輕鋼龍骨組合墻體抗剪性能有限元分析

1 墻體模型的設計

本章對2個墻體模型進行了設計：①超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體ULFW-1；②傳統的輕鋼泡沫混凝土墻體LFW-1；墻體模型的尺寸、編號見表1所示，墻體模型的構造如圖1所示。

表1 墻體的構造尺寸

圖1 墻體模型的構造圖

墻體采用的輕鋼龍骨的截面形式及尺寸如圖2所示。所有墻體試件的上、下導軌和立柱都采用Q550輕鋼，上、下導軌均規格為U90×50×1.0mm；立柱規格為C89×50×13×1.0mm，間距為600mm；聚氨酯保溫板厚度為180mm；OSB板厚度為10mm。墻體上、下導軌與立柱之間、OSB板與墻體骨架之間均采用自攻螺釘連接；聚氨酯保溫板與墻體骨架采用錨栓連接。墻體內側面板OSB板和墻體外側聚氨酯保溫板與墻體骨架間的連接間距布置為四周150mm，內部為300mm。

圖2 立柱截面尺寸

2 超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體模型的建立

2.1 單元類型的選取

根據組合墻體各組成部分的特點，超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體中由冷彎薄壁型鋼加工成的立柱、上下導軌均采用三維4節點減縮積分的殼單元（S4R），本文中OSB板、聚氨酯保溫板和泡沫混凝土采用實體單元（C3D8R）來建模分析。

2.2 材料本構

①鋼材本構。

Q550冷彎薄壁型鋼材性數據參考文獻[1]的試驗確定，鋼材性能指標如表2所示。

表2 鋼材性能指標

②泡沫混凝土本構關系。

本文根據相關參考文獻[2]對所用泡沫混凝土的彈性模量取值為500MPa，泊松比取值為0.3，而泡沫混凝土的屈服強度則根據泡沫混凝土標準試件在其抗壓強度試驗下取其結果的平均值6.35MPa，密度為800kg/m2。

③聚氨酯保溫板和OSB板的本構關系根據相關參考文獻[3]、[4]，所采用的聚氨酯保溫板和OSB板的材料特性如表3、表4所示。

表3 聚氨酯保溫板材料特性

表4 OSB板材料特性

2.3 接觸處理

本文墻體內側面板OSB板和聚氨酯保溫板通過自攻螺釘與墻體的立柱和上下導軌連接處的平動自由度耦合起來，墻體立柱內側槽口和上下導軌內側槽口與泡沫混凝土的接觸關系定義為“Tie”連接；而墻體的立柱外側與泡沫混凝土的接觸關系定義為“表面與表面接觸”。

2.4 邊界條件和加載方式

根據墻體實際情況確定其邊界條件，墻體下導軌受到全部方向的平動自由度和轉動自由度的約束，為使墻體不發生平面外的失穩，讓墻體上導軌受到限制平面外的平動自由度的約束。加載方式采用位移控制加載，即耦合上導軌沿X方向的位移。墻體有限元模型如圖3所示。

圖3 墻體有限元模型

3 有限元結果分析

3.1 墻體ULFW-1的受力分析

本節通過有限元軟件ABAQUA對墻體ULFW-1模型進行了計算分析，超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體在水平單調加載下的應力云圖如圖4-圖7所示。墻體ULFW-1內填的泡沫混凝土的應力云圖如圖4所示，泡沫混凝土受立柱約束被分為了三個受力部分。

圖4 泡沫混凝土的應力云圖

墻體ULFW-1的骨架應力云圖如圖5所示，隨著墻體受到水平位移的增大，墻體的上下導軌的翼緣部分以及立柱的上下端受到的力也會隨之增大，最后會導致局部屈曲破壞的現象。

圖5 墻體骨架的應力云圖

墻體ULFW-1中OSB板的應力云圖如圖6所示。由圖可知，OSB板的中部跟角部處于高應力狀態。

圖6 OSB板的應力云圖

墻體ULFW-1中聚氨酯保溫板的應力云圖如圖7所示。由圖可知，聚氨酯保溫板的應力小于OSB板的應力。

圖7 聚氨酯保溫板的應力云圖

3.2 墻體ULFW-1、LFW-1的抗剪承載能力對比

本節通過有限元軟件ABAQUS對超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體ULFW-1與傳統輕鋼泡沫混凝土墻體LFW-1計算所得到的P-Δ曲線進行提取如圖8所示，然后進行了對比分析。

圖8 ULFW-1與LFW-1的P-Δ曲線對比

由圖8可知墻體ULFW-1與墻體LFW-1的抗剪承載力相差不大，而且通過有限元分析得到的組合墻體的P-Δ曲線可以看出該曲線無明顯的屈服點，并呈現出非線性；根據中國的《建筑抗震試驗方法規程》（JGJT101-2015）[5]規定，對組合墻體的P-Δ曲線進行分析，得到如表5所示超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體的力學參數。

表5 ULFW-1與LFW-1墻體的力學參數對比

由圖8、表5可知：

①墻體ULFW-1與墻體LFW的峰值荷載相差很小，是由于OSB板的板材強度比聚氨酯保溫板較高，是由于聚氨酯保溫板與泡沫混凝土之間的粘結力較好以及聚氨酯保溫板的厚度較大。而相對于屈服位移來說，墻體LFW的屈服位移小于墻體ULFW-1的屈服位移，是由于墻體ULFW-1的外側聚氨酯保溫板厚度較大，起到的蒙皮作用時間長。

②墻體ULFW-1、墻體LFW-1的抗側剛度K300分別為4.25、5.19。相對于傳統輕鋼泡沫混凝土墻體來說超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體的抗側剛度K300有所降低，由于其一是聚氨酯保溫板的剛度沒有OSB板的剛度大，會使得超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體的整體剛度相對于傳統的輕鋼泡沫混凝土墻體相對較小，其二是聚氨酯保溫板與泡沫混凝土之間在受到水平荷載時會發生粘結破壞，聚氨酯保溫板會發生較大的壓縮變形，使得其墻體的抗側剛度降低。

4 結論

①超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體在受到水平力的作用下，墻體外側的聚氨酯保溫板與墻體內側OSB板共同起到“蒙皮效應”帶動鋼骨架發生變形來抵抗水平荷載，同時墻體內填充的泡沫混凝土形成三角受力區共同參與變形，來傳遞水平荷載。

②超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體的抗剪承載力、抗側剛度K300相對于傳統的輕鋼泡沫混凝土墻體有所下降，但總體來說下降幅度不算很大，并且超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體由于泡沫混凝土與聚氨酯保溫板的加入使得墻體在節能保溫能力方面與傳統的輕鋼泡沫混凝土墻體相比得到了很大的提升。