半內嵌式帶肋外墻板抗風有限元分析

周得，賀生云

（寧夏大學 土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021）

0 引言

隨著綠色、低碳、節能環保及可持續發展理念的推廣，裝配式建筑迎來了迅速的發展。與傳統建筑相比較，裝配式建筑具有施工周期短、現場濕作業少、節約建筑材料、綠色環保、節能等優點，是目前國家大力推廣的一種建造方式[1]。外墻板作為裝配式建筑的主要圍護結構，是綠色節能建筑材料應用的主要領域，其裝配化程度決定了建筑整體的裝配率，有關裝配式外墻板的研究已經成為熱點。雖然我國建筑工業化發展起步晚，但在國家的大力推廣下發展迅速，國內已有許多學者對裝配式建筑外墻板做了大量的研究[2-10]，但對于裝配式外墻板的抗風及抗彎性能的研究相對較少。

本文提出一種半內嵌式帶肋輕質外墻板，并利用ABAQUS有限元軟件建立模型，分析其在風荷載作用下的承載能力。為半內嵌式墻板在裝配式建筑中的設計及應用提供參考。

1 半內嵌式帶肋墻板設計

半內嵌式帶肋外墻板的外形如圖1所示，墻板由輕骨料混凝土外頁板及其包裹的輕鋼龍骨肋梁組成，肋梁之間填充保溫層。半內嵌式LSP 墻板設計尺寸為2850 mm×3350 mm×180 mm，外頁板為60 mm 厚的輕骨料混凝土板，左右兩邊各延伸出200 mm，下端延伸出300 mm，板內設置φ6@150 的鋼筋網片，通過專用連接件固定在輕鋼龍骨上。上下肋梁寬分別為300 mm 和200 mm，內嵌U 形龍骨；豎向肋梁寬度均為150 mm，除邊肋內嵌雙C 形龍骨外，中間肋則都是單C 形龍骨，龍骨尺寸分別為U130×70 和C130×50×20×2，墻板與梁進行柔性連接。

圖1 內嵌式帶肋墻板

2 荷載計算

作為圍護結構的預制外墻板受力相對復雜，除受地震荷載和風荷載作用外，在脫模和安裝過程中還受吊裝荷載。根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》中全國典型城市基本風壓表中的數據，除個別城市外大部分城市基本風壓為0.55 kN/m2，銀川市的基本風壓為0.65 kN/m2，因此取基本風壓為0.65 kN/m2進行分析。風荷載標準值計算如式（1）所示。

式中：βgz——高度z 處的陣風系數；

μsl——風荷載局部體型系數；

μz——風壓高度變化系數；

ω0——基本風壓，kN/m2。

風壓高度變化系數根據地面粗糙度分為A、B、C、D 四類，B 類指田野、鄉村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉鎮；C類指有密集建筑群的城市市區，銀川市屬于C 類，但考慮到房屋比較稀疏的郊區以及周邊鄉鎮，本文按B 類計算。對于外圍護墻板，依據規范其風荷載局部體型系數外墻板面取1.4，內墻板面取0.2，風荷載標準值及設計值見表1。

表1 風荷載標準值及設計值

3 有限元分析

3.1 模型建立及單元選取

利用有限元軟件ABAQUS 建立模型，模擬墻板尺寸為2850 mm×3350 mm×180 mm，框架為方鋼管柱和H 型鋼梁，柱截面尺寸300 mm×300 mm×16 mm；梁截面尺寸H300×250×8×10；框架梁、柱及墻板采用8 節點等參減縮積分單元C3D8R，鋼筋采用T3D2 桁架單元，輕鋼龍骨采用S4R 殼單元，模型網格劃分如圖2所示。

圖2 半內嵌式帶肋外墻板網格劃分

3.2 材料屬性

框架柱和梁選用Q235B 級鋼材，屈服強度fy=325 MPa，屈服應變為0.024，抗拉強度fu=375 MPa，極限應變為0.26，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，其應力-應變采用三折線模型；輕鋼龍骨、鋼筋的材料性能參數見表2。墻板采用的混凝土為輕骨料混凝土LC20，彈性模量為1.14×104MPa，密度為1678 kg/m3。輕骨料混凝土與普通混凝土力學性能相似，其本構關系與損傷力學模型相符合，輕骨料混凝土在受荷載作用時并非完全彈性狀態，在內部應力達到屈服強度后材料處于彈塑性狀態。在分析時輕骨料混凝土采用ABAQUS 中混凝土塑性損傷模型，并能夠較好地模擬材料的特點，輕骨料混凝土的塑性損傷參數見表3。

表2 鋼材材料的性能參數

表3 輕骨料混凝土的塑性損傷參數

3.3 相互作用和加載方式

框架梁與柱、梁與墻板之間采用Tie 連接模擬，墻板與柱之間接觸定義為“表面與表面接觸”，法向定義為“硬”接觸，切向定義為“罰”；輕鋼龍骨骨架和鋼筋網內嵌到墻板中。在模型柱底端施加3 個方向的位移和轉角約束，在頂端施加3 個方向的位移約束，墻板底端延伸出去的部分約束z 方向的位移。在墻板外側面施加與板面垂直的均布荷載模擬風荷載，設置多個分析步逐級增加。

3.4 模擬結果分析

在正向風壓作用下，整體模型隨荷載變化的位移云圖如圖3所示。

圖3 半內嵌式帶肋外墻板位移云圖

由圖3 可知，在均布荷載作用下墻板中間區域的變形最大，向四周逐漸減小，墻板頂部中間處發生微小變形；通過對比整體框架墻板、輕鋼龍骨骨架和鋼筋網架的位移云圖，墻板的最大位移發生在墻板的中間肋處，最大撓度為5.74 mm。根據CECS 261—2009《鋼結構住宅設計規范》的要求，在風荷載作用下，墻板的撓度5.74 mm

半內嵌式帶肋外墻板應力云圖如圖4所示。

圖4 半內嵌式帶肋外墻板應力云圖

由圖4 可知，應力分布主要集中在墻板中間部分和鋼梁連接處，如圖4（a）所示輕骨料混凝土板的整體應力較小，最大應力發生在與上部鋼梁連接件處為3.93 MPa；根據圖4（b）和（c），輕鋼龍骨骨架與鋼筋網的應力均未屈服，整體最大應力產生在輕鋼龍骨骨架上，為106.1 MPa。

圖5 為正、負風壓作用下的荷載-撓度曲線。

由圖5 可知，2種加載方式下荷載-位移曲線變化趨勢基本一致，正向風壓作用下，墻板受壓區由面部鋼筋混凝土承擔，肋梁中的輕鋼龍骨承擔拉應力。負向風壓作用下正好相反，受壓區面積較小，僅由肋梁承擔，容易壓壞，在100 m 高度以下風荷載作用下撓度均小于16.75 mm，符合規范要求。

圖5 風壓、風吸荷載-撓度曲線

4 參數化分析

通過對半內嵌式帶肋外墻板建立有限元模型進行分析，研究輕鋼龍骨厚度對墻板抗風性能的影響。選取厚度分別為1、2、3 mm 的輕鋼龍骨建立分析模型。

通過對墻板模型進行分析，繪制出墻板在水平正、負風壓荷載作用下的荷載-撓度關系曲線，見圖6、圖7。

圖6 墻板風壓荷載-撓度曲線

圖7 墻板風吸荷載-撓度曲線

從圖6、圖7 可以看出，在2種方向風壓作用下，墻板承載力與輕鋼龍骨厚度成正比。隨著輕鋼龍骨厚度的增加，兩向風壓荷載作用的墻板承載力均有提高，但變化相對較小，承載力提高的不明顯。相同龍骨厚度的墻板在正、負風壓作用下承載力差異較大，風壓作用下墻板的承載力遠高于風吸荷載作用下墻板的承載力，其原因是兩向風壓作用下受壓區面積不同所導致的。

5 結論

（1）通過ABAQUS 軟件對半內嵌式帶肋外墻板有限元分析的結果看，均能滿足基本風壓為0.65 kN/m2，C 類地區建筑高度為100 m 以下高度處的風荷載標準值和設計值，且承載力大于1.5 倍的自重。

（2）在正、負方向風荷載作用下，增加輕鋼龍骨厚度能減小半內嵌式帶肋外墻板的撓度，提高墻板的抗風承載力。

（3）由于兩方向荷載作用下墻板受壓區面積不同，風壓作用下墻板的承載力遠高于風吸荷載作用下墻板的承載力。

（4）通過對模擬墻板荷載-撓度曲線的分析，墻板撓度均,小于CECS 261—2009 規定的值，說明墻板能夠滿足100 m以下建筑高度對風荷載的要求。