輕鋼龍骨夾芯復合外掛墻板抗彎性能參數化數值分析

2020-02-06 06:54:28談成龍完海鷹陳安英

太原理工大學學報 2020年1期

談成龍，完海鷹，陳安英

(合肥工業大學土木與水利工程學院，合肥 230009)

輕鋼龍骨復合墻體質量輕、與主體結構連接方便可靠，并具有良好的保溫隔熱、防水、防火等優勢，在鋼結構住宅體系中作為圍護結構使用。國內外對不同構造的復合墻體的承載性能進行了一系列研究，戎賢等[1]對聚苯板保溫復合剪力墻板的抗彎性能進行了研究；封葉[2]研究了EPS顆粒-EPS板復合保溫墻板的抗側剛度，提出墻板的等效斜撐半徑計算公式；MASOOD et al[3]，HAMMOUD et al[4]，YUZUGULLU[5]，EINEA et al[6]，LIAN[7]等對1組2片兩側覆石膏板的保溫龍骨外圍護墻體的抗彎性能進行了試驗研究。

在輕鋼龍骨復合墻體作為承重墻的研究中，李遠瑛等[8]、江風波[9]對輕鋼龍骨復合墻體在低周反復水平荷載作用下的抗側性能進行了試驗，分析了洞口、斜支撐、蒙皮對墻體抗側力的影響。

在輕鋼結構體系中，影響外掛墻體抗彎性能的因素較多。本文以由兩層水泥纖維板+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，系統研究了龍骨鋼材型號、方鋼管壁厚、方鋼管邊長、龍骨間距、纖維水泥板厚度、板材類型等因素對墻體抗彎性能的影響。

1 有限元模型建立

1.1 試件設計

輕鋼龍骨夾芯復合外掛墻板由水泥纖維板、聚氨酯硬泡和輕鋼龍骨復合而成。為了研究其抗彎性能，設計了2種尺寸均為2 480 mm×3 000 mm、厚度為100 mm的墻板作為數值分析基本分析試件，分別為不開洞墻板和開洞墻板。開洞墻板是為了考慮實際門窗洞口的影響，洞口尺寸設計值為1 120 mm×1 420 mm，開洞率為21.4%；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的方形空心鋼管，尺寸設置為80 mm×3 mm；橫龍骨的內側壁板通過切口與豎龍骨的端側壁板焊接。墻板的兩側設置厚度為10 mm的水泥纖維板，與龍骨骨架通過自攻螺釘進行連接[10]。水泥纖維板和龍骨骨架的空隙填充聚氨酯硬泡材料。輕鋼龍骨夾芯復合外掛墻板剖面如圖1所示，龍骨骨架布置圖如圖2所示。

圖1 墻板剖面圖(單位：mm)

圖2 龍骨布置圖(單位：mm)

1.2 計算模型和基本假定

不開洞墻板為試件1，開洞墻板為試件2.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，滿足Von-mises屈服準則；纖維水泥板彈性模量為5 000 MPa，屈服強度為14 MPa，泊松比為0.4；聚氨酯硬泡材料的屈服強度為178.56 kPa，彈性模量為39.4 MPa，泊松比為0.42.

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.模型涉及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模型的受力狀態影響[11]。

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40 mm，纖維板和聚氨酯硬泡的單元長度取100 mm.墻板通過2個上節點和2個下節點與鋼框架相連，對墻板的4個邊角處設置為鉸接。模型在一側水泥纖維板上施加均布荷載模擬實際情況。

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，得到不開洞、開洞輕鋼龍骨夾芯復合外掛墻板抗彎最大撓度處的水平均布荷載(p)-撓度(δ)關系曲線，如圖4所示。

試件1不開洞輕鋼龍骨夾芯復合外掛墻板的p-δ關系曲線中可以看出：在荷載小于7.50 kN/m2時，不開洞輕鋼龍骨夾芯復合外掛墻板的撓度值隨荷載呈線性變化，墻板處于彈性階段，墻板的彈性剛度值為1.19 kN/mm；在荷載大于7.50 kN/m2之后，墻板由彈性階段進入塑性階段；荷載達到14.98 kN/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。

試件2開洞輕鋼龍骨夾芯復合外掛墻板的p-δ關系曲線中可以看出：在荷載小于12.23 kN/m2時，開洞輕鋼龍骨夾芯復合外掛墻板的撓度值隨荷載呈線性變化，墻板處于彈性階段，墻板的彈性剛度值為1.47 kN/mm；在荷載大于12.23 kN/m2之后，墻板由彈性階段進入塑性階段；荷載達到23.45 kN/m2，墻板破壞。開洞墻板的彈塑性變形能力較不開洞墻板有很大程度的提升。

2.2 墻板p-σ關系曲線

不開洞輕鋼龍骨夾芯復合外掛墻板和開洞輕鋼龍骨夾芯復合外掛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、圖6所示。

圖4 p-δ關系曲線

分析試件1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5.10 kN/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10.3 kN/m2時，支座約束面水泥纖維板四角支座處出現屈服；荷載達到13.9 kN/m2時，荷載加載面水泥纖維板左右邊緣處出現屈服；荷載達到14.3 kN/m2時，芯材聚氨酯硬泡四角支座處出現屈服。

圖5 試件1的p-σ關系曲線

圖6 試件2的p-σ關系曲線

分析試件2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兩邊豎龍骨和中間偏下橫龍骨交界處，對應荷載值為4.38 kN/m2.荷載達到6.88 kN/m2時，芯材聚氨酯硬泡四角支座處出現屈服；荷載值達到14.88 kN/m2時，支座約束面水泥纖維板四角支座處出現屈服；荷載達到18.38 kN/m2時，荷載加載面水泥纖維板部分自攻螺釘連接處出現屈服。

結合輕鋼龍骨夾芯復合外掛墻板的p-δ關系曲線，可以得出結論：輕鋼龍骨夾芯復合外掛墻板具有良好的整體剛度和彈塑性變形能力，其中開洞墻板在龍骨布置更為密集的情況下，保證了洞口邊緣位置不首先發生破壞，且平均抗彎性能承載力高于不開洞墻板。

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外掛墻板抗彎性能的因素眾多，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：輕鋼龍骨鋼材型號、方鋼管壁厚、方鋼管邊長、輕鋼龍骨間距、纖維水泥板厚度、面板板材類型，參數變化如表1.

表1 參數設置

3.2 方鋼管規格

計算得到方鋼管規格參數下墻板的p-δ關系曲線如圖7所示。

對不同方鋼管規格參數下墻板的p-δ關系曲線進行分析，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中看出，對于不開洞墻板，Q345，Q390，Q420鋼材墻板抗彎極限荷載分別是Q235鋼材墻板的1.23，1.33，1.36倍；對于開洞墻板，Q345，Q390，Q420鋼材墻板抗彎極限荷載分別是Q235鋼材墻板的1.2，1.27，1.3倍。

表3中得出，方鋼管壁厚的增加顯著地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。對于不開洞墻板，方鋼管壁厚為3 mm，4 mm的墻板抗彎極限荷載分別是壁厚為2 mm的1.21，1.43倍，彈性剛度分別是壁厚為2 mm的1.35，1.65倍；對于開洞墻板，方鋼管壁厚為3 mm，4 mm的墻板抗彎極限荷載分別是壁厚為2 mm的1.19，1.36倍，彈性剛度分別是壁厚為2 mm的1.19，1.38倍，不開洞墻板的提升較開洞墻板更為明顯。

表4中看出，對于不開洞墻板，方鋼管邊長為80 mm，100 mm的墻板的抗彎極限荷載分別是邊長為60 mm的墻板的1.35，1.44倍，彈性剛度分別是壁厚為2 mm的1.32，1.61倍；對于開洞墻板，方鋼管邊長為80 mm，100 mm的墻板的抗彎極限荷載分別相是邊長為60 mm的墻板的1.11，1.19倍，彈性剛度分別是壁厚為2 mm的1.19，1.36倍。