填充輕聚合物的輕鋼結構墻體軸壓性能數(shù)值分析

宋慧慧,王靜峰,2,丁兆東,2,汪皖黔,肖亞明,2

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.安徽先進鋼結構技術與產業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心,安徽 合肥 230009)

傳統(tǒng)的冷彎薄壁型鋼墻體結構是一種以輕鋼龍骨架和輕質墻面板(如石膏板、定向刨花板、彩涂板、纖維水泥板、薄鋼板等)通過自攻螺釘連接共同作為承重和維護結構的墻體體系,這種冷彎薄壁型鋼住宅體系已經(jīng)在美國、歐洲、日本、澳洲等發(fā)達國家廣泛推廣與應用。研究表明,該結構體系具有質量輕、節(jié)約材料、構配件質量和生產能力高等優(yōu)點,但墻體的隔音、隔熱、保溫等方面性能仍有待改進和創(chuàng)新[1-4]。另外,由于我國大多數(shù)居民習慣于傳統(tǒng)磚混結構,此類墻體在我國的應用和推廣受到了一定限制。

近年來,為了改善傳統(tǒng)冷彎薄壁型鋼墻體的不足,國內研究者提出在冷彎薄壁型鋼龍骨架內填筑保溫材料,形成復合墻體,可以提高墻體強度,明顯改善墻體隔音、保溫、隔熱的效果。目前,在冷彎薄壁型鋼龍骨架內填筑的保溫材料主要有2種類型:① 在冷彎薄壁型鋼骨架區(qū)格內放置一定規(guī)格的聚苯乙烯泡沫(expanded polystyrene,EPS)板,然后在龍骨與EPS板之間以及骨架外側噴涂輕質砂漿[5-6];② 在冷彎薄壁型鋼龍骨架區(qū)格內部噴涂輕聚合物填料(石膏基輕聚合物或水泥基輕聚合物),然后在龍骨外側噴涂保溫層或安裝墻面板[7]。與第1類墻體相比,第2類墻體的施工靈活性更強、墻體整體性更好、裝配率更高,本文主要研究第2類填充輕聚合物的輕鋼結構墻體。

目前,針對填充輕聚合物的輕鋼結構墻體的力學性能研究較少。為了解該墻體的軸壓性能,本文通過ABAQUS有限元分析軟件,建立了填充輕聚合物的輕鋼結構墻體有限元分析模型,通過軸壓試驗結果驗證了有限元分析結果的準確性;進行了軸壓作用下復合墻體的參數(shù)分析,研究了各參數(shù)對復合墻體軸壓性能的影響,揭示了軸壓作用下復合墻體的破壞模式,分析了軸壓荷載-位移關系曲線。研究結果可為填充輕聚合物的輕鋼結構墻體應用與理論分析提供科學依據(jù)。

1 有限元分析模型

1.1 單元選取、網(wǎng)格劃分及材料模型

采用ABAQUS軟件建立填充輕聚合物的輕鋼結構墻體有限元分析模型,包括立柱、導軌、橫撐、內部填料和面板,如圖1所示。

圖1 有限元分析模型

墻體的立柱和導軌屬于薄壁構件,選用S4R殼單元;面板、保溫層以及輕聚合物填料選用八節(jié)點三維C3D8R實體單元。冷彎薄壁型鋼龍骨的網(wǎng)格尺寸為30 mm,輕聚合物填料與面板的網(wǎng)格尺寸為20 mm。

為避免有限元分析模型的后期收斂困難,減少計算分析時間,假設冷彎薄壁型鋼為理想彈性塑性體,采用雙線性模型進行模擬;輕聚合物填料采用文獻[8]中的本構關系模型;面板假定為各向同性材料[9-10]。材料物理力學性能參數(shù)根據(jù)前期材料性能試驗結果進行取值,泊松比為0.2,其余性能參數(shù)見表1、表2所列。

表1 面板材料力學性能參數(shù)

表2 保溫層和填料材料物理力學性能參數(shù)

1.2 接觸條件和邊界條件

C型鋼立柱與U型導軌的交線均采用點tie連接模擬;冷彎薄壁型鋼龍骨與鋼梁之間的連接采用面與面tie連接;由于試驗過程中水泥纖維板與立柱之間的自攻螺釘未脫離,水泥纖維板與立柱之間采用點與面tie連接方式模擬;而試驗過程中石膏板與立柱發(fā)生分離,考慮到螺釘滑移失效情況,石膏板與立柱之間采用非線性彈簧單元實現(xiàn)自攻螺釘模擬[11]。在自攻螺釘平面內,彈簧單元的荷載-位移曲線取自相應的連接件試驗;在自攻螺釘平面外,認為彈簧單元的剛度無窮大。

參考文獻[12],石膏基填料、保溫層與龍骨架之間采用面與面接觸模擬,法向行為設置為“硬接觸”,切向行為設置摩擦系數(shù)等于0.45;水泥基填料、保溫層與龍骨架之間采用面與面接觸模擬,法向行為設置為“硬接觸”,切向行為設置摩擦系數(shù)等于0.6。

為了與試驗實際約束情況相符合,避免發(fā)生應力集中,在試件頂部、底部分別設置了剛性梁,約束頂部加載梁X、Y水平方向平動自由度和X、Y、Z方向轉動自由度(U1=U2=UR1=UR2=UR3=0),并在加載梁中心偏上100 mm處建立1個參考點,將加載梁頂面與該參考點進行耦合;對底梁,約束X、Y、Z方向平動自由度和X、Y、Z方向轉動自由度(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)。

2 試驗概況

本文進行了5片填充輕聚合物的輕鋼結構墻體軸壓性能試驗。墻體尺寸均為2 700 mm×1 200 mm,試件信息見表3所列。

冷彎薄壁龍骨架由立柱、剛性橫撐及頂、底導軌通過ST4.8級自鉆自攻螺釘拼裝組成。冷彎薄壁型鋼立柱為2 700 mm,頂、底導軌與橫向鋼撐為1 200 mm,所有試件的墻、架、柱均采用C形冷彎薄壁型鋼,規(guī)格為C89 mm×41 mm×11 mm×0.9 mm(腹板高度×翼緣寬度×卷邊寬度×板件厚度),頂、底導軌及剛性橫撐采用冷彎槽鋼,規(guī)格為U91 mm×51 mm×0.9 mm(腹板高度×翼緣寬度×板件厚度)。試件CTSFW4尺寸與構造如圖2所示(單位為mm)。

表3 試件主要參數(shù)

圖2 試件CTSFW4尺寸與構造

加載采用分級加載方式,加載值每級為根據(jù)規(guī)范計算得到的軸壓極限承載力的10%。試驗正式開始前,先對墻體進行預加載,加載值為軸壓極限承載力的10%～20%;預加載結束后再卸載,然后對墻體進行正式加載,每級荷載為5 kN;每級荷載加載完畢后持荷3 min,待試件變形和應變發(fā)展穩(wěn)定后再進行數(shù)據(jù)采集;試件加載直至破壞后停止加載。

試驗裝置如圖3所示。

圖3 軸壓試驗裝置

3 試驗驗證

(1) 軸壓荷載-軸向位移關系曲線。通過建立的填充輕聚合物的輕鋼結構墻體有限元分析模型,得到了冷彎薄壁型鋼龍骨架以及試件CTSFW1～ CTSFW5的軸壓荷載-軸向位移計算曲線,與試驗軸壓荷載(P)-軸向位移(δ)曲線進行比較,如圖4所示。

由圖4可知,填充輕聚合物的輕鋼結構墻體有限元分析計算曲線和試驗曲線的剛度和承載力在后期吻合較好。有限元模擬剛度在前期比試驗值偏大,其原因可能是,在試驗安裝過程中,填充輕聚合物輕鋼結構墻體的立柱與上、下導軌之間有安裝縫隙,從而引起試驗所得軸向最大位移偏大。

(2) 破壞模式和軸壓極限荷載。通過有限元計算模型分析,得到5個試件破壞典型特征,與試驗破壞現(xiàn)象對比如圖5所示。

由圖5可知,試件破壞模式的有限元結果與試驗結果吻合較好。

圖4 軸壓荷載-軸向位移曲線的計算結果與試驗結果對比

圖5 試件破壞模式的有限元計算結果與試驗結果對比

對于兩側無面板的試件CTSFW1、CTSFW2,立柱繞弱軸屈曲;兩側為石膏板的試件CTSFW3以及兩側分別為石膏板與石膏基保溫層的試件CTSFW5,立柱發(fā)生繞弱軸屈曲,石膏板在自攻螺釘連接處與立柱分離;兩側分別為纖維水泥板與水泥基保溫層的試件CTSFW4,立柱在自攻螺釘區(qū)連接處發(fā)生局部屈曲,試件底部面板翹起,填料壓潰。試驗破壞現(xiàn)象總結如下:① 立柱繞弱軸屈曲,伴隨畸變屈曲;② 墻體底部填料被壓潰;③ 墻體整體繞強軸彎曲變形;④ 面板與輕鋼龍骨分離;⑤ 自攻螺釘連接處輕鋼龍骨局部屈曲;⑥ 墻體底部面板與保溫層被壓潰;⑦ 墻體底部填料被壓碎。

將試驗極限承載力(Nt)和有限元極限承載力(NA)對比,見表4所列。

表4 復合墻體軸壓試驗與有限元模擬極限承載力對比

由表4可知,NA/Nt的平均值為1.02,方差為0.001。冷彎薄壁型鋼龍骨架承載力計算值為42 kN,填充輕聚合物的輕鋼結構墻體軸壓承載力是相同尺寸下冷彎薄壁型鋼骨架的2.59～7.90倍,墻體軸壓極限承載力提高幅度非常大。

由圖4和表4分析可得如下結論:

(1) 在沒有面板和保溫層的情況下,試件CTSFW2的軸壓極限承載力比試件CTSFW1高81.8%,由此可知,填料為水泥基輕聚合物的墻體相比于石膏基輕聚合物的墻體,其軸壓極限承載力有顯著提高。

(2) 兩側分別有面板與保溫層的情況下,試件CTSFW4的軸壓極限承載力比試件CTSFW3大100%,由此可知,面板、保溫層以及內部填料采用水泥基輕聚合物,其軸壓極限承載力遠大于面板、保溫層以及內部填料采用石膏基輕聚合物的復合墻體?？梢娞畛漭p聚合物的輕鋼結構墻體內填料類型、面板及保溫層等對其軸壓極限承載力有顯著的提高作用。

4 參數(shù)分析

基于有限元分析模型,本文設計了14個復合墻體試件,分析了面板類型、立柱間距、面板厚度、自攻螺釘間距對填充輕聚合物的輕鋼結構墻體軸壓性能的影響,各試件的具體參數(shù)及分析結果如圖6所示。

圖6 各參數(shù)對復合墻體軸壓荷載-軸向位移曲線影響

(1) 面板類型。在實際工程中填充輕聚合物的輕鋼結構墻體常用的面板類型有石膏板、纖維水泥板、膠合板、定向刨花板。本文選取這4種面板類型,研究不同面板類型對復合墻體軸壓性能影響。面板的材料力學性能參數(shù)見表5所列。分析時，以試件CTSFW1為標準計算模型。

表5 不同面板類型的材料力學性能參數(shù)

從圖6a可以看出,在曲線彈性階段,4種面板試件彈性軸壓剛度從大到小依次為纖維水泥板、膠合板、定向刨花板、石膏板。試件的豎向承載力隨著面板彈性模量的提高而顯著提高。相比于雙側覆有石膏板的復合墻體,雙側覆有纖維水泥板的復合墻體軸壓承載力提高了69.35%;雙側覆有膠合板的復合墻體軸壓承載力提高了64.52%;雙側覆有定向刨花板的復合墻體軸壓承載力提高了35.48%。

(2) 立柱間距。文獻[13]規(guī)定立柱間距一般采用400～600 mm。本文采用墻體寬度不變、增加和減少立柱個數(shù)的方法,分析立柱間距對復合墻體豎向承載力的影響,分析時以試件CTSFW1為標準計算模型。

從圖6b可以看出,立柱間距對復合墻體彈性軸壓剛度影響較小。相對于立柱間距為400 mm的復合墻體,立柱間距為600 mm時軸壓承載力提高了12.7%,立柱間距為450 mm時軸壓承載力提高了4.3%。

(3) 面板厚度?？紤]到纖維水泥板是填充輕聚合物的輕鋼結構墻體常用的一種面板材料,為反應面板厚度單因素變化對復合墻體軸壓性能影響,選用8、10、12、15 mm的纖維水泥板作為復合墻體的面板,分析時以試件CTSFW1為標準計算模型。

從圖6c可以看出,纖維水泥板厚度對復合墻體彈性階段軸壓剛度的提高作用很大,4種面板厚度試件軸壓剛度從大到小依次為:15 mm、12 mm、10 mm、8 mm,纖維水泥板厚度越大,對復合墻體軸壓剛度的貢獻也就越大。相對于面板厚度為8 mm的復合墻體,厚度為10、12、15 mm的纖維水泥板復合墻體軸壓承載力分別提高了8.3%、14.46%、22.77%。

(4) 自攻螺釘間距。選取冷彎薄壁立柱自攻螺釘間距150、300、600 mm進行參數(shù)分析,以試件CTSFW5為標準計算模型。

從圖6d可以看出,冷彎薄壁立柱自攻螺釘間距為150、300 mm的復合墻體在彈性階段的軸壓剛度相近,且都大于螺釘間距為600 mm的復合墻體軸壓剛度。

相比于螺釘間距為300 mm，150 mm的復合墻體軸壓承載力提高了4.9%;相比于螺釘間距為600 mm，150 mm的復合墻體軸壓承載力提高了13.64%。

5 結 論

(1) 本文建立了填充輕聚合物的輕鋼結構墻體有限元分析模型,研究了其在軸壓作用下的破壞模式和軸壓荷載-軸向位移曲線變化規(guī)律,將計算結果與試驗結果進行比較,驗證了模型的準確性和可靠性。

(2) 通過對比墻體軸壓試驗與墻體數(shù)值模型的破壞現(xiàn)象和荷載-應變曲線得知:兩側未覆有面板的墻體,立柱繞弱軸屈曲;兩側為石膏板、兩側分別為石膏板與石膏基保溫層的復合墻體,立柱發(fā)生繞弱軸屈曲,石膏板在自攻螺釘連接處與立柱分離;兩側為纖維水泥板以及水泥基保溫層的復合墻體,立柱在自攻螺釘區(qū)間內發(fā)生局部屈曲,墻體底部面板與填料被壓潰。

(3) 根據(jù)填充輕聚合物的輕鋼結構墻體有限元分析模型分析結果,相比于填料采用石膏基輕聚合物的墻體,填料采用水泥基輕聚合物的墻體軸壓承載力有顯著提高;相比于面板、保溫層以及內部填料采用石膏材料的復合墻體,面板、保溫層以及內部填料采用水泥材料的復合墻體的軸壓承載力有很大提高。

(4) 在驗證有限元模型正確性的基礎上,對影響填充輕聚合物輕鋼結構墻體的4個關鍵因素,即面板類型、立柱間距、面板厚度及自攻螺釘間距進行了變參數(shù)分析,結果表明,面板類型、面板厚度、自攻螺釘間距對復合墻體軸壓剛度以及軸壓承載力的影響較大,而立柱間距對墻體軸壓剛度影響較小。