薄壁型鋼骨架承重保溫墻板的軸壓性能研究

李貝娜，王慶華，封雷

（吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026）

薄壁型鋼骨架承重保溫墻板的軸壓性能研究

李貝娜，王慶華，封雷

（吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026）

對(duì)一種輕質(zhì)節(jié)能的薄壁型鋼骨架承重墻板進(jìn)行縮尺實(shí)驗(yàn)，研究其在軸壓作用下的破壞形態(tài)、極限承載力及變形，采用有限元分析軟件Abaqus對(duì)等尺寸的墻板進(jìn)行應(yīng)力和位移分析。研究表明：墻板在軸向荷載的作用下具有良好的力學(xué)性能，墻板的極限承載力為1701.2 kN，極限變形平均值為7.37 mm，極限應(yīng)力為18.9 MPa，與實(shí)心黏土磚墻相比，150 mm厚的新型復(fù)合墻板軸心承載能力大于490 mm厚磚砌體墻體；混凝土柱、保溫砂漿芯層及水泥砂漿面層對(duì)薄壁型鋼骨架的變形起到約束作用，增大了抗側(cè)移剛度，提高了墻板的整體性。

薄壁型鋼骨架；承重保溫墻板；軸壓性能

0 引言

隨著我國(guó)城市化水平的快速發(fā)展，建筑能耗在能源總消耗量中的比例也逐年上升，能源匱乏情況逐年加劇，因此“建筑節(jié)能”成為了貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一個(gè)重要組成部分[1]。“薄壁型鋼骨架+節(jié)能復(fù)合墻板”的構(gòu)造形式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、平面布置靈活、易于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，符合建筑節(jié)能的要求，可以取代性能低、能耗大的砌塊或者空心磚，實(shí)現(xiàn)改善建筑性能、提高能源利用率、保護(hù)環(huán)境的目標(biāo)[2]。本文對(duì)這種薄壁型鋼骨架承重保溫墻板在軸向荷載作用下的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，并采用有限元分析軟件對(duì)等尺寸的墻板進(jìn)行數(shù)值模擬，分析墻板的破壞形態(tài)及受力特點(diǎn)，為工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 墻板試件

墻板由薄壁型鋼骨架、混凝土、水泥砂漿面層以及內(nèi)填的保溫砂漿組成。型鋼骨架為主要的承重結(jié)構(gòu)[見圖1（a）]，其尺寸為1200 mm×560 mm×50 mm，由4根型號(hào)為［5的薄壁槽鋼和鋼拉條組成。其中，中間2根槽鋼焊接在一起，兩邊的槽鋼開口向內(nèi)；槽鋼之間用560 mm×30 mm×1.5 mm的普通鋼拉條焊接在一起，拉條間距為300 mm。型鋼骨架周圍澆筑C30混凝土，形成型鋼混凝土立柱，其間填充保溫砂漿。墻板總厚度為150 mm，截面構(gòu)造如圖1（b）所示。

圖1 墻板構(gòu)造

1.2 試件制作

按照GB/T 30100—2013《建筑墻體試驗(yàn)方法》中的相關(guān)規(guī)定，制作2套薄壁型鋼骨架承重保溫墻板模型，分別編號(hào)為K1、K2，并在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。型鋼骨架及墻板試件的制作過(guò)程如圖2所示。為了便于觀察試驗(yàn)過(guò)程中墻板的開裂情況，在其表面涂刷1層白色面漆。

圖2 型鋼骨架及墻板試件制作

1.3 軸壓試驗(yàn)加載過(guò)程

利用JYW-2000型壓力機(jī)施加軸向荷載，采用TST3826E型靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)采集應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)。先對(duì)墻板進(jìn)行預(yù)加載到100 kN，靜置2 min，然后采用單調(diào)豎向加載，加載速度恒定為1 kN/s，每級(jí)荷載100 kN，并維持荷載5 min左右，觀察裂縫的出現(xiàn)與開展過(guò)程以及試件的破壞特征。

2 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

墻板軸壓試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，根據(jù)2塊墻板數(shù)據(jù)的平均值繪制的墻板軸向荷載-豎向位移曲線如圖3所示。

表1 墻板軸壓試驗(yàn)結(jié)果

圖3 墻板軸壓承載力-豎向位移曲線

由表1和圖3可以看出，墻板的極限承載力平均值為1693.1 kN；極限變形平均值7.37 mm；極限應(yīng)力為18.9 MPa。采用GB 50003—2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出的方法計(jì)算磚砌體墻承載力，磚砌體與砂漿強(qiáng)度均采用最大值。取長(zhǎng)600 mm、高1200 mm、厚490 mm的磚墻計(jì)算其軸心受壓承載力為1158 kN，與實(shí)心黏土磚墻相比較，150 mm厚的新型復(fù)合墻板軸心承載能力大于490 mm磚砌體厚墻體。該新型薄壁型鋼骨架承重墻板軸壓性能良好，并減少了對(duì)原材料的消耗，實(shí)現(xiàn)改善建筑性能、提高能源利用率、保護(hù)環(huán)境的目標(biāo)。

圖4 墻板破壞示意

墻板的荷載-位移曲線大致可分為6個(gè)階段：（1）OA段：A點(diǎn)之前，荷載與位移接近于線性變化，墻板表面出現(xiàn)微小裂縫，此階段為墻板的彈性工作階段；（2）AB段：加載到A點(diǎn)之后，即荷載達(dá)到1558.7 kN之后，曲線斜率逐漸減小，位移增加速率變大，出現(xiàn)明顯塑性變形，墻板的S面和H面端部均出現(xiàn)豎向裂縫[見圖4（a）]，并逐漸向中部擴(kuò)展，此階段為墻板帶裂縫工作階段；（3）BC段：加載到B點(diǎn)之后，即荷載達(dá)到最大值1701.2 kN之后，曲線突然下降，墻板的承載力降低至C點(diǎn)1447.2 kN，與最大承載力相比降低了14.9%，主要是由于墻板表面的水泥砂漿面層出現(xiàn)貫通裂縫[見圖4（b）]，影響了墻板的整體性，此階段為墻板的承載力降低階段；（4）CD段：墻板的承載力有所回升，在D點(diǎn)達(dá)到1634.4 kN，主要是由于在水泥砂漿面層破壞之后，墻板中的薄壁型鋼骨架開始承擔(dān)軸向壓力，此時(shí)墻板混凝土表面裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，此階段為墻板承載力回升階段；（5）DE段：曲線再次下降，位移增加的速率變大，墻板承載力下降，在E點(diǎn)達(dá)到1510.4 kN，此時(shí)墻板混凝土側(cè)面發(fā)生皺起，但墻板仍可繼續(xù)承載，此階段為墻板的塑性工作階段；（6）E點(diǎn)之后，曲線陡降，墻板混凝土表面出現(xiàn)貫通裂縫[見圖4（c）]，部分混凝土和砂漿面層脫落[見圖4（d）]，墻板內(nèi)部傳來(lái)“嘭”的一聲，薄壁型鋼骨架發(fā)生局部屈服，墻板不能再繼續(xù)承載而破壞，此階段為墻板的破壞階段。

3 薄壁型鋼骨架承重保溫墻板結(jié)構(gòu)體系軸壓性能有限元分析

采用有限元分析軟件Abaqus模擬墻板以及薄壁型鋼骨架在軸壓荷載作用下的力學(xué)性能，墻板、型鋼骨架的構(gòu)造與實(shí)測(cè)試件相同。

3.1 材料的本構(gòu)模型

（1）水泥砂漿的本構(gòu)關(guān)系

目前對(duì)水泥砂漿本構(gòu)關(guān)系的研究還不是很成熟[3]，本文在進(jìn)行有限元模擬時(shí)，將水泥砂漿看作是零骨料的混凝土，利用混凝土的本構(gòu)關(guān)系建立水泥砂漿的本構(gòu)關(guān)系[4]?；炷羻屋S拉壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系參照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C中的方法來(lái)定義。

（2）保溫砂漿的本構(gòu)關(guān)系

保溫砂漿的本構(gòu)關(guān)系僅考慮彈性階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[5]，根據(jù)JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定，采用相同配方制作3塊150 mm×150 mm×300 mm的保溫砂漿試塊（編號(hào)為E-1、E-2、E-3），實(shí)驗(yàn)條件下養(yǎng)護(hù)完成后，測(cè)試其彈性模量和泊松比，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 保溫砂漿的彈性模量和泊松比

根據(jù)表2可得，保溫砂漿的彈性模量為441 MPa，泊松比為0.18。

（3）鋼材的本構(gòu)關(guān)系

墻板采用Q235槽鋼，厚度為1.5 mm，參照GB 50018—2002《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，得到鋼材的性能參數(shù)見表3。

表3 鋼材的性能參數(shù)

3.2 單元類型及網(wǎng)格劃分

槽鋼、拉條、水泥砂漿、保溫砂漿、混凝土的單元類型均為實(shí)體單元，各部件之間約束關(guān)系為綁定約束（Tie）[6]。槽鋼與拉條采用約束Tie綁定成薄壁型鋼骨架構(gòu)件，薄壁型鋼骨架采用embedded技術(shù)嵌入水泥砂漿、保溫砂漿與混凝土組成的實(shí)體中。鋼框架與墻板的底部約束條件為完全固定（Encastre）沒有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)位移。網(wǎng)格劃分時(shí)，薄壁型鋼網(wǎng)格尺寸為0.065m，拉條網(wǎng)格尺寸為0.05m，其余構(gòu)件網(wǎng)格尺寸為0.1m。

3.3 有限元模擬結(jié)果及分析

在軸向荷載作用下，墻板及其內(nèi)部型鋼骨架和混凝土的應(yīng)力云圖如圖5所示，薄壁型鋼骨架單獨(dú)受壓時(shí)的位移云圖及墻板內(nèi)部薄壁型鋼骨架的位移云圖如圖6所示。

圖5 墻板及其內(nèi)部型鋼骨架、混凝土柱的應(yīng)力云圖

圖6 型鋼骨架單獨(dú)受壓及墻板內(nèi)部薄壁型鋼骨架位移云圖

由圖5（a）、（b）可知，軸向荷載作用下，薄壁型鋼骨架的應(yīng)力遠(yuǎn)大于墻板其它部分的應(yīng)力，薄壁型鋼骨架最大應(yīng)力為212 MPa，混凝土最大應(yīng)力22.7 MPa。加載后，型鋼骨架頂端拉條及骨架中柱上部應(yīng)力較大，發(fā)生局部屈服，2根中柱的應(yīng)力較2根邊柱大，各柱翼緣與腹板應(yīng)力變化同步；由圖5（c）可知，混凝土中柱的應(yīng)力較2根邊柱大，應(yīng)力集中在頂端。模擬墻板模型的極限承載力為1850 kN，極限應(yīng)力為20.56 MPa，與試驗(yàn)測(cè)得的墻板極限應(yīng)力18.90 MPa相比，誤差為8.56%，試驗(yàn)情況與數(shù)值模擬情況基本一致。

由圖6可知，薄壁型鋼骨架單獨(dú)承受軸向壓力時(shí)，型鋼骨架中部拉條處側(cè)向位移為1.21 mm，墻板受壓時(shí)，內(nèi)部型鋼骨架同一位置的最大側(cè)向位移為0.13 mm，是前者的10.7%，混凝土柱、保溫砂漿芯層及水泥砂漿面層對(duì)薄壁型鋼骨架的變形起到約束作用，增大了抗側(cè)移剛度，提高了墻板的整體性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)薄壁型鋼骨架保溫承重墻板的軸壓實(shí)驗(yàn)以及有限元模擬結(jié)果的分析，得出以下結(jié)論：

（1）在軸向荷載作用下，薄壁型鋼骨架承重保溫墻板的極限承載力平均值為1701.2 kN，極限變形平均值為7.37 mm，極限應(yīng)變?yōu)?8.9 MPa，與實(shí)心黏土磚墻相比，150 mm厚的新型復(fù)合墻板承受軸心荷載的能力大于490 mm厚磚砌體墻體，墻板在軸向荷載作用下具有良好的力學(xué)性能。

（2）薄壁型鋼骨架稱重保溫墻板荷載-豎向位移曲線有6個(gè)階段：彈性階段、帶裂縫工作階段、承載力下降階段、承載力回升階段、塑性階段及破壞階段，薄壁型鋼骨架承重保溫墻板構(gòu)造形式受力較為合理，加載過(guò)程中，薄壁型鋼骨架保溫承重墻板由薄壁型鋼骨架與內(nèi)部保溫砂漿芯層、混凝土柱協(xié)同工作，共同變形。

（3）根據(jù)有限元模擬結(jié)果可知：軸壓作用下，薄壁型鋼骨架的應(yīng)力遠(yuǎn)大于墻板其它部分的應(yīng)力，模擬墻板極限應(yīng)力為20.56 MPa，試驗(yàn)測(cè)得墻板的極限應(yīng)力為18.9 MPa，誤差為8.56%；受壓墻板中的型鋼骨架較型鋼骨架單獨(dú)受壓時(shí)的中部側(cè)向位移降低為10.7%，混凝土柱、保溫砂漿芯層及水泥砂漿面層對(duì)薄壁型鋼骨架的變形起到約束作用，增大了抗側(cè)移剛度，提高了墻板的整體性。

[1]朱清瑋，武發(fā)德，趙金平.外墻保溫材料研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].新型建筑材料，2012（6）：12-15.

[2]封雷，封葉，王慶華.玻璃纖維網(wǎng)格布增強(qiáng)復(fù)合保溫墻板的保溫性能和力學(xué)性能研究[J].新型建筑材料，2016（3）：73-76.

[3]吳勝興，王瑤，周繼凱，等.水泥砂漿動(dòng)態(tài)軸向拉伸本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2012（1）：13-22.

[4]封葉.EPS顆粒-EPS板復(fù)合保溫墻板的力學(xué)性能及熱熱工性能研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2015.

[5]封葉，王慶華，劉家欽，等.EPS顆粒-EPS板復(fù)合保溫墻板的力學(xué)性能研究[J].新型建筑材料，2014（7）：10-12.

[6]王鑫，麥云飛.有限元分析中單元類型的選擇[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2009（6）：43-46.

The study on axial compressive performance of thin wall type steel ribs load-bearing insulation wallboard

LI Beina，WANG Qinghua，F(xiàn)ENG Lei
（Engineering College of Jilin University，Changchun 130026，China）

In this paper，a contraction scale test was carried out to study the failure morphology，ultimate bearing capacity and deformation of a light energy-saving thin wall type steel ribs under axial compression，and finite element analysis software Abaqus is used to analyze the stress and displacement of equivalent size wallboard.The results show that wallboard has good mechanical property under axial load.The ultimate bearing capacity 1701.2 kN，ultimate deformation mean 7.37 mm，ultimate stress 18.90 MPa. Compared with solid clay brick wall，the axial bearing capacity of 150 mm new recombination wallboard is greater than 490 mm thick brick masonry wall.The concrete column，thermal mortar core and cement mortar surface course have a restraint effect on the deformation of thin wall type steel ribs，meanwhile enlarge the lateral resisting stiffness and enhance the integrality of wallboard.

thin wall type steel ribs，load-bearing wallboard，axial compressive performance

TU52

A

1001-702X（2016）09-0039-04

2016-04-27；

2016-06-27

李貝娜，女，1992年生，山西臨汾人，碩士研究生。