輕鋼龍骨夾芯復(fù)合外掛墻板抗彎性能參數(shù)化數(shù)值分析

談成龍，完海鷹，陳安英

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009)

輕鋼龍骨復(fù)合墻體質(zhì)量輕、與主體結(jié)構(gòu)連接方便可靠，并具有良好的保溫隔熱、防水、防火等優(yōu)勢，在鋼結(jié)構(gòu)住宅體系中作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用。國內(nèi)外對不同構(gòu)造的復(fù)合墻體的承載性能進(jìn)行了一系列研究，戎賢等[1]對聚苯板保溫復(fù)合剪力墻板的抗彎性能進(jìn)行了研究；封葉[2]研究了EPS顆粒-EPS板復(fù)合保溫墻板的抗側(cè)剛度，提出墻板的等效斜撐半徑計算公式；MASOOD et al[3]，HAMMOUD et al[4]，YUZUGULLU[5]，EINEA et al[6]，LIAN[7]等對1組2片兩側(cè)覆石膏板的保溫龍骨外圍護(hù)墻體的抗彎性能進(jìn)行了試驗研究。

在輕鋼龍骨復(fù)合墻體作為承重墻的研究中，李遠(yuǎn)瑛等[8]、江風(fēng)波[9]對輕鋼龍骨復(fù)合墻體在低周反復(fù)水平荷載作用下的抗側(cè)性能進(jìn)行了試驗，分析了洞口、斜支撐、蒙皮對墻體抗側(cè)力的影響。

在輕鋼結(jié)構(gòu)體系中，影響外掛墻體抗彎性能的因素較多。本文以由兩層水泥纖維板+輕鋼龍骨+聚氨酯硬泡組成的輕鋼龍骨夾芯新型復(fù)合墻板為研究對象，采用數(shù)值模擬計算方法，系統(tǒng)研究了龍骨鋼材型號、方鋼管壁厚、方鋼管邊長、龍骨間距、纖維水泥板厚度、板材類型等因素對墻體抗彎性能的影響。

1 有限元模型建立

1.1 試件設(shè)計

輕鋼龍骨夾芯復(fù)合外掛墻板由水泥纖維板、聚氨酯硬泡和輕鋼龍骨復(fù)合而成。為了研究其抗彎性能，設(shè)計了2種尺寸均為2 480 mm×3 000 mm、厚度為100 mm的墻板作為數(shù)值分析基本分析試件，分別為不開洞墻板和開洞墻板。開洞墻板是為了考慮實際門窗洞口的影響，洞口尺寸設(shè)計值為1 120 mm×1 420 mm，開洞率為21.4%；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的方形空心鋼管，尺寸設(shè)置為80 mm×3 mm；橫龍骨的內(nèi)側(cè)壁板通過切口與豎龍骨的端側(cè)壁板焊接。墻板的兩側(cè)設(shè)置厚度為10 mm的水泥纖維板，與龍骨骨架通過自攻螺釘進(jìn)行連接[10]。水泥纖維板和龍骨骨架的空隙填充聚氨酯硬泡材料。輕鋼龍骨夾芯復(fù)合外掛墻板剖面如圖1所示，龍骨骨架布置圖如圖2所示。

圖1 墻板剖面圖(單位：mm)

圖2 龍骨布置圖(單位：mm)

1.2 計算模型和基本假定

不開洞墻板為試件1，開洞墻板為試件2.利用有限元分析軟件ABAQUS對兩種試件建立計算模型，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，滿足Von-mises屈服準(zhǔn)則；纖維水泥板彈性模量為5 000 MPa，屈服強(qiáng)度為14 MPa，泊松比為0.4；聚氨酯硬泡材料的屈服強(qiáng)度為178.56 kPa，彈性模量為39.4 MPa，泊松比為0.42.

模型中龍骨、纖維板、聚氨酯硬泡單元類型均采用實體單元C3D8R.模型涉及到的接觸問題較為復(fù)雜，分析前需要對模型做出以下假定：1) 假定橫龍骨與豎龍骨之間的焊縫不會破壞，橫、豎龍骨形成一個整體；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) 忽略自攻螺釘開孔對模型的受力狀態(tài)影響[11]。

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TIE連接，龍骨之間設(shè)置為TIE連接。考慮骨架為一個整體，采用結(jié)構(gòu)化方法劃分網(wǎng)格，骨架單元長度取40 mm，纖維板和聚氨酯硬泡的單元長度取100 mm.墻板通過2個上節(jié)點和2個下節(jié)點與鋼框架相連，對墻板的4個邊角處設(shè)置為鉸接。模型在一側(cè)水泥纖維板上施加均布荷載模擬實際情況。

2 基本試件數(shù)值分析結(jié)果

2.1 墻板p-δ關(guān)系曲線

通過研究水平荷載作用下兩種墻板的響應(yīng)，得到不開洞、開洞輕鋼龍骨夾芯復(fù)合外掛墻板抗彎最大撓度處的水平均布荷載(p)-撓度(δ)關(guān)系曲線，如圖4所示。

試件1不開洞輕鋼龍骨夾芯復(fù)合外掛墻板的p-δ關(guān)系曲線中可以看出：在荷載小于7.50 kN/m2時，不開洞輕鋼龍骨夾芯復(fù)合外掛墻板的撓度值隨荷載呈線性變化，墻板處于彈性階段，墻板的彈性剛度值為1.19 kN/mm；在荷載大于7.50 kN/m2之后，墻板由彈性階段進(jìn)入塑性階段；荷載達(dá)到14.98 kN/m2時，墻板破壞。墻板的塑性階段較長，有良好的塑性變形能力，適合作為鋼框架圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用。

試件2開洞輕鋼龍骨夾芯復(fù)合外掛墻板的p-δ關(guān)系曲線中可以看出：在荷載小于12.23 kN/m2時，開洞輕鋼龍骨夾芯復(fù)合外掛墻板的撓度值隨荷載呈線性變化，墻板處于彈性階段，墻板的彈性剛度值為1.47 kN/mm；在荷載大于12.23 kN/m2之后，墻板由彈性階段進(jìn)入塑性階段；荷載達(dá)到23.45 kN/m2，墻板破壞。開洞墻板的彈塑性變形能力較不開洞墻板有很大程度的提升。

2.2 墻板p-σ關(guān)系曲線

不開洞輕鋼龍骨夾芯復(fù)合外掛墻板和開洞輕鋼龍骨夾芯復(fù)合外掛墻板各個部件最大應(yīng)力處的水平均布荷載(p)-應(yīng)力(σ)關(guān)系曲線如圖5、圖6所示。

圖4 p-δ關(guān)系曲線

分析試件1在龍骨骨架p-σ關(guān)系曲線中，出現(xiàn)應(yīng)力屈服點的部位為骨架中間豎龍骨的中點處，對應(yīng)荷載值為5.10 kN/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向兩側(cè)擴(kuò)展。荷載值達(dá)到10.3 kN/m2時，支座約束面水泥纖維板四角支座處出現(xiàn)屈服；荷載達(dá)到13.9 kN/m2時，荷載加載面水泥纖維板左右邊緣處出現(xiàn)屈服；荷載達(dá)到14.3 kN/m2時，芯材聚氨酯硬泡四角支座處出現(xiàn)屈服。

圖5 試件1的p-σ關(guān)系曲線

圖6 試件2的p-σ關(guān)系曲線

分析試件2在龍骨骨架p-σ關(guān)系曲線中，出現(xiàn)應(yīng)力屈服點的部位為骨架兩邊豎龍骨和中間偏下橫龍骨交界處，對應(yīng)荷載值為4.38 kN/m2.荷載達(dá)到6.88 kN/m2時，芯材聚氨酯硬泡四角支座處出現(xiàn)屈服；荷載值達(dá)到14.88 kN/m2時，支座約束面水泥纖維板四角支座處出現(xiàn)屈服；荷載達(dá)到18.38 kN/m2時，荷載加載面水泥纖維板部分自攻螺釘連接處出現(xiàn)屈服。

結(jié)合輕鋼龍骨夾芯復(fù)合外掛墻板的p-δ關(guān)系曲線，可以得出結(jié)論：輕鋼龍骨夾芯復(fù)合外掛墻板具有良好的整體剛度和彈塑性變形能力，其中開洞墻板在龍骨布置更為密集的情況下，保證了洞口邊緣位置不首先發(fā)生破壞，且平均抗彎性能承載力高于不開洞墻板。

3 參數(shù)化數(shù)值分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

工程設(shè)計中影響輕鋼龍骨夾芯復(fù)合外掛墻板抗彎性能的因素眾多，為了充分考慮這些因素對于實際工程設(shè)計的影響，建立各參數(shù)下墻板的p-δ關(guān)系曲線，參數(shù)包括：輕鋼龍骨鋼材型號、方鋼管壁厚、方鋼管邊長、輕鋼龍骨間距、纖維水泥板厚度、面板板材類型，參數(shù)變化如表1.

表1 參數(shù)設(shè)置

3.2 方鋼管規(guī)格

計算得到方鋼管規(guī)格參數(shù)下墻板的p-δ關(guān)系曲線如圖7所示。

對不同方鋼管規(guī)格參數(shù)下墻板的p-δ關(guān)系曲線進(jìn)行分析，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中看出，對于不開洞墻板，Q345，Q390，Q420鋼材墻板抗彎極限荷載分別是Q235鋼材墻板的1.23，1.33，1.36倍；對于開洞墻板，Q345，Q390，Q420鋼材墻板抗彎極限荷載分別是Q235鋼材墻板的1.2，1.27，1.3倍。

表3中得出，方鋼管壁厚的增加顯著地提升了墻板的彈性剛度和彈性階段的時間，進(jìn)而提升了墻板的抗彎能力，塑性階段時間基本保持不變。對于不開洞墻板，方鋼管壁厚為3 mm，4 mm的墻板抗彎極限荷載分別是壁厚為2 mm的1.21，1.43倍，彈性剛度分別是壁厚為2 mm的1.35，1.65倍；對于開洞墻板，方鋼管壁厚為3 mm，4 mm的墻板抗彎極限荷載分別是壁厚為2 mm的1.19，1.36倍，彈性剛度分別是壁厚為2 mm的1.19，1.38倍，不開洞墻板的提升較開洞墻板更為明顯。

表4中看出，對于不開洞墻板，方鋼管邊長為80 mm，100 mm的墻板的抗彎極限荷載分別是邊長為60 mm的墻板的1.35，1.44倍，彈性剛度分別是壁厚為2 mm的1.32，1.61倍；對于開洞墻板，方鋼管邊長為80 mm，100 mm的墻板的抗彎極限荷載分別相是邊長為60 mm的墻板的1.11，1.19倍，彈性剛度分別是壁厚為2 mm的1.19，1.36倍。

圖7 不同方鋼管規(guī)格參數(shù)下墻板的p-δ關(guān)系曲線

表5中看出，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)計中可根據(jù)造價適量減小龍骨間距，合理運用材料。

表2 不同強(qiáng)度鋼材墻板的抗彎極限荷載和彈性剛度

表3 不同方鋼管壁厚墻板的抗彎極限荷載和彈性剛度

表4 不同方鋼管邊長墻板的抗彎極限荷載和彈性剛度

表5 不同輕鋼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)

建立板材參數(shù)下墻板的p-δ關(guān)系曲線，如圖8所示。

對不同板材參數(shù)下墻板的p-δ關(guān)系曲線進(jìn)行分析，可以得到墻板的抗彎極限荷載和彈性剛度，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)先性順序為：膠合板(PLY)，水泥纖維板(FCB)，OSB板。

3.4 墻板規(guī)格選用

通過與不同類型參數(shù)下墻板的p-δ關(guān)系曲線、抗彎極限荷載和彈性剛度對比，分別計算兩種基本風(fēng)壓下，30 m、50 m、100 m等3種不同的建筑高度共計6種不同的工程情況下最適宜的墻板規(guī)格，如表8所示。

表8 墻板規(guī)格選用

可以看出，建筑高度和風(fēng)壓均較高時，宜選用600 mm龍骨間距。

圖8 不同板材參數(shù)下墻板的p-δ關(guān)系曲線

4 結(jié)論

通過建立輕鋼龍骨夾芯復(fù)合外掛墻板p-δ關(guān)系曲線和分析不同參數(shù)對輕鋼龍骨夾芯復(fù)合外掛墻板抗彎性能的影響，得到以下結(jié)論：

1) 分析墻板的p-δ和p-σ關(guān)系曲線可得，輕鋼龍骨夾芯復(fù)合外掛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)先性順序為：膠合板(PLY)，水泥纖維板(FCB)，OSB板。

4) 建筑高度和風(fēng)壓均較高時，宜選用600 mm龍骨間距。