新型墻面壓型鋼板系統(tǒng)承載力試驗(yàn)研究和設(shè)計(jì)

宋曉輝 孫 偉

近年來隨著對墻面壓型鋼板抗?jié)B性和耐久性方面要求的不斷提高，以外露自攻釘為連接方式的傳統(tǒng)壓型鋼板逐漸被淘汰，新型的壓型鋼板不斷涌現(xiàn)。HV-156是其中典型的一種，如圖1所示，其連接方式為扣合式連接，這種新的連接方式由于其良好的密閉性，在輕鋼墻面維護(hù)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。但是，新型的壓型鋼板墻面系統(tǒng)的承載能力究竟如何，破壞形式有何特點(diǎn)，尤其是在沿海大風(fēng)地區(qū)，壓型鋼板墻面在風(fēng)壓力、風(fēng)吸力作用下的承載能力和破壞形式都有待深入研究。本文通過足尺承載力試驗(yàn)，確定新型的壓型鋼板墻面系統(tǒng)在承受風(fēng)壓力、風(fēng)吸力時(shí)的承載力，并重點(diǎn)對其在風(fēng)吸力作用下承載力作出評估。

1 HV-156截面及材料參數(shù)

HV-156單塊板的橫截面尺寸如圖1所示，生產(chǎn)壓型鋼板所用彩色涂層鋼板的基本參數(shù)如表1所示。

表1 彩色涂層鋼板參數(shù)

2 試驗(yàn)?zāi)康募霸囼?yàn)裝置

本次試驗(yàn)的目的是為了確定新型墻面壓型鋼板系統(tǒng)在正向均布荷載(以下簡稱“正壓”)和反向均布荷載作用下(以下簡稱“反壓”)的承載能力。正壓是模擬墻面板在正常使用階段承受風(fēng)壓力的工況;反壓是模擬屋面板在正常使用階段承受風(fēng)吸力的工況。

HV-612正壓及反壓情況下均重復(fù)兩組試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)取其均值。試驗(yàn)墻梁間距為1.2 m，墻梁的規(guī)格為C180×60×2.5，自攻螺釘采用螺釘M5.5×35。正壓及反壓試驗(yàn)裝置為:兩根H250×250鋼梁分別固定于鋼筋混凝土柱上，間距3.0 m;鋼梁上布置3根墻梁，間距為1.2 m，按實(shí)際施工方法在墻梁上安裝3塊板材試件，選取中間板件為考察對象。板材試件的總面積(3B×2S)m2，其中，B為單塊板件的有效寬度;S為墻梁間距。

3 試件破壞判別標(biāo)準(zhǔn)

對于正壓、反壓作用下的墻面板，以板件撓度超過規(guī)范規(guī)定要求作為判斷板件正常使用極限狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［1］第3.4.2條的規(guī)定，墻板的撓度限值為L/100，其中，L為構(gòu)件的跨度。因此對于本試驗(yàn)，HV-612的撓度限值為12mm。

對于正壓、反壓作用下的墻面板，以板件出現(xiàn)局部屈曲、板件應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度以及板件與檁條間連接支架的破壞作為判斷板件承載能力極限狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 正壓試驗(yàn)

在HV-156正壓試驗(yàn)中間板件跨中截面，波谷部分(B點(diǎn)處)及支座截面波谷部分(B點(diǎn)處)Mises應(yīng)力與均布荷載的關(guān)系見圖2。

從圖2中可以看出:1)加載最初期，板件跨中截面與支座截面的應(yīng)力水平一致;加載第三級開始，跨中截面板件的應(yīng)力水平高于支座截面;2)板件應(yīng)力值均未達(dá)到板材的屈服強(qiáng)度330MPa，板件在加載全過程始終處于彈性階段。整個(gè)加載過程中，板件表現(xiàn)出密肋壓型鋼板的典型特征:抗彎剛度大，承載能力強(qiáng)。直至第八級加載，板件搭接處(A，C點(diǎn)處)的撓度為10.3mm，仍低于規(guī)程規(guī)定的限值12mm。從第三級加載后，板件波谷(B點(diǎn)處)與墻梁接觸部位出現(xiàn)輕微的受壓局部屈曲，直至第八級加載后，該局部屈曲并未有顯著發(fā)展，且未發(fā)現(xiàn)任何其他明顯破壞現(xiàn)象。卸載后板件彎曲變形恢復(fù)，板件間扣合狀況良好，連接緊密。

綜合以上撓度、板件應(yīng)力、板件局部屈曲情況的試驗(yàn)現(xiàn)象，該種板型抗彎剛度大，承載能力強(qiáng)，將第三級加載確定為HV-156在正壓情況下的正常使用極限狀態(tài)，即qs=1.66 kN/m2。將第八級加載確定為HV-156在正壓情況下的承載能力極限狀態(tài)，即qu=3.0 kN/m2。

4.2 反壓試驗(yàn)

對于HV-156反壓試驗(yàn)中間板件，跨中截面波谷部分(B點(diǎn)處)及支座截面波谷部分(B點(diǎn)處)Mises應(yīng)力與均布荷載的關(guān)系如圖3所示。

從圖3中可以看出:1)加載最初期，板件跨中截面與支座截面的應(yīng)力水平幾乎一致;加載第三級開始，支座截面板件的應(yīng)力水平高于跨中截面;2)第六級加載后，板件支座截面應(yīng)力值達(dá)到319MPa，接近板材的屈服強(qiáng)度330MPa;第七級加載后，板件支座截面計(jì)算應(yīng)力值達(dá)到588MPa，超過板材的屈服強(qiáng)度330MPa，板件自此進(jìn)入塑性階段。整個(gè)加載過程中，板件表現(xiàn)出密肋壓型鋼板的典型特征:抗彎剛度大，承載能力強(qiáng)。直至第七級加載，板件支座截面波谷(B點(diǎn)處)出現(xiàn)明顯局部屈曲。卸載后板件彎曲變形恢復(fù)，板件間扣合狀況良好，連接緊密。綜合以上撓度、板件應(yīng)力、板件局部屈曲情況的試驗(yàn)現(xiàn)象，該種板型抗彎剛度大，承載能力強(qiáng)，將第二級加載確定為HV-156在反壓情況下的正常使用極限狀態(tài)，即qs=1.39 kN/m2。將第六級加載確定為HV-156在反壓情況下的承載能力極限狀態(tài)，即qu=2.47 kN/m2。

5 風(fēng)荷載作用下HV-156的承載能力

根據(jù)CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［1］附錄 A.0.1:

其中，wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值;μz為風(fēng)荷載高度變化系數(shù);μs為風(fēng)荷載體型系數(shù);w0為基本風(fēng)壓，值得注意的是:該基本風(fēng)壓w0為GB 50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［2］規(guī)定值的1.05倍。

將反壓情況下，板材試驗(yàn)所得的正常使用極限狀態(tài)承載力qs、承載能力極限狀態(tài)承載力qu視為板件抗力的標(biāo)準(zhǔn)值。對于正常使用極限狀態(tài)，荷載組合應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)組合:

即正常使用極限狀態(tài)對應(yīng)基本風(fēng)壓為:

對于承載能力極限狀態(tài)，荷載組合應(yīng)采用基本組合:

即承載能力極限狀態(tài)對應(yīng)基本風(fēng)壓為:

其中，γR為板件的抗力分項(xiàng)系數(shù)，取γR=1.1。

以下以典型條件為例，評估HV-156板型所能承受的基本風(fēng)壓:以B類地面粗糙類別距地10 m高確定風(fēng)荷載高度變化系數(shù)μz=1.0;對于封閉式建筑墻面板的中間區(qū):μs=1.2，邊緣帶:μs=1.4。

當(dāng)正常使用極限狀態(tài)對應(yīng)的承載力qs=1.39 kN/m2，對于風(fēng)荷載最大的墻面邊緣帶，由式(3)可得:

當(dāng)承載能力極限狀態(tài)對應(yīng)的承載力qu=2.47 kN/m2，對于風(fēng)荷載最大的墻面邊緣帶，由式(5)可得:

應(yīng)取正常使用極限狀態(tài)與承載能力極限狀態(tài)分別對應(yīng)基本風(fēng)壓的較小值作為HV-156能承受的基本風(fēng)壓值，因此應(yīng)取w0≤0.86 kN/m2。根據(jù) GB 50009-2001 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［2］附表D.4，該墻面板適用范圍較廣，只有極少數(shù)沿海地區(qū)及新疆個(gè)別大風(fēng)地區(qū)不適用，如浙江嵊泗、新疆克拉瑪依等。

6 結(jié)語

1)在相同構(gòu)造條件下，反壓時(shí)試件的承載力低于正壓時(shí)試件的承載力。因此在輕鋼建筑廣泛應(yīng)用的東南沿海地區(qū)，風(fēng)吸力成為新型壓型鋼板墻面系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制因素。

2)新型壓型鋼板墻面板件表現(xiàn)出密肋壓型鋼板的典型特征:抗彎剛度大，承載能力強(qiáng)。板件基本上處于彈性工作階段，由于不能充分利用高強(qiáng)鋼材的強(qiáng)度，不建議采用高強(qiáng)度鋼板。

3)新型壓型鋼板墻面板的破壞形式為局部屈曲破壞。

4)新型壓型鋼板墻面板能承受的基本風(fēng)壓值為 w0≤0.86 kN/m2，適用范圍較廣。

［1］ CECS 102∶2002，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］ GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.