裝配式鋼絲網(wǎng)架夾芯保溫外墻大板力學(xué)性能研究

周　練， 章一萍， 隗　萍， 張春雷， 韓　超

(四川省建筑設(shè)計(jì)研究院、四川省建筑工業(yè)化工程技術(shù)研究中心，四川成都 610000)

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裝配式鋼絲網(wǎng)架夾芯保溫外墻大板力學(xué)性能研究

周練， 章一萍， 隗萍， 張春雷， 韓超

(四川省建筑設(shè)計(jì)研究院、四川省建筑工業(yè)化工程技術(shù)研究中心，四川成都 610000)

【摘要】針對(duì)國內(nèi)裝配式外墻板發(fā)展應(yīng)用瓶頸，特提出裝配式鋼絲網(wǎng)架夾芯保溫外墻大板(簡稱“BPS外墻大板”)，采用有限元方法對(duì)其抗彎、抗剪力學(xué)特性進(jìn)行研究。研究表明：BPS外墻大板主要通過面板軸力抵抗彎矩、斜插絲軸力抵抗剪力；面板次彎矩致使墻板抗彎承載力降低。提出引入鋼筋強(qiáng)度折減系數(shù)0.8將BPS大板的抗彎承載力計(jì)算轉(zhuǎn)化為等厚度的實(shí)心混凝土板抗彎承載力設(shè)計(jì)，抗剪承載力設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)考慮斜插絲屈曲和混凝土剪壓破壞兩種極限狀態(tài)，并提出相應(yīng)的承載力設(shè)計(jì)公式，為BPS外墻大板的工程應(yīng)用設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】BPS外墻大板；力學(xué)性能；混凝土面板；次彎矩；斜插絲

1時(shí)代背景

2013年1月以來，國家相繼發(fā)布《綠色建筑行動(dòng)方案》等文件，大力發(fā)展綠色建筑，切實(shí)轉(zhuǎn)變城鄉(xiāng)建設(shè)模式和建筑業(yè)發(fā)展方式、提高資源利用效率、實(shí)現(xiàn)“五節(jié)一環(huán)?！?，促進(jìn)城鎮(zhèn)化建設(shè)可持續(xù)發(fā)展。建筑外墻是建筑物的重要組成部分，也是最大的耗能構(gòu)件，是墻體材料革新和建筑節(jié)能的重要內(nèi)容之一。因此，研發(fā)一種集保溫、防火、防水、隔聲、承載力多功能一體化的綠色節(jié)能全預(yù)制裝配式外墻板對(duì)推動(dòng)綠色建筑行動(dòng)、轉(zhuǎn)變建設(shè)模式、突破我國資源瓶頸等重大問題具有十分重要的意義[1]-[3]。

目前，我國裝配式外墻板主要包括條板和整間板兩類。其中，條板寬度多為600mm，用于外墻板存在拼縫多、防水構(gòu)造復(fù)雜、質(zhì)量難以保證等缺陷。而目前國內(nèi)使用的整間預(yù)制外墻板多為實(shí)心混凝土掛板，即使采用混凝土復(fù)合保溫墻板，其僅僅是將保溫系統(tǒng)與墻體實(shí)行工廠一體化預(yù)制，僅內(nèi)葉混凝土板作為承重體系，而外葉混凝土板只作為保溫系統(tǒng)的保護(hù)層，墻板內(nèi)外葉整體工作性能差；從而導(dǎo)致預(yù)制墻板厚度大、自重大，浪費(fèi)建筑面積的同時(shí)，施工安裝困難、成本造價(jià)高等缺陷。

綜上，本文特提出裝配式鋼絲網(wǎng)架夾芯保溫外墻大板(簡稱“BPS外墻大板”)，規(guī)避目前國內(nèi)裝配式外墻板的技術(shù)缺陷。采用有限元分析方法，對(duì)BPS外墻大板的抗彎、抗剪力學(xué)性能進(jìn)行了研究和分析，驗(yàn)證其優(yōu)異的力學(xué)特性，并獲得簡易的抗彎、抗剪設(shè)計(jì)公式。

2墻板定義

BPS外墻大板是一種集隔聲、保溫、防水、防火為一體的全預(yù)制新型輕質(zhì)節(jié)能外墻大板，由兩側(cè)鋼筋混凝土面層和中間輕質(zhì)夾芯保溫層組成，如圖1所示。墻板寬度通常為建筑開間寬度，墻板高度通常為建筑層高。兩側(cè)鋼筋混凝土層中所配置鋼筋是由冷拔低碳鋼絲由縱橫兩個(gè)方向點(diǎn)焊所形成的鋼絲網(wǎng)片組成；斜插絲交錯(cuò)單向布置，穿過輕質(zhì)夾芯保溫層連接兩側(cè)鋼絲網(wǎng)片組成空間鋼絲網(wǎng)架。墻板整體在工廠進(jìn)行全部預(yù)制化，運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場直接快速裝配在建筑主體結(jié)構(gòu)上。

3有限元模型

本文采用有限元分析軟件MIDAS對(duì)BPS外墻大板的力學(xué)特性進(jìn)行分析。采用厚板單元模擬混凝土面層，厚板單元由4個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括6個(gè)自由度，包括3個(gè)方向的線性平動(dòng)位移和3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)位移，可以模擬平面張拉、平面壓縮、平面剪切及平板沿厚度方向的彎曲、剪切等結(jié)構(gòu)特性。為了保證分析模型的穩(wěn)定性，鋼絲網(wǎng)片中的鋼絲采用梁單元進(jìn)行模擬，梁單元由2個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有6個(gè)自由度，具有拉、壓、剪、彎、扭等變形剛度。厚板單元通過4個(gè)節(jié)點(diǎn)與梁單元連接，忽略鋼絲與混凝土之間的粘結(jié)滑移作用，假定鋼絲與混凝土之間完全固結(jié)。由于BPS外墻大板的夾芯層多為低強(qiáng)度的保溫材料構(gòu)成，故忽略夾芯層作用，僅采用梁單元模擬斜插絲，斜插絲與鋼絲網(wǎng)片之間假定為完全固結(jié)；且不考慮斜插絲的抗彎作用。

本文研究采用的BPS外墻大板尺寸為：寬度4 200mm，高度4 200mm；兩側(cè)50mm混凝土面層，混凝土強(qiáng)度為C30；50mm聚苯板夾芯保溫層。鋼絲網(wǎng)片為φb5.0@100正交網(wǎng)片，斜插絲為φb5.0@100，鋼絲的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取值為320MPa。將混凝土面板進(jìn)行100mm×100mm的網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?，根?jù)工程荷載統(tǒng)計(jì)和測算，面外荷載取值5kN/m2，以“壓力荷載”的形式按均勻分布方式垂直施加在板單元之上，程序自動(dòng)將其轉(zhuǎn)化為等效節(jié)點(diǎn)荷載施加在板單元節(jié)點(diǎn)之上。為使研究的力學(xué)特性具有概括性，本文選擇墻板與主體結(jié)構(gòu)濕式帶狀連接(即“對(duì)邊固結(jié)”)和四點(diǎn)干式連接(即“四點(diǎn)支承”)兩極端邊界條件進(jìn)行墻板力學(xué)特性研究，在程序中分別采用連續(xù)“剛接節(jié)點(diǎn)”對(duì)邊固結(jié)，四點(diǎn)“鉸接”模擬四點(diǎn)干鉸接；其有限元模型如圖2所示。

圖1　BPS外墻大板構(gòu)造詳圖

(a) 與主體結(jié)構(gòu)濕式帶狀連接有限元示意

(b) 與主體結(jié)構(gòu)四點(diǎn)干式連接有限元示意

(c) 大板外荷載施加局部示意圖2　BPS外墻大板有限元模型

4抗彎力學(xué)特性分析

對(duì)邊固結(jié)的邊界條件下，在垂直于面板的均布荷載5kN/m2作用下，BPS外墻大板的兩側(cè)面板軸力和彎矩分布分別如圖3所示。

(a) 面板軸力分布(kN)

(b) 面板次彎矩分布(kN·m/m)圖3　對(duì)邊固結(jié)BPS外墻大板抗彎內(nèi)力分布

可得：BPS外墻大板主要是通過兩側(cè)面板的軸力產(chǎn)生力矩抵抗外部荷載產(chǎn)生的彎矩；與此同時(shí)，上下面板之間由于力的傳遞和變形協(xié)調(diào)，面板內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生局部彎矩(本文簡稱“次彎矩”)；因此，外力產(chǎn)生的總彎矩=軸力平衡彎矩+面板次彎矩。取兩側(cè)面板的重心為軸力作用合力點(diǎn)，即軸力力臂為100mm，則：

支座總彎矩：M1=52.6×0.1+1.32×2=7.90kN·m/m；

跨中總彎矩：M2=31.3×0.1+0.25×2=3.63kN·m/m。

同理，采用有限元方法對(duì)相同條件的實(shí)心混凝土板進(jìn)行計(jì)算分析，其彎矩分布如圖4所示。

圖4　四點(diǎn)支承實(shí)心混凝土板彎矩分布(kN·m/m)

可得：BPS外墻大板與實(shí)心混凝土板的彎矩分布模式基本一致，總的彎矩大小基本相符，誤差小于5%。但是，由于混凝土的抗拉強(qiáng)度低，BPS外墻大板在受拉面板區(qū)域無法承受自身內(nèi)部的次彎矩，即由于次彎矩的存在，BPS外墻大板的抗彎承載力相對(duì)于同厚度的實(shí)心混凝土板降低，降低部分即為受拉區(qū)面板的次彎矩值。由圖3可得：相對(duì)于實(shí)心混凝土板抗彎承載力，BPS外墻大板支座抗彎承載力下降百分率：ω1=1.32/7.90×100=16.7 %；跨中抗彎承載力下降百分率：ω2=0.25/3.63×100=6.89 %。

基于以上有限元模型，對(duì)四點(diǎn)支承的BPS外墻大板抗彎承載力分析也可得：BPS外墻大板彎矩分布模式與相同厚度的實(shí)心混凝土板的彎矩分布模式一致，如圖5和圖6所示。

(a) 面板軸力分布(kN)

(b) 面板次彎矩分布(kN·m/m)圖5　四點(diǎn)支承BPS外墻大板抗彎內(nèi)力分布圖

圖6　四點(diǎn)支承實(shí)心混凝土板彎矩分布(kN·m/m)

BPS外墻大板跨中彎矩：M2=60.8×0.1+0.67×2=7.42kN·m/m，

BPS外墻大板的抗彎承載力降低百分率為：ω2=0.67/7.42×100=9.03 %。

綜上，可采用實(shí)心混凝土梁板的經(jīng)典受彎理論進(jìn)行BPS外墻大板抗彎設(shè)計(jì)。通過控制鋼絲的屈曲強(qiáng)度，引入鋼絲強(qiáng)度折減系數(shù)λ對(duì)BPS外墻大板的抗彎承載力進(jìn)行折減，從而將BPS外墻大板的抗彎承載力計(jì)算轉(zhuǎn)化為等厚度的實(shí)心混凝土板抗彎承載力設(shè)計(jì)[4]、[5]。經(jīng)大量的有限元模型分析統(tǒng)計(jì)，可偏安全地取值為λ=0.8。由于墻體整體厚度小，故可忽略受壓鋼絲的抗彎作用。此外，由于BPS外墻大板中鋼絲的強(qiáng)度高，導(dǎo)致混凝土板的受壓區(qū)高度很小，為了防止混凝土面板受壓區(qū)高度過小對(duì)承載力不利，故考慮上層混凝土面板全部受壓[6]。綜上：BPS外墻大板的抗彎承載力計(jì)算公式可簡化為：

α1fcbx=0.8fyAS

(1)

(2)

式中：α1為混凝土系數(shù)；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b為墻板寬度；x為混凝土受壓區(qū)高度；fy為鋼絲抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；As為受拉區(qū)鋼絲面積；h0為截面有效高度；Mu為彎矩設(shè)計(jì)值。

5抗剪力學(xué)特性分析

在垂直于面板的均布荷載5kN/m2作用下，對(duì)BPS外墻大板的抗剪承載力進(jìn)行分析，可得該夾芯墻板的抗剪承載力主要包括三部分：(1) 板面受壓區(qū)混凝土抗剪，如圖7所示；(2)腹部斜插絲通過軸向拉壓力的形式抗剪，如圖8所示；(3)受拉區(qū)混凝土面板內(nèi)縱向鋼絲的銷栓作用抗剪，但是由于混凝土面層較薄，此銷栓作用很微小，可忽略不計(jì)。

圖7　對(duì)邊固結(jié)BPS外墻大板面板剪力分布(單位:kN/m)

圖8　對(duì)邊固結(jié)BPS外墻大板斜插絲軸力分布(單位:kN)

由圖7和圖8可得：支座處面板混凝土承受的剪力總值VC=5.5kN/m，腹部斜插絲承受的剪力為VS=1.19×10×cos(45°)=8.41kN/m。根據(jù)經(jīng)典混凝土抗剪理論，防止混凝土斜壓破壞，對(duì)混凝土抗剪強(qiáng)度進(jìn)行0.25倍折減，則面板和斜插絲總共承擔(dān)剪力0.25VC+VS=9.79kN/m，與理論計(jì)算的支座剪力5×4.2/2=10.5kN/m接近，其中腹部斜插絲對(duì)剪力的貢獻(xiàn)高達(dá)8.41/9.79=85.9 %。綜上，BPS外墻大板腹部的斜插絲不僅聯(lián)結(jié)著上下混凝土面板保證其協(xié)同工作，還是整個(gè)墻板抵抗剪力的關(guān)鍵，具有類空間桁架腹桿的優(yōu)異力學(xué)特性。

綜上，BPS外墻大板存在兩種抗剪破壞模式：(1)斜插絲屈曲破壞、上下混凝土面層滑移破壞；(2)斜插絲不屈曲，整個(gè)墻板發(fā)生剪壓破壞。對(duì)應(yīng)兩種不同抗剪破壞模式，分別建立2種適合不同破壞形態(tài)的抗剪極限承載力理論計(jì)算公式[6]。借鑒經(jīng)典的屈曲理論，斜插絲屈曲破壞時(shí)，BPS外墻大板的抗剪承載力為：

(3)

式中：ES為斜插絲彈性模量；I為斜插絲截面慣性矩；α為斜插絲與面板縱向鋼絲的夾角，0°<α<90°；l為斜插絲的實(shí)際長度；n為斜截面上受壓斜插絲的數(shù)量，可取一排橫向受壓斜腹絲的總數(shù)。

當(dāng)斜插絲不屈曲時(shí)，借鑒經(jīng)典的混凝土抗剪理論，BPS外墻大板的抗剪承載力為：

V=0.2bh01ft+0.8fyAsbsinα

(4)

式中：b為板寬度；h01為受壓面板的受壓區(qū)高度，對(duì)應(yīng)50mm厚的面板，可取值25mm；ft為混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fy為斜插絲的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，當(dāng)fy≥360MPa時(shí)，取fy=360MPa；Asb為斜截面受拉斜插絲總截面面積；α為斜插絲與面板縱向鋼絲的夾角，0°<α<90°。在實(shí)際工程中，BPS外墻大板抗剪承載力設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)按照式(3)和式(4)分別驗(yàn)算。

6結(jié)論

本文采用Midas有限元模型BPS外墻大板的抗彎和抗剪力學(xué)特性進(jìn)行了研究，可得如下結(jié)論：

(1)BPS外墻大板主要通過兩側(cè)面板的軸力抵抗外部荷載產(chǎn)生的彎矩，具有優(yōu)異的空間整體力學(xué)性能。

(2)BPS外墻大板的彎矩分布模式同實(shí)心混凝土板一致，可采用實(shí)心混凝土梁板的經(jīng)典受彎理論進(jìn)行BPS外墻大板抗彎設(shè)計(jì)。

(3)在外部荷載作用下，BPS外墻大板的面板存在次彎矩，導(dǎo)致其抗彎承載力相對(duì)于同厚度的實(shí)心混凝土板有所降低，可引入鋼絲強(qiáng)度折減系數(shù)(0.8)對(duì)BPS外墻大板的抗彎承載力進(jìn)行折減。

(4)BPS外墻大板腹部斜插絲不僅聯(lián)結(jié)著上下混凝土面板保證其協(xié)同工作，還是整個(gè)墻板抵抗剪力的主要部分，具有類空間桁架腹桿的優(yōu)異力學(xué)特性。

(5)BPS外墻大板抗剪承載力設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)考慮斜插絲屈曲和整個(gè)墻板發(fā)生剪壓破壞兩種極限狀態(tài)。

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【中圖分類號(hào)】TU502+.6

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2016-04-20