輕鋼龍骨夾芯復合墻板平面外承載性能數值分析

胡晨，張慧潔，陳安英

（1.國網安徽省電力有限公司經濟技術研究院，安徽 合肥 230061；2.合肥工業大學，安徽 合肥 230009）

0 前言

輕鋼龍骨復合墻體由輕鋼骨架、填芯材料以及內外表面板材組成，常用于低層住宅承重墻。近年來，隨著國家對裝配式鋼結構住宅建筑發展的重視，基于輕鋼龍骨夾心復合墻板具有良好的保溫隔熱、防水、防火等優勢，在多高層建筑中應用輕鋼龍骨夾心復合墻板作為圍護墻體成為了一個新的發展方向[1-3]。

輕鋼龍骨夾心復合墻板通過掛件節點與主體結構相連接，在地震、風荷載作用下墻板平面外的承載能力是決定其安全使用的一個關鍵因素[4-5]。論文以由水泥纖維板+輕鋼龍骨+聚氨酯硬泡組成的輕鋼龍骨夾芯新型復合墻板為研究對象，采用數值模擬計算方法，對輕鋼龍骨規格、鋼管壁厚、鋼管邊長、龍骨布置間距、面板厚度、面板板材類型等因素對點式連接邊界條件下輕鋼龍骨夾心復合墻板平面外承載性能進行數值分析研究。

1 模型建立

1.1 試件設計

輕鋼龍骨夾芯復合墻板由水泥纖維板、聚氨酯硬泡和輕鋼龍骨復合而成，為了研究其平面外承載性能，以邊長2480mm×3000mm，厚度為100mm的墻板作為數值分析基本模型。墻板四周和中間部分設置輕鋼龍骨骨架，以提高墻板的整體強度和剛度，骨架分為橫龍骨和豎龍骨，采用鋼材為Q235的方鋼管，尺寸設置為80×3mm，橫向龍骨的內側壁板通過切口與豎向龍骨的端側壁板焊接。墻板的兩側為厚度10mm的水泥纖維板，與鋼管龍骨骨架通過進行連接。夾芯材料為聚氨酯硬泡材料。墻板剖面如圖1所示，龍骨骨架布置圖如圖2所示。

圖1 墻板剖面圖

圖2 龍骨布置圖

1.2 計算模型和基本假定

利用有限元分析軟件ABAQUS對兩種試件建立計算模型，如圖3所示。

圖3 試件模型

鋼材的應力-應變關系曲線模型采用二次塑流模型；纖維水泥板彈性模量為5000MPa，屈服強度為14MPa，泊松比為0.4；聚氨酯硬泡材料的屈服強度為178.56kPa，彈性模量為 39.4MPa，泊松比為 0.42[6-7]。

模型中龍骨、纖維板、聚氨酯硬泡單元類型均采用實體單元C3D8R。模型設計到的接觸問題較為復雜，分析前需要對模型做出以下假定。

①假定橫龍骨與豎龍骨之間的焊縫不會破壞，橫、豎龍骨形成一個整體；

②假定龍骨骨架與水泥纖維板之間的自攻螺釘連接可靠；

③忽略自攻螺釘開孔對于模型的受力狀態影響。

1.3 接觸和邊界條件

龍骨骨架與聚氨酯硬泡之間、水泥纖維板與聚氨酯硬泡之間設置為“表面與表面接觸”，龍骨骨架和水泥纖維板之間設置為點TIE連接，龍骨之間設置為TIE連接，考慮骨架為一個整體，采用結構化方法劃分網格，骨架單元長度取40mm，纖維板和聚氨酯硬泡的單元長度取100mm。墻板通過兩個上節點和兩個下節點與鋼框架相連，對墻板的4個邊角處設置為鉸接。

2 基本試件數值分析結果

2.1 墻板P-δ關系曲線

通過研究水平荷載作用下兩種墻板的響應，得到輕鋼龍骨夾芯復合墻板水平均布荷載（P）-撓度（δ）關系曲線如圖4所示。

圖4 P-δ關系曲線

輕鋼龍骨夾芯復合墻板的P-δ關系曲線中可以看出，在荷載小于7.50kN/m2時，輕鋼龍骨夾芯復合墻板的撓度值隨荷載呈線性變化，墻板的彈性剛度值為1.19kN/mm，在荷載大于7.50kN/m2之后，墻板由彈性階段進入塑性階段，荷載達到14.98kN/m2時，墻板破壞。墻板的塑性階段較長，有良好的塑性變形能力，適合作為鋼框架圍護結構使用。

2.2 墻板P-σ關系曲線

輕鋼龍骨夾芯復合墻板各個部件最大應力處的水平均布荷載（P）-應力（σ）關系曲線如圖5、6所示。

圖5 試件1P-σ關系曲線

在龍骨骨架P-σ關系曲線中，出現應力屈服點的部位為骨架中間豎龍骨的中點處，對應荷載值為5.10kN/m2，隨著水平荷載線性增加，應力屈服部位由中間豎龍骨中點向兩側擴展。荷載值達到10.3kN/m2時，支座板四角支座處出現屈服；荷載達到13.9kN/m2時，荷載加載側板左右邊緣處出現屈服；荷載達到14.3kN/m2時，芯材聚氨酯硬泡四角支座處出現屈服。

分析可以得出結論，輕鋼龍骨夾芯復合墻板具有良好的整體剛度和彈塑性變形能力。

3 參數化數值分析

3.1 參數設置

工程設計中影響輕鋼龍骨夾芯復合墻板平面外承載性能的因素眾多，為了充分考慮這些因素對于實際工程設計的影響，建立各參數下墻板的P-δ關系曲線，參數包括輕鋼龍骨規格、鋼管壁厚、鋼管邊長、龍骨布置間距、面板厚度、面板板材類型，參數變化如表1。

表1 參數設置

3.2 鋼管規格

計算可以得到墻板的抗彎極限荷載和彈性剛度如表2～表5所示。

表2中得出，鋼材屈服強度為Q345、Q390、Q420的墻板抗彎極限荷載分別是Q235鋼材墻板的1.23、1.33、1.36 倍。

表2 不同強度鋼材墻板的抗彎極限荷載和彈性剛度

從表3中得出，方鋼管壁厚的增加顯著的提升了墻板的彈性剛度和彈性階段的時間，進而提升了墻板的抗彎能力，塑性階段時間基本保持不變。方鋼管壁厚為3mm、4mm的墻板抗彎極限荷載分別是壁厚為2mm的1.21、1.43倍，彈性剛度分別是壁厚為2mm的1.35、1.65 倍。

表3 不同鋼管壁厚墻板的抗彎極限荷載和彈性剛度

從表4中得出，方鋼管邊長為80mm、100mm的墻板的抗彎極限荷載分別相是邊長為60mm的墻板的1.35、1.44倍，彈性剛度分別是壁厚為2mm的1.32、1.61 倍。

表4 不同鋼管邊長墻板的抗彎極限荷載和彈性剛度

從表5中得出，隨著間距減小，龍骨骨架增多，墻板的抗彎極限荷載與彈性剛度有所增加，但是增加幅度逐漸減小，工程設計中可根據造價適量減小龍骨間距，合理運用材料。

表5 不同龍骨間距墻板的抗彎極限荷載和彈性剛度

3.3 板材參數

對不同板材參數下墻板的計算結果進行分析，可以得到墻板的極限荷載和剛度如表6、表7所示。

表6 不同纖維水泥板厚度墻板的抗彎極限荷載和彈性剛度

表7 不同面板材料特性的墻板的抗彎極限荷載和彈性剛度

水泥板厚度的增大以及面板材料的選取對墻板的彈性剛度增幅不明顯，抗彎極限荷載有小幅度提高，面板材料的優先性為膠合板（PLY）最優，水泥纖維板（FCB）次之，歐松板（OSB）最小。

4 結論

采用數值模擬方法，通過建立輕鋼龍骨夾芯復合墻板荷載-撓度關系曲線和分析不同參數對輕鋼龍骨夾芯復合墻板平面外承載性能的影響，得到以下結論。

①計算分析可得輕鋼龍骨夾芯復合墻板具有良好的整體剛度和彈塑性變形能力。

②方鋼管規格參數的優化對墻板抗彎極限荷載和彈性剛度的提升幅度約在20%～40%。

③板材參數的優化對墻板的彈性剛度增幅不明顯，抗彎極限荷載有所提高，面板材料的優先性為膠合板（PLY）＞水泥纖維板（FCB）＞OSB板。