ． ５　Ｔｈｅ ｌｏａｄ⁃ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ａｎｄ
ｌｏａｄ⁃ｓｔｒｅｓｓ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈｏｕｔ ｏｕｔｅｒ ｐａｎｅｌ
分析与试验结果比较接近，验证了结果的正确性，
按试验值取承载力，平均值为２􀆰 ２１０ ５ｋＮ／ ｍ２。
有限元分析和试验下结构的破坏形态相似，左
右两块板中间位置严重向下凹陷，边肋严重向外翻
出，中部弯折整体垮塌。
３􀆰 ２　有外部墙面板风压力作用下受力性能
有限元分析及试验实测中，结构跨中位置的荷
载⁃挠度曲线和荷载⁃应力曲线如图６ 所示。
图６　有外部墙面板时荷载⁃挠度
曲线及荷载⁃应力曲线
Ｆｉｇ． ６　Ｔｈｅ ｌｏａｄ⁃ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ａｎｄ
ｌｏａｄ⁃ｓｔｒｅｓｓ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ｏｕｔｅｒ ｐａｎｅｌ
结合荷载⁃挠度曲线和荷载⁃应力曲线，破坏之
前，结构应力未达到屈服强度，且整体应力较小，结
构变形近似为线弹性。试验中，再加一级荷载时，
结构位移和应力突然迅速增大，跨中弯折垮塌，可
见结构破坏时无明显预兆，呈现脆性破坏特征。
由图６ 可知，２ 组试验每级荷载下变形以及总
承载力较为接近。比较有限元分析结果与试验结
果，有限元得出承载力为２􀆰 ７７ｋＮ／ ｍ２，比试验结果
２􀆰 ５５７ ５ｋＮ／ ｍ２大８％，可能是由于接触模拟与实际
情况有所差异、未能真实反映初始缺陷等。有限元
分析和试验下结构的破坏形态相似，ＨＶ⁃６００ 肋板跨
中部位屈曲失稳，局部畸变，板件整体变形迅速增
大，中部弯折垮塌。破坏前没有明显的破坏征兆，
呈现典型的脆性破坏特征。
４　此新型墙面系统抗风承载力
对此墙面系统在有、无外部墙面板两种情况下
进行了研究。在实际施工时，为先安装带肋板，然
后安装保温棉，最后安装外部墙面板。则施工阶
段，带肋板单独承受风荷载；使用阶段，带肋板和保
温棉、外部墙面板一起作为集成系统承受风荷载。
因此，此墙面系统的抗风承载力应考虑施工阶段和
使用阶段。
４􀆰 １　无外部墙面板时抗风承载力
无外部墙面板、只有带肋板时在内侧面受压时
的受力形态，可认为是此板在还未加装外部墙面板
的施工阶段在风吸力作用下的受力形态。
按风吸力作用下的情况确定无外部墙面板时
的抗风承载力。有限元分析得到的承载力略大于
试验承载力，按试验承载力取值。结构在承载能力
极限状态时极限承载力为２􀆰 ２１０ ５ｋＮ／ ｍ２，但此时位
移已超过正常使用限值。考虑正常使用极限状态，
据规范取跨度的１／１００，即５８ｍｍ，作为结构的挠度
限值，２ 组试验达到挠度限值时的承载力较为接近，
取平均值１􀆰 １４ｋＮ／ ｍ２。
４􀆰 ２　有外部墙面板时墙面系统抗风承载力
有外部墙面板在外侧面受压时的受力形态，可
认为是此系统在使用阶段在风压力作用下的受力
形态。有限元分析下承载力为２􀆰 ７７ｋＮ／ ｍ２，略大于
试验承载力，承载力按照试验数据取值。考虑正常
使用极限状态，破坏前一级时，２ 组试验位移都还没
有超过限值，所以破坏前一级时的累计荷载即为结
构的承载力。２ 组试验结果较为接近，取平均值
为２􀆰 ５５７ ５ｋＮ／ ｍ２。
对有外部墙面板在外侧面受拉，即此系统在使
用阶段风吸力作用下进行有限元分析，承载力为
２􀆰 ５５４ １ｋＮ／ ｍ２，破坏前一荷载步的变形和应力云图
如图７ 所示。
　８４ 施工技术 第４３ 卷
图７　破坏前变形及应力
Ｆｉｇ． ７　Ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｍｏｄｅｌ ｂｅｆｏｒｅ ｆａｉｌｕｒｅ
比风压力作用下的承载力有所降低，按有限元
分析得出风吸力情况下的承载力确定系统在使用
阶段的抗风承载力。虽然有限元模拟可能存在少
量误差，因本系统中施工阶段为承载力控制阶段，
所以模拟误差对系统承载力无影响。
４􀆰 ３　此新型墙面系统抗风承载力
综合以上施工阶段和使用阶段，可得知此新型
墙面系统的抗风承载力为１􀆰 １４ｋＮ／ ｍ２。
根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》ＣＥＣＳ
１０２∶２００２，以典型条件为例，计算可以承受的基本风
压。地面粗糙度类别取为Ｂ 类；距地面１０ｍ 高确定
风荷载高度变化系数μｚ ＝１􀆰 ０；封闭式建筑墙面板的
中间区风载体型系数μｓ ＝１􀆰 ２，边缘带μｓ ＝１􀆰 ４。
经计算，如果墙面板边缘带不采取加强措施，
此墙面系统正常使用极限状态所能承受的基本风
压为０􀆰 ７４０ｋＮ／ ｍ２。建议在墙面板施工时，对角部边
缘区采取加强措施，可以大幅度提高屋面板承受风
荷载的能力，提高幅度约１７％，使得此墙面板的使
用范围更为广泛。
５　结语
提出了一种新型墙面系统。分别对风荷载作
用下无外部墙面板和有外部墙面板时进行了有限
元分析和试验研究，得出如下结论。
１）无外部墙面板内侧面受压的情况，为此墙面
系统还未加装外部墙面板的施工阶段在风吸力作
用下的受力形态；有外部墙面板情况外侧面受压的
情况，为此板在使用阶段在风压力作用下的受力形
态。综合两者，结合进一步有限元分析，可得到此
墙面系统的抗风承载力。
２）施工阶段即无外部墙面板时，风荷载作用下
板件挠度增长幅度较大，破坏时严重变形弯折垮
塌，强度发展较为充分，按正常使用极限状态对应
的承载力较低；使用阶段即有外部墙面板时，风荷
载作用下板件挠度增长幅度较小，跨中肋板局部屈
曲引发整体弯折，大部分应力较低，破坏时还未达
到正常使用极限状态挠度限值。
３）总体来看，此系统有较好的受力性能。与传
统墙面系统相比，不仅可以达到承载力要求，而且
在保温构造方面施工方便。
４）因试验条件限制未做有外部墙面板时在风
吸力作用下的试验研究，只对此情况做了有限元模
拟，未来可对该情况下进行进一步的试验研究。另
外，未来可对此墙面系统利用《冷弯薄壁型钢结构
技术规范》［７］ ＧＢ５００１８—２００２ 进行校核；还可以对
此墙面系统做进一步的参数分析，分析比较不同板
型、板厚情况下的承载能力。
参考文献：
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计研究所． ＣＥＣＳ１０２∶ ２００２ 门式刚架轻型房屋钢结构技术规
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查与分析［Ｃ］ ／ ／ 《建筑结构学报》创刊３０ 周年纪念暨建筑结
构基础理论与创新学术研讨会论文集． ２０１０：１９７⁃２０１，２３１．
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载力分析和设计建议［Ｊ］． 湖南大学学报：自然科学版，２０１０，
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［ ６ ］　陈骥． 钢结构稳定理论与设计（３ 版）［Ｍ］． 北京：科学出版
社，２００６．
［ ７ ］　中南建筑设计院． ＧＢ５００１８—２００２ 冷弯薄壁型钢结构技术规
范［Ｓ］． 北京：中国计划出版社，２００２．
宜章赤石特大桥架起９ 项国家专利
建设中的赤石特大桥，世界最大跨径高墩多塔
混凝土斜拉桥，位于湖南省郴州市宜章县赤石乡，
突破了１０ 大施工技术难题，获得９ 项国家专利。
桥梁总长２ ２００多ｍ，为四塔双索面预应力混凝
土斜拉桥，最大塔高近３００ｍ，下塔柱高达１８６ｍ，最大
跨径３８０ｍ，是目前世界同类型桥梁中跨径最大的。
桥梁桩基施工中，遇到地下多层溶洞、溶沟、溶槽、漂
卵石等复杂地质结构，给施工出了一大难题。施工方
研究出“漂卵石覆盖层超岩溶发育地区桩基施工中的
钢护筒”等技术，成功攻克难题，获得国家专利。

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