輕鋼龍骨夾芯復(fù)合墻板平面外承載性能數(shù)值分析

胡晨，張慧潔，陳安英

（1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230061；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009）

0 前言

輕鋼龍骨復(fù)合墻體由輕鋼骨架、填芯材料以及內(nèi)外表面板材組成，常用于低層住宅承重墻。近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑發(fā)展的重視，基于輕鋼龍骨夾心復(fù)合墻板具有良好的保溫隔熱、防水、防火等優(yōu)勢(shì)，在多高層建筑中應(yīng)用輕鋼龍骨夾心復(fù)合墻板作為圍護(hù)墻體成為了一個(gè)新的發(fā)展方向[1-3]。

輕鋼龍骨夾心復(fù)合墻板通過(guò)掛件節(jié)點(diǎn)與主體結(jié)構(gòu)相連接，在地震、風(fēng)荷載作用下墻板平面外的承載能力是決定其安全使用的一個(gè)關(guān)鍵因素[4-5]。論文以由水泥纖維板+輕鋼龍骨+聚氨酯硬泡組成的輕鋼龍骨夾芯新型復(fù)合墻板為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬計(jì)算方法，對(duì)輕鋼龍骨規(guī)格、鋼管壁厚、鋼管邊長(zhǎng)、龍骨布置間距、面板厚度、面板板材類(lèi)型等因素對(duì)點(diǎn)式連接邊界條件下輕鋼龍骨夾心復(fù)合墻板平面外承載性能進(jìn)行數(shù)值分析研究。

1 模型建立

1.1 試件設(shè)計(jì)

輕鋼龍骨夾芯復(fù)合墻板由水泥纖維板、聚氨酯硬泡和輕鋼龍骨復(fù)合而成，為了研究其平面外承載性能，以邊長(zhǎng)2480mm×3000mm，厚度為100mm的墻板作為數(shù)值分析基本模型。墻板四周和中間部分設(shè)置輕鋼龍骨骨架，以提高墻板的整體強(qiáng)度和剛度，骨架分為橫龍骨和豎龍骨，采用鋼材為Q235的方鋼管，尺寸設(shè)置為80×3mm，橫向龍骨的內(nèi)側(cè)壁板通過(guò)切口與豎向龍骨的端側(cè)壁板焊接。墻板的兩側(cè)為厚度10mm的水泥纖維板，與鋼管龍骨骨架通過(guò)進(jìn)行連接。夾芯材料為聚氨酯硬泡材料。墻板剖面如圖1所示，龍骨骨架布置圖如圖2所示。

圖1 墻板剖面圖

圖2 龍骨布置圖

1.2 計(jì)算模型和基本假定

利用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)兩種試件建立計(jì)算模型，如圖3所示。

圖3 試件模型

鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線模型采用二次塑流模型；纖維水泥板彈性模量為5000MPa，屈服強(qiáng)度為14MPa，泊松比為0.4；聚氨酯硬泡材料的屈服強(qiáng)度為178.56kPa，彈性模量為 39.4MPa，泊松比為 0.42[6-7]。

模型中龍骨、纖維板、聚氨酯硬泡單元類(lèi)型均采用實(shí)體單元C3D8R。模型設(shè)計(jì)到的接觸問(wèn)題較為復(fù)雜，分析前需要對(duì)模型做出以下假定。

①假定橫龍骨與豎龍骨之間的焊縫不會(huì)破壞，橫、豎龍骨形成一個(gè)整體；

②假定龍骨骨架與水泥纖維板之間的自攻螺釘連接可靠；

③忽略自攻螺釘開(kāi)孔對(duì)于模型的受力狀態(tài)影響。

1.3 接觸和邊界條件

龍骨骨架與聚氨酯硬泡之間、水泥纖維板與聚氨酯硬泡之間設(shè)置為“表面與表面接觸”，龍骨骨架和水泥纖維板之間設(shè)置為點(diǎn)TIE連接，龍骨之間設(shè)置為T(mén)IE連接，考慮骨架為一個(gè)整體，采用結(jié)構(gòu)化方法劃分網(wǎng)格，骨架單元長(zhǎng)度取40mm，纖維板和聚氨酯硬泡的單元長(zhǎng)度取100mm。墻板通過(guò)兩個(gè)上節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)下節(jié)點(diǎn)與鋼框架相連，對(duì)墻板的4個(gè)邊角處設(shè)置為鉸接。

2 基本試件數(shù)值分析結(jié)果

2.1 墻板P-δ關(guān)系曲線

通過(guò)研究水平荷載作用下兩種墻板的響應(yīng)，得到輕鋼龍骨夾芯復(fù)合墻板水平均布荷載（P）-撓度（δ）關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 P-δ關(guān)系曲線

輕鋼龍骨夾芯復(fù)合墻板的P-δ關(guān)系曲線中可以看出，在荷載小于7.50kN/m2時(shí)，輕鋼龍骨夾芯復(fù)合墻板的撓度值隨荷載呈線性變化，墻板的彈性剛度值為1.19kN/mm，在荷載大于7.50kN/m2之后，墻板由彈性階段進(jìn)入塑性階段，荷載達(dá)到14.98kN/m2時(shí)，墻板破壞。墻板的塑性階段較長(zhǎng)，有良好的塑性變形能力，適合作為鋼框架?chē)o(hù)結(jié)構(gòu)使用。

2.2 墻板P-σ關(guān)系曲線

輕鋼龍骨夾芯復(fù)合墻板各個(gè)部件最大應(yīng)力處的水平均布荷載（P）-應(yīng)力（σ）關(guān)系曲線如圖5、6所示。

圖5 試件1P-σ關(guān)系曲線

在龍骨骨架P-σ關(guān)系曲線中，出現(xiàn)應(yīng)力屈服點(diǎn)的部位為骨架中間豎龍骨的中點(diǎn)處，對(duì)應(yīng)荷載值為5.10kN/m2，隨著水平荷載線性增加，應(yīng)力屈服部位由中間豎龍骨中點(diǎn)向兩側(cè)擴(kuò)展。荷載值達(dá)到10.3kN/m2時(shí)，支座板四角支座處出現(xiàn)屈服；荷載達(dá)到13.9kN/m2時(shí)，荷載加載側(cè)板左右邊緣處出現(xiàn)屈服；荷載達(dá)到14.3kN/m2時(shí)，芯材聚氨酯硬泡四角支座處出現(xiàn)屈服。

分析可以得出結(jié)論，輕鋼龍骨夾芯復(fù)合墻板具有良好的整體剛度和彈塑性變形能力。

3 參數(shù)化數(shù)值分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

工程設(shè)計(jì)中影響輕鋼龍骨夾芯復(fù)合墻板平面外承載性能的因素眾多，為了充分考慮這些因素對(duì)于實(shí)際工程設(shè)計(jì)的影響，建立各參數(shù)下墻板的P-δ關(guān)系曲線，參數(shù)包括輕鋼龍骨規(guī)格、鋼管壁厚、鋼管邊長(zhǎng)、龍骨布置間距、面板厚度、面板板材類(lèi)型，參數(shù)變化如表1。

表1 參數(shù)設(shè)置

3.2 鋼管規(guī)格

計(jì)算可以得到墻板的抗彎極限荷載和彈性剛度如表2～表5所示。

表2中得出，鋼材屈服強(qiáng)度為Q345、Q390、Q420的墻板抗彎極限荷載分別是Q235鋼材墻板的1.23、1.33、1.36 倍。

表2 不同強(qiáng)度鋼材墻板的抗彎極限荷載和彈性剛度

從表3中得出，方鋼管壁厚的增加顯著的提升了墻板的彈性剛度和彈性階段的時(shí)間，進(jìn)而提升了墻板的抗彎能力，塑性階段時(shí)間基本保持不變。方鋼管壁厚為3mm、4mm的墻板抗彎極限荷載分別是壁厚為2mm的1.21、1.43倍，彈性剛度分別是壁厚為2mm的1.35、1.65 倍。

表3 不同鋼管壁厚墻板的抗彎極限荷載和彈性剛度

從表4中得出，方鋼管邊長(zhǎng)為80mm、100mm的墻板的抗彎極限荷載分別相是邊長(zhǎng)為60mm的墻板的1.35、1.44倍，彈性剛度分別是壁厚為2mm的1.32、1.61 倍。

表4 不同鋼管邊長(zhǎng)墻板的抗彎極限荷載和彈性剛度

從表5中得出，隨著間距減小，龍骨骨架增多，墻板的抗彎極限荷載與彈性剛度有所增加，但是增加幅度逐漸減小，工程設(shè)計(jì)中可根據(jù)造價(jià)適量減小龍骨間距，合理運(yùn)用材料。

表5 不同龍骨間距墻板的抗彎極限荷載和彈性剛度

3.3 板材參數(shù)

對(duì)不同板材參數(shù)下墻板的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到墻板的極限荷載和剛度如表6、表7所示。

表6 不同纖維水泥板厚度墻板的抗彎極限荷載和彈性剛度

表7 不同面板材料特性的墻板的抗彎極限荷載和彈性剛度

水泥板厚度的增大以及面板材料的選取對(duì)墻板的彈性剛度增幅不明顯，抗彎極限荷載有小幅度提高，面板材料的優(yōu)先性為膠合板（PLY）最優(yōu)，水泥纖維板（FCB）次之，歐松板（OSB）最小。

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法，通過(guò)建立輕鋼龍骨夾芯復(fù)合墻板荷載-撓度關(guān)系曲線和分析不同參數(shù)對(duì)輕鋼龍骨夾芯復(fù)合墻板平面外承載性能的影響，得到以下結(jié)論。

①計(jì)算分析可得輕鋼龍骨夾芯復(fù)合墻板具有良好的整體剛度和彈塑性變形能力。

②方鋼管規(guī)格參數(shù)的優(yōu)化對(duì)墻板抗彎極限荷載和彈性剛度的提升幅度約在20%～40%。

③板材參數(shù)的優(yōu)化對(duì)墻板的彈性剛度增幅不明顯，抗彎極限荷載有所提高，面板材料的優(yōu)先性為膠合板（PLY）＞水泥纖維板（FCB）＞OSB板。