某新型鋼絲骨架復合保溫墻板的力學性能分析

王振 王蘭芹

【摘要】鋼結構建筑是建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的必然趨勢，隨著鋼結構建筑的快速發(fā)展，開發(fā)新型節(jié)能墻板來代替?zhèn)鹘y(tǒng)墻體符合當前社會發(fā)展的趨勢。本文利用ANSYS有限元軟件對某新型墻板進行有限元分析，結果表明該新型墻板具有良好的力學性能，能夠滿足實際工程受力要求。

【關鍵詞】鋼絲骨架；墻板；有限元分析

【中圖分類號】TU502⁺.6 【文獻標志碼】A 【文章編號】1003-1324（2012）-03-0084-03

1.前言

從建筑的發(fā)展方向和國外的發(fā)展狀況來看，鋼結構建筑是建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的必然趨勢，它將帶動我國建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使我國建筑逐步達到標準化、工業(yè)化和現(xiàn)代化。隨著鋼結構建筑的快速發(fā)展，開發(fā)新型節(jié)能外維護墻板及內(nèi)墻板來代替?zhèn)鹘y(tǒng)墻體符合當前社會發(fā)展的趨勢。

近年來國內(nèi)外相繼開發(fā)出一系列不同類型的新型墻體材料，如非粘土磚系列、新型建筑砌塊、新式復合墻板等。在眾多新型建筑墻體材料中，復合板材體系以其優(yōu)異的工作性能、低廉的造價成為發(fā)展最為迅速的一種新型建筑材料。雖然國內(nèi)外已開發(fā)出多種復合墻板，但都存在各種各樣的問題，如國內(nèi)現(xiàn)階段使用的鋼絲網(wǎng)架聚苯乙烯板抹水泥砂漿，由于僅依靠墻體內(nèi)的外伸鋼筋挑著保溫板外的水泥砂漿抹灰保護層的重量，易發(fā)生鋼筋變形抹灰層下墜，使水泥砂漿抹灰層開裂，導致雨水進入保溫層，加速了苯板的光老化和氧老化，使保溫層破壞；因苯板內(nèi)有斜插鋼絲（每平方米200根斜插鋼絲），以及在苯板與墻體之間有間距600mm的外伸鋼筋中6固定苯板，大大降低保溫效果。另一種常用的外粘苯板保溫效果是當前所有保溫技術中最好的，但仍存在諸多問題，如防火性能差；高層建筑保溫層的抗風壓特別是抵抗負風壓不安全；用于外粘苯板的膠和塑料脹釘是高分子材料，隨著時間的推移將老化變脆，因而耐久年限有限；施工質(zhì)量的控制難度大等缺點。

2.新型鋼絲骨架輕質(zhì)復合墻板的基本構造

山東建筑大學與山東深科保溫板墻開發(fā)有限公司參照現(xiàn)行規(guī)范標準開發(fā)出一種新型的鋼絲骨架輕質(zhì)復合墻板這一新型墻板。該墻板是在工廠制作的一種三維空間鋼絲骨架夾芯板。該板一般構造表現(xiàn)為用內(nèi)外兩層細石混凝土板與鋼絲骨架連接成一個整體，然后在兩片混凝土板之間填充聚氨酯保溫材料。其中鋼絲骨架是由雙向正交正放的單片桁架組成的一空間網(wǎng)架結構。兩片混凝土層均為工廠預制，外墻板的內(nèi)、外側(cè)混凝土板的厚度分別為20mm和1330mm，混凝土標號為C40。其構造圖如圖1所示。

外墻板與框架結構的連接采用下托上掛式，即在框架梁和柱上預埋鋼板并焊接外挑的槽鋼，并將位于槽鋼處的骨架鋼筋與槽鋼焊接。其中框架梁上的預埋件間距為750mm，框架柱上的預埋件間距為750mm。

為保證墻板生產(chǎn)的標準化和方便墻板的選用，我們對這種新型墻板進行了力學性能分析。外墻面板平面尺寸的板高取3種規(guī)格計算，分別為3000mm，3600mmd及4200mm，其板寬也取3種規(guī)格計算，分別為3300mm，4200mm及6600mm，即共計算了9種尺寸規(guī)格。由于建筑物外墻大部分帶有窗戶，本文根據(jù)工程中的實際情況和墻板的構造，經(jīng)過反復驗算，規(guī)定了各種規(guī)格墻板中窗戶的最大開口尺寸和窗戶邊緣到墻板邊緣的最小尺寸，并規(guī)定了窗框固定點的最少個數(shù)。經(jīng)試算，在墻板上開設窗戶將在很大程度上破壞墻板的力學性能，在墻板的實際生產(chǎn)過程中為保證產(chǎn)品綜合成本最低，規(guī)定每種規(guī)格的墻板不論是否帶有窗戶都采用相同的結構形式，所以本文僅對設有窗戶的各規(guī)格外墻板進行了計算分析?？紤]到墻板實際的受力狀況和受力特點，本文重點研究了墻板承受《建筑結構荷載規(guī)范》規(guī)定的最大設計風荷載和承受1.3倍的最大設計風荷載（見表1）兩種情況下墻板的力學性能。由于該鋼絲骨架輕質(zhì)復合墻板結構受力復雜，用傳統(tǒng)的解析方法已無法得到較精確的解，本文直接選用ANSYS分析軟件來模擬墻板的實際受力狀況進行計算分析。

3.鋼絲骨架輕質(zhì)復合墻板的有限元分析

3.1有限元模型的建立

對于該鋼絲骨架輕質(zhì)復合墻板的有限元模型采用分離式+整體式。在建模時假定鋼筋與混凝土之間粘結良好，兩者無相對滑移。且在墻板的受力性能進行分析時，不考慮中間發(fā)泡聚氨酯的作用。鋼絲骨架采用PIPE20桿單元劃分網(wǎng)格，木柱采用BEAMl88梁單元劃分網(wǎng)格，與混凝土單元SOLID65在節(jié)點處合并?；炷林械募氫摻z通過在混凝土單元SOLID65中輸入配筋率來考慮。支撐模擬實際情況，在模型中約束周邊支承槽鋼處的主筋端節(jié)點的3個移動自由度，以及下表面槽鋼范圍內(nèi)節(jié)點的豎向移動自用度。

3.2計算結果及分析

針對9上述種板型以及每種板型各自對應的兩種風荷載工況進行了有限元計算分析。根據(jù)對各種計算組合情況下的整體變形，混凝土開裂狀況，各組成構件的應力水平，約束反力進行分析比較（見表2、3、4、5、6），從而對該外墻板的綜合力學性能進行分析和評價。

（1）變形結果及分析

由表2數(shù)據(jù)可以看出，各種板型的最小矢跨比為1/5776，最大矢跨比為1/2006，說明該板的剛度較大，變形很小，可充分滿足正常使用要求。對照表1和表2的數(shù)據(jù)可以看出，每種板型所對應的兩種工況的位移之比基本等于相應的風荷載之比，說明每種板型的變形與風載基本呈線性變化，即每種板型的整體剛度基本未發(fā)生變化。可知在這兩種荷載工況下墻板大部分處于線性狀態(tài)，墻板中的混凝土大部分應未開裂，鋼筋應力應較小。說明墻板均具有較大的安全儲備。

（2）混凝土開裂和主應力結果及分析

計算結果顯示，混凝土開裂區(qū)域集中在周邊槽鋼支承部位的小范圍內(nèi)，且僅為第1主應力造成的拉裂，而且支座區(qū)的局部開裂位于外層板中。這是由于支座區(qū)存在集中支反力，局部區(qū)域內(nèi)存在應力集中現(xiàn)象。因此開裂區(qū)存在于支座區(qū)。又由于在支座處存在負彎矩，此時支座處的墻板外層受拉內(nèi)層受壓，因此僅在外層出現(xiàn)開裂。

查看內(nèi)層板的第1主應力S1的彩色云圖可以看出，板中混凝土的應力值均較低，僅在支承處和4個窗角局部區(qū)域應力值較高。查看外層板的第3主應力s3的彩色云圖可以看出，此時板中壓應力分布較均勻，但在4個窗角處和局部邊角處的應力值較大。

表3中所有混凝土最大拉應力s1的數(shù)值均大于混凝土的抗拉強度值，即1.71N/mm²，故各種板型在兩種工況下均存在不同程度的局部拉裂現(xiàn)象。表4中所有混凝土最大壓應力S3的數(shù)值均小于混凝土的抗壓強度值，即19.1N/mm²，故各種板型在兩種工況下均不會出現(xiàn)混凝土壓碎現(xiàn)象。對照表3、表4和表1數(shù)據(jù)可以看出，對于板寬小于4200mm的6種板型，其每種板型在兩種工況下的混凝土最大拉應力S1之比基本等于相應的風荷載之比；最大壓應力S3之比也基本等于相應的風荷載之比。說明混凝土的局部開裂基本上沒有影響混凝土的承載能力，此時板的剛度基本沒有退化現(xiàn)象。

而對于板寬為6600mm的3種板型，其每種板型在兩種工況下的混凝土最大拉應力S1之比小于相應的風荷載之比；混凝土最大壓應力S3之比小于相應的風荷載之比，說明此時混凝土的局部開裂相對較嚴重，降低了混凝土的承載能力，板的剛度退化明顯。

（3）骨架鋼筋應力結果及分析

表5中各種板型及所對應的兩種風載工況下的骨架鋼筋最大VonMiss應力。計算結果顯示，骨架鋼筋應力呈雙向分布，而且支承周圍應力水平較高。特別是對于4.2m×6.6m的板，其支座處應力最高已達313.466N/mm²，接近鋼絲的強度設計值320N/mm²，建議加強。

（4）木柱應力結果及分析

表6中的各種板型及所對應的在兩種風載工況下的木柱的最大VonMiss應力的數(shù)值均遠小于木柱的材料的抗壓強度34.8N/mm²。

4.結束語

通過以上論述可看出，鋼絲骨架輕質(zhì)復合墻板具有良好的力學受力性能，各種板型的墻板均能承受該墻板設定使用范圍內(nèi)的風荷載。墻板在規(guī)定風荷載作用下的撓度非常小，滿足正常使用極限狀態(tài)的要求。

相信隨著鋼結構建筑的快速發(fā)展，該墻板應具有廣闊的發(fā)展前景。