冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復(fù)合墻板抗彎試驗(yàn)研究與數(shù)值分析

潘廣東, 王靜峰,2, 賈莉莉, 汪皖黔, 龐 帥

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料省級(jí)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230009)

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)環(huán)保、安裝簡(jiǎn)便及成本低廉等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)在日本、歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)得到廣泛應(yīng)用[1]。盡管我國(guó)針對(duì)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用起步較晚,但是近年來國(guó)家大力支持發(fā)展裝配式建筑和綠色建筑,因此該結(jié)構(gòu)體系今后在我國(guó)有著廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。作為冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系的重要承重構(gòu)件之一,傳統(tǒng)的輕鋼龍骨墻板多為空心墻板,內(nèi)部填充保溫棉等材料,如果設(shè)計(jì)和施工不合理,其保溫、隔熱、隔音效果較差,在一定程度上制約了輕鋼龍骨墻板在我國(guó)的進(jìn)一步發(fā)展。本文研究了一種新型裝配式墻板,即冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復(fù)合墻板,以C型冷彎薄壁型鋼為墻板龍骨架,兩側(cè)覆面板或保溫層,在墻板內(nèi)腔填注水泥基或石膏基輕聚合物,如圖1所示。與傳統(tǒng)輕鋼龍骨墻板相比,冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復(fù)合墻板彌補(bǔ)了其不足,顯著提升了墻板的保溫、隔熱、隔音及耐火性能,而且增強(qiáng)了墻板的承載能力和整體性。因此,該新型復(fù)合墻板可以作為低層房屋的承重墻板,也可以作為多、高層房屋的圍護(hù)墻板,具有良好的工程應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

圖1 冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復(fù)合墻板構(gòu)造

近年來,國(guó)內(nèi)外對(duì)于輕鋼龍骨墻板進(jìn)行的大量試驗(yàn)和理論研究主要集中在軸壓、抗剪、抗震性能方面[2-8],對(duì)抗彎性能的研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)[9]以龍骨厚度和腹板高度為設(shè)計(jì)參數(shù),進(jìn)行了12塊兩側(cè)為石膏板的輕鋼龍骨組合墻板的抗彎試驗(yàn)研究;文獻(xiàn)[10]進(jìn)行了兩側(cè)無面板、單側(cè)有面板、雙側(cè)有面板3種不同構(gòu)造的輕鋼龍骨組合墻板的抗彎試驗(yàn)研究;文獻(xiàn)[11-12]分別進(jìn)行了不同構(gòu)造的輕鋼龍骨墻板的抗彎試驗(yàn)研究。

目前,針對(duì)冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復(fù)合墻板的研究尤其是抗彎性能研究成果較少。為了獲悉該墻板的抗彎性能,本文進(jìn)行了6塊該復(fù)合墻板抗彎試驗(yàn),采用有限元分析軟件ABAQUS建立了復(fù)合墻板的數(shù)值分析模型,并驗(yàn)證了數(shù)值分析模型的準(zhǔn)確性,分析了鋼材強(qiáng)度、輕聚合物填料強(qiáng)度、面板類型以及面板厚度對(duì)復(fù)合墻板抗彎性能的影響,可為冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復(fù)合墻板應(yīng)用和推廣提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)構(gòu)件

本次冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復(fù)合墻板抗彎試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了6塊試件,其長(zhǎng)度均為3 000 mm,寬度均為1 200 mm。墻板厚度與填料類型見表1所列。

表1 試件墻板厚度與填料類型

注:輕聚合物填料厚度均為89 mm。

各試件示意圖如圖2所示(單位為mm)。試件的龍骨架均由3根C型鋼立柱、2根U型導(dǎo)軌以及1根橫向支撐通過ST4.8級(jí)自攻螺釘連接構(gòu)成。其中,試件CSFW1、CSFW2龍骨架兩側(cè)無面板或保溫層;試件CFSW3龍骨架上部為25 mm厚石膏基輕聚合物保溫層,下部為12 mm厚石膏板;試件CFSW4龍骨架上部為25 mm厚水泥基輕聚合物保溫層,下部為8 mm厚纖維水泥板;試件CFSW5、CFSW6龍骨架上部均為12 mm厚石膏板,CFSW5下部為8 mm厚纖維水泥板,CFSW6下部為12 mm厚石膏板。為方便觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,試件CFSW1、CFSW2兩側(cè)和試件CFSW3、CFSW4上側(cè)均用3 mm厚抗裂砂漿罩面。

試件所用冷彎薄壁型鋼為550 MPa鍍鋁鋅鋼板,厚度為0.9 mm,其彈性模量為216 GPa、屈服強(qiáng)度為615 MPa。與試件采取相同條件養(yǎng)護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)水泥基輕聚合物和石膏基輕聚合物立方體試塊(70.4 mm×70.4 mm×70.4 mm)達(dá)到28 d齡期后,測(cè)得其彈性模量分別為600、400 MPa,抗壓強(qiáng)度分別為2.1、1.1 MPa。纖維水泥板和石膏板彈性模量分別為5 000、1 500 MPa,彎曲強(qiáng)度分別為17.25、5.20 MPa。

圖2 各試件示意圖

1.2 加載裝置、測(cè)點(diǎn)布置及破壞模式

本試驗(yàn)采用堆疊沙袋的方式進(jìn)行分級(jí)加載,每級(jí)加載0.35 kPa,間隔時(shí)間以5 min和應(yīng)變、位移數(shù)據(jù)穩(wěn)定為雙控要求,逐級(jí)加載直至試件斷裂,喪失承載能力。采用位移計(jì)測(cè)量墻板跨中撓度。加載裝置和位移計(jì)的布置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)加載裝置和位移計(jì)布置

6塊復(fù)合墻板試件的破壞模式如下所述。兩側(cè)無面板或保溫層的試件(試件CFSW1、CFSW2)破壞模式如圖4a所示,具體表現(xiàn)為:墻板底部跨中處抗裂砂漿出現(xiàn)裂縫,C型鋼立柱跨中處屈曲。上部面層為保溫層、下部面層為面板的試件(試件CFSW3、CFSW4)破壞模式如圖4b所示,具體表現(xiàn)為:墻板底部跨中處出現(xiàn)貫通裂縫,C型鋼立柱跨中處屈曲,上部輕聚合物保溫層被壓潰。

兩側(cè)有面板的試件(試件CFSW5、CFSW6)破壞現(xiàn)模式如圖4c所示,具體表現(xiàn)為:墻板上部面板輕微凸起,C型鋼立柱跨中處屈曲,底部面板跨中處出現(xiàn)貫通裂縫。

圖4 試件破壞模式

1.3 荷載跨中撓度曲線

各試件在均布荷載作用下的荷載跨中撓度關(guān)系曲線如圖5所示。各試件的抗彎承載力F、彈性階段抗彎剛度K見表2所列。

由圖5、表2可知:

(1) 在加載初期的彈性階段,試件CFSW4、CFSW5的抗彎剛度與試件CFSW1相比,分別提高132.5%、43.5%,試件CFSW3、CFSW6的抗彎剛度與試件CFSW2相比,分別提高45.7%、26.3%,而試件CFSW1的抗彎剛度與CFSW2相比,僅提高了8.6%,說明冷彎薄壁型鋼龍骨架兩側(cè)面板以及保溫層是影響復(fù)合墻板彈性階段抗彎剛度的主要因素之一,而填料類型對(duì)其影響不大;試件CFSW5的抗彎剛度與CFSW4相比,提高61.9%,說明與受壓側(cè)為石膏板相比,受壓側(cè)為水泥基輕聚合物保溫層對(duì)復(fù)合墻板彈性階段的抗彎剛度有顯著提升。

(2) 試件CFSW1的抗彎承載力與試件CFSW2相比,提高7.7%,說明填料類型對(duì)復(fù)合墻板的抗彎承載力有一定影響;試件CFSW4的抗彎承載力與試件CFSW1相比,提高71.4%,而試件CFSW3的抗彎承載力與試件CFSW2相比,僅提高7.7%,說明面板和保溫層類型對(duì)復(fù)合墻板抗彎承載力有顯著影響;試件CFSW4的抗彎承載力與試件CFSW5相比,提高26.3%,說明受拉側(cè)同為纖維水泥板時(shí),在受壓側(cè)設(shè)水泥基輕聚合物保溫層對(duì)復(fù)合墻板抗彎承載力的提升比石膏板顯著;試件CFSW6的抗彎承載力與試件CFSW3相比提高14.7%,說明受拉側(cè)同為石膏板時(shí),在受壓側(cè)設(shè)石膏板對(duì)復(fù)合墻板抗彎承載力的提升比石膏基輕聚合物保溫層顯著。

圖5 試件荷載-跨中撓度關(guān)系曲線

試件編號(hào)加載級(jí)數(shù)F/kNK/(kN·mm-1)CFSW11417.640.542 CFSW21316.380.499 CFSW31417.640.727 CFSW42430.241.260 CFSW51923.940.778 CFSW61620.160.630

2 數(shù)值分析模型

2.1 材料本構(gòu)關(guān)系

為了有效避免有限元分析模型的后期收斂困難,減少計(jì)算分析時(shí)間,假設(shè)冷彎薄壁型鋼為理想彈性塑性體,采用雙線性模型進(jìn)行模擬[13]。輕聚合物填料采用文獻(xiàn)[14]中的本構(gòu)關(guān)系模型,面板假定為各向同性材料[15],材料屬性參數(shù)可根據(jù)1.1節(jié)中材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果來取值。

2.2 有限元分析模型

利用ABAQUS軟件建立的冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復(fù)合墻體有限元分析模型,模型由冷彎薄壁型鋼龍骨架、輕聚合物填料、上部面層以及下部面層4部分部件組成。其中,冷彎薄壁型鋼龍骨架、上部面層及下部面層均采用四邊形殼單元S4R進(jìn)行模擬,輕聚合物填料則采用三維實(shí)體單元C3D8R進(jìn)行模擬。

C型鋼立柱與U型導(dǎo)軌的交線均采用tie連接模擬,面板與龍骨架之間自攻螺釘?shù)淖饔貌捎命c(diǎn)與點(diǎn)tie連接模擬;輕聚合物與龍骨架之間采用面與面接觸模擬,法向行為設(shè)置為“硬接觸”,切向行為設(shè)置摩擦系數(shù)等于0.45。

為了模擬試驗(yàn)的邊界條件,有限元分析模型的底部一端設(shè)置2個(gè)方向位移約束,另一端設(shè)置3個(gè)方向位移約束。由于冷彎薄壁型鋼龍骨架屬于薄壁構(gòu)件,會(huì)產(chǎn)生較大變形,因此在設(shè)置分析步時(shí),考慮幾何非線性。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證有限元分析模型的正確性,本文對(duì)6塊復(fù)合墻板試件進(jìn)行有限元模擬,并將有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。復(fù)合墻板抗彎承載力的試驗(yàn)值(Nt)和計(jì)算值(NA)見表3所列。

表3 抗彎承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值比較

抗彎承載力的計(jì)算值略大于試驗(yàn)值,計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值為1.02～1.07,誤差均值為4.2%,方差為0.000 25。因此,有限元分析模型有較好的準(zhǔn)確性,說明本文采用的有限元分析模型可以準(zhǔn)確地分析冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復(fù)合墻板的抗彎性能。

各試件的荷載跨中撓度曲線對(duì)比如圖6所示。

圖6 各試件荷載-撓度關(guān)系的試驗(yàn)曲線與計(jì)算曲線對(duì)比

4 參數(shù)分析

基于有限元分析模型,本文設(shè)計(jì)了14個(gè)復(fù)合墻板試件,分析了鋼材強(qiáng)度、輕聚合物填料強(qiáng)度、面板類型及面板厚度對(duì)冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復(fù)合墻體抗彎性能的影響。各試件的具體參數(shù)及分析結(jié)果見表4所列。各參數(shù)對(duì)墻板荷載-撓度關(guān)系曲線的影響如圖7所示。

(1) 鋼材強(qiáng)度。選取4種常用的鋼材,分別為Q235、Q345、Q420及Q550。不同鋼材強(qiáng)度對(duì)冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復(fù)合墻板的荷載-跨中撓度曲線的影響如圖7a所示。在加載初期的彈性階段,冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復(fù)合墻板抗彎剛度隨著鋼材強(qiáng)度增加而有所增加,但并不顯著。隨著荷載逐級(jí)增加,曲線進(jìn)入塑性階段,在塑性階段,相同荷載作用下鋼材強(qiáng)度高的復(fù)合墻板撓度明顯減小。

與采用Q235鋼材的復(fù)合墻板相比,采用Q345、Q420、Q550鋼材的復(fù)合墻板抗彎承載力分別提高10.26%、18.47%、29.03%。

(2) 輕聚合物填料強(qiáng)度。冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復(fù)合墻板的輕聚合物填料包括水泥基和石膏基2種,以水泥基為例,選取抗壓強(qiáng)度分別為2.1、5.0、10.0 MPa的3種水泥基輕聚合物填料進(jìn)行分析,得到荷載-跨中撓度曲線如圖7b所示。輕聚合物填料強(qiáng)度增加對(duì)復(fù)合墻板荷載-跨中撓度曲線的影響不大,說明在均布荷載作用下,輕聚合物填料對(duì)龍骨架起到一定的約束作用。

表4 參數(shù)取值變化情況

圖7 各參數(shù)對(duì)墻板荷載-撓度關(guān)系曲線的影響

(3) 面板類型。選取石膏板、定向結(jié)構(gòu)刨花板、纖維水泥板3種厚度均為12 mm的面板進(jìn)行參數(shù)分析,面板材料力學(xué)性能指標(biāo)見表5所列,荷載-跨中撓度曲線如圖7c所示。在彈性階段,面板類型對(duì)復(fù)合墻板的抗彎剛度有顯著影響,與兩側(cè)為石膏板的復(fù)合墻板相比,兩側(cè)為定向結(jié)構(gòu)刨花板的復(fù)合墻板抗彎剛度提高36.3%,兩側(cè)為纖維水泥板的復(fù)合墻板抗彎剛度提高85.5%。

表5 不同面板類型的材料特性

與兩側(cè)為石膏板的復(fù)合墻板相比,兩側(cè)為定向結(jié)構(gòu)刨花板的復(fù)合墻板抗彎承載力提高9.12%,兩側(cè)為纖維水泥板的復(fù)合墻板抗彎承載力提高14.91%。

(4) 面板厚度。選取面板厚度分別為8、12、15、20 mm的纖維水泥板建立有限元模型。4個(gè)試件的荷載跨中撓度曲線如圖7d所示。隨著面板厚度增加,復(fù)合墻板彈性階段抗彎剛度和抗彎承載力也不斷增加,但達(dá)到極限荷載時(shí)所對(duì)應(yīng)的撓度逐漸減小,其延性逐漸降低。與面板厚度為8 mm的復(fù)合墻板相比,面板厚度為12、15、20 mm的復(fù)合墻板抗彎剛度分別提高30.6%、63.8%、100.5%,抗彎承載力分別提高1.71%、5.85%、9.42%。

5 結(jié) 論

(1) 在均布荷載作用下,上部和下部均無面板或保溫層的復(fù)合墻板破壞模式為墻板底部跨中處抗裂砂漿出現(xiàn)裂縫,C型鋼立柱跨中處屈曲;上部為保溫層、下部為面板的復(fù)合墻板破壞模式為墻板底部跨中處出現(xiàn)貫通裂縫,C型鋼立柱跨中處屈曲,上部輕聚合物保溫層被壓潰;上部和下部均為面板的復(fù)合墻板破壞模式為墻板上部面板輕微凸起,C型鋼立柱跨中處屈曲,底部面板跨中處出現(xiàn)貫通裂縫。

(2) 冷彎薄壁型鋼兩側(cè)設(shè)置面板或保溫層可以提高復(fù)合墻板的抗彎承載力和抗彎剛度。相比于兩側(cè)無面板或保溫層的復(fù)合墻板,兩側(cè)有面板或保溫層的復(fù)合墻板抗彎承載力提高了7.7%～71.4%,抗彎剛度提高了26.3%～132.5%。兩側(cè)有面板或保溫層的復(fù)合墻板的抗彎承載力和抗彎剛度的增長(zhǎng)幅度與面板和保溫層類型有關(guān)。

(3) 基于ABAQUS軟件,選擇合適的本構(gòu)關(guān)系、單元類型以及接觸條件,建立了冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復(fù)合墻板的有限元分析模型,將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性以及可靠性。

(4) 影響冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復(fù)合墻板均布荷載作用下抗彎承載力的主要因素有鋼材強(qiáng)度和面板類型;面板類型和面板厚度是影響復(fù)合墻板抗彎剛度的主要因素,而鋼材強(qiáng)度對(duì)復(fù)合墻板抗彎剛度的影響較小。

(5) 增大面板厚度可以顯著提高冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復(fù)合墻板在彈性階段的抗彎剛度,但是降低了復(fù)合墻板的延性。