冷彎薄壁型鋼墻體抗剪性能有限元分析*

劉 朋， 杜鵬飛

(沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

冷彎薄壁型鋼墻體由C形和U形截面的冷彎薄壁型鋼骨架和石膏板、OSB板、膠合板、鋼板等墻面板，并通過自攻螺釘連接而成，形成了一個封閉的蒙皮結構[1].墻體為該結構體系的主要承重構件，承受重力荷載、風荷載以及水平地震作用引起的地震荷載.當墻板與鋼骨架可靠連接時，墻面板在發揮圍護作用的同時承擔平面內的荷載，成為受力結構的一部分，參與整體結構體系共同工作，增加結構的剛度，提高墻體穩定性[2-5].國內外學者[6-7]進行了相關研究得出，鋼框架對墻體承載力影響小，墻面板及螺釘間距對墻體承載力影響大，墻體尺寸對承載力影響小等.文獻[8]提出了薄鋼板覆面的墻體形式，試驗研究了高寬比為2∶1至4∶1對墻體抗剪承載力的影響，基于大量墻體試驗測試的結果，北美建筑規范AISI以表格形式提供抗剪強度設計值.一些研究人員對波紋鋼板覆面的組合墻進行了試驗研究，試驗結果表明，相較于其他類型覆面墻體，波紋鋼板覆面墻體具有更高的初始剛度和抗剪承載力，但延性較差.

1 組合墻體有限元模型

1.1 試件選取及材料特性

根據文獻[9]數值計算結果和文獻[8]試驗結果，通過ABAQUS建立相同參數的組合墻體模型SWP-0，模型及材料參數如表1、2所示.墻架柱截面尺寸為C92.1 mm×41.3 mm×12.7 mm，導軌尺寸為U92.1 mm×41.3 mm；左右兩端分別采用一根C形立柱連接固定；墻面板選用整塊鋼板，并與骨架采用自攻螺釘進行連接.

表1 模型參數Tab.1 Model parameters mm

表2 材料參數Tab.2 Material parameters

1.2 有限元模型單元選取

1.3 試驗與數值計算結果對比

1.3.1 特征參數的確定

1.3.2 結果對比分析

計算結果如圖1所示.從圖1中可以看出，Niari的數值模擬和SWP-0數值模擬在加載初期曲線呈線性分布，組合墻體基本處于彈性階段.繼續加載至曲線出現明顯的拐點時，說明墻面板底部螺釘已達到極限強度(非線性彈簧單元).從單位抗剪承載力的對比來看，SWP-0與試驗一和試驗二的誤差約在6%，雖然取得最大荷載時對應的位移不同，但承載力基本吻合.

圖1 試驗與數值模擬的組合墻荷載-位移曲線Fig.1 Loading-displacement curves of composite walls by experimental measuring and numerical modeling

2 墻體有限元模型參數分析

進行有限元計算模型參數分析時，所有骨架構件鋼材選用Q345，SWP-1～SWP-6包括SWP-1(C)和SWP-6(T)的墻面板材料選用Q345，SWP-7～SWP-17的墻面板材料選用Q235；組合墻C型立柱和U型導軌的截面尺寸均為C152.4 mm×41.15 mm×12.7 mm和U152.4 mm×41.15 mm，具體模型參數如表3所示.

2.1 薄鋼板厚度對組合墻抗剪性能的影響

0.84、1.00和1.2 mm厚平面薄鋼板覆面組合墻有限元計算結果，如圖2、3和表4所示.隨著墻面板厚度增大，1.00和1.20 mm厚平面薄鋼板覆面組合墻的單位抗剪承載力分別比0.84 mm厚墻面板提高了48.58%和141.34%，初始剛度分別提高了61.31%和136.68%，可見平面薄鋼板厚度對組合墻承載力和初始剛度有顯著影響，此影響因素也包括了隨著薄鋼板厚度增加而增加的連接強度的影響；立柱翼緣截面為弧形的SWP-1(C)，初始剛度和抗剪承載力無明顯變化.

表3 有限元模型參數Tab.3 Parameters for finite element model

圖2 墻面板應力云圖(1)Fig.2 Stress nephogram of wall panels (1)

2.2 立柱厚度對組合墻抗剪性能的影響

立柱厚度和截面對組合墻抗剪性能的影響，如圖4和表5所示.相比SWP-1，SWP-4和SWP-5單位抗剪承載力分別下降12.42%和6.78%，SWP-4初始剛度下降14.64%，而SWP-5提高1.56%，由此說明，立柱厚度對組合墻抗剪承載力和初始剛度無明顯影響.

圖3 組合墻荷載位移對比圖(1)Fig.3 Load-displacement comparison of composite walls (1)

模型編號初始剛度(kN·mm-1)FykNδymm單位抗剪承載力(N·mm-1)SWP-13.2111.217.9213.12SWP-1(C)3.4510.947.3812.82SWP-21.997.259.208.83SWP-34.7119.398.7521.31

注：Fy為屈服承載力；δy為屈服承載力對應位移.

圖4 組合墻荷載位移對比圖(2)Fig.4 Load-displacement comparison of composite walls (2)

模型編號初始剛度(kN·mm-1)FykNδymm單位抗剪承載力(N·mm-1)SWP-13.2111.217.9213.12SWP-42.749.988.1711.49SWP-53.2610.567.4512.23

2.3 墻面板幾何形式對組合墻抗剪性能的影響

波紋鋼板因其幾何外形，提供了一定的剛度，使得覆面波紋鋼板不易屈曲，可有效提高構件的屈曲性能，使墻體承擔較大的軸壓力、彎矩或剪力而不屈曲.

2.3.1 波紋板與平面薄鋼板組合墻抗剪性能比較

平面薄鋼板覆面組合墻與波紋鋼板覆面組合墻對比計算結果如圖5、6和表6所示.相較于SWP-2，比其覆面鋼板等厚度的SWP-6的單位抗剪承載力提高了46.89%，初始剛度下降27.64%，而與SWP-2承載力相當的SWP-6(T)的覆面鋼板厚度只有SWP-2覆面鋼板厚度的64.29%，但初始剛度大幅下降.

2.3.2 布置方向和高寬比對組合墻抗剪性能影響

計算結果如圖7、8和表7所示.高寬比為4∶1時，SWP-7比SWP-8承載力提高了26.45%，初始剛度提高85.71%；高寬比為2∶1時，SWP-9比SWP-10承載力提高了17.82%，初始剛度提高了46.10%.在兩種高寬比下，橫向波紋覆面組合墻承載力和初始剛度均高于縱向波紋覆面組合墻.

圖5 墻面板應力云圖(2)Fig.5 Stress nephogram of wall panels (2)

圖6 組合墻荷載位移對比圖(3)Fig.6 Load-displacement comparison of composite walls (3)

模型編號初始剛度(kN·mm-1)FykNδymm單位抗剪承載力(N·mm-1)SWP-21.997.259.208.83SWP-61.4412.8414.6512.97SWP-6(T)0.619.0823.448.89

隨著高寬比的減小，初始剛度逐漸增大，SWP-9比SWP-7高184.62%，SWP-10比SWP-8高261.90%，而單位抗剪承載力卻下降，SWP-9比SWP-7下降29.38%，SWP-10比SWP-8下降24.20%，隨著高寬比的減小，組合墻初始剛度大幅提高，單位抗剪承載力略有下降.

圖7 墻面板應力云圖(3)Fig.7 Stress nephogram of wall panels (3)

圖8 組合墻荷載位移對比圖(4)Fig.8 Load-displacement comparison of composite walls (4)

模型編號初始剛度(kN·mm-1)FykNδymm單位抗剪承載力(N·mm-1)SWP-70.396.7327.8613.48SWP-80.215.3744.2010.66SWP-91.1110.0413.279.52SWP-100.768.0017.748.08

2.3.3 不同類型波紋板對組合墻抗剪性能影響

不同類型波紋板覆面組合墻計算結果如圖9和表8所示.相較于WA-825波紋板覆面組合墻，MINO-900波紋板覆面組合墻的單位抗剪承載力和初始剛度分別提高約60%和200%，AC-780波紋板覆面組合墻的單位抗剪承載力和初始剛度分別下降35%和80%.隨著波長和波幅的減小，組合墻承載力、初始剛度增大，屈服位移減小.

圖9 組合墻荷載位移對比圖(5)Fig.9 Load-displacement comparison of composite walls (5)

模型編號初始剛度(kN·mm-1)FykNδymm單位抗剪承載力(N·mm-1)SWP-110.216.3947.986.14SWP-123.3613.388.3715.21

2.3.4 波紋板開洞對組合墻抗剪性能影響

波紋鋼板覆面組合墻提高了平面內穩定性，但過大的剛度延性較差，抗震耗能較低.本文有限元分析中墻面板洞口均位于墻體形心，其中，SWP-15圓洞的面積等于SWP-13方洞的面積，SWP-16圓洞的直徑等于SWP-13方洞的邊長，SWP-17圓洞的面積等于SWP-14方洞的面積.

計算結果如圖10～12和表9所示.隨著方洞尺寸的增大，初始剛度和單位抗剪承載力的下降幅度增大，相較于SWP-12，SWP-13初始剛度降低了約80%，但組合墻的單位抗剪承載力同時下降了約45%，下降幅度較大；相較于SWP-12，SWP-14初始剛度降低約35%，單位抗剪承載力降低12%.

圖10 墻面板應力云圖(4)Fig.10 Stress nephogram of wall panels (4)

相比SWP-13，SWP-15(圓洞面積等于SWP-13)單位抗剪承載力提高約8%，兩者初始剛度相當，SWP-16圓洞的面積小于SWP-15，且直徑等于SWP-13方洞邊長，其初始剛度提高約60%，單位抗剪承載力提高約20%；相較SWP-14，SWP-17(圓洞面積等于SWP-14)初始剛度下降10%，兩者承載力相當.方洞與圓洞對組合墻抗剪性能的影響無明顯差異，而洞口面積對組合墻抗剪性能影響顯著.

圖11 組合墻荷載位移對比圖(6)Fig.11 Load-displacement comparison of composite walls (6)

圖12 不同方洞尺寸的特征參數對比Fig.12 Comparison of characteristic paramaters of square hole with different sizes

模型編號初始剛度(kN·mm-1)FykNδymm單位抗剪承載力(N·mm-1)SWP-123.3613.388.3715.21SWP-130.597.3426.428.43SWP-142.2111.1913.6713.37SWP-150.608.5728.739.05SWP-160.968.9722.8210.10SWP-171.9611.6513.5413.25

3 結 論

本文采用ABAQUS對冷彎薄壁型鋼組合墻進行了參數分析，得到的結論如下：

1) 平面薄鋼板墻體承載力和初始剛度隨著板厚增大而顯著提高，立柱壁厚及弧形翼緣截面邊立柱對組合墻抗剪性能無明顯影響.

2) 相同厚度下(0.84 mm)，WA-825波紋板組合墻單位抗剪承載力比平面薄鋼板組合墻高約45%，初始剛度無明顯變化，承載力相當時，波紋板厚約為平面薄鋼板的65%；橫向波紋板組合墻承載力和初始剛度均高于縱向波紋板組合墻，且隨著高寬比從4∶1(2 440 mm×610 mm)下降至2∶1(2 440 mm×1 220 mm)時，單位抗剪承載力略有下降，而初始剛度大幅提高.

3) 通過MINO-900波紋板組合墻的研究和分析，圓洞和方洞對組合墻抗剪性能的影響無明顯差異，而開洞面積對其影響顯著.