潘廣東, 王靜峰,2, 賈莉莉, 汪皖黔, 龐 帥

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程結構與材料省級實驗室,安徽 合肥 230009)

冷彎薄壁型鋼結構具有輕質(zhì)環(huán)保、安裝簡便及成本低廉等優(yōu)點,已經(jīng)在日本、歐美等發(fā)達國家和地區(qū)得到廣泛應用[1]。盡管我國針對冷彎薄壁型鋼結構的研究與應用起步較晚,但是近年來國家大力支持發(fā)展裝配式建筑和綠色建筑,因此該結構體系今后在我國有著廣闊的發(fā)展空間和應用前景。作為冷彎薄壁型鋼結構體系的重要承重構件之一,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,如果設計和施工不合理,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的進一步發(fā)展。本文研究了一種新型裝配式墻板,即冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復合墻板,以C型冷彎薄壁型鋼為墻板龍骨架,兩側覆面板或保溫層,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-輕聚合物復合墻板彌補了其不足,顯著提升了墻板的保溫、隔熱、隔音及耐火性能,而且增強了墻板的承載能力和整體性。因此,該新型復合墻板可以作為低層房屋的承重墻板,也可以作為多、高層房屋的圍護墻板,具有良好的工程應用前景和推廣價值。

圖1 冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復合墻板構造

近年來,國內(nèi)外對于輕鋼龍骨墻板進行的大量試驗和理論研究主要集中在軸壓、抗剪、抗震性能方面[2-8],對抗彎性能的研究相對較少。文獻[9]以龍骨厚度和腹板高度為設計參數(shù),進行了12塊兩側為石膏板的輕鋼龍骨組合墻板的抗彎試驗研究;文獻[10]進行了兩側無面板、單側有面板、雙側有面板3種不同構造的輕鋼龍骨組合墻板的抗彎試驗研究;文獻[11-12]分別進行了不同構造的輕鋼龍骨墻板的抗彎試驗研究。

目前,針對冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復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,本文進行了6塊該復合墻板抗彎試驗,采用有限元分析軟件ABAQUS建立了復合墻板的數(shù)值分析模型,并驗證了數(shù)值分析模型的準確性,分析了鋼材強度、輕聚合物填料強度、面板類型以及面板厚度對復合墻板抗彎性能的影響,可為冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復合墻板應用和推廣提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗構件

本次冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復合墻板抗彎試驗共設計了6塊試件,其長度均為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型導軌以及1根橫向支撐通過ST4.8級自攻螺釘連接構成。其中,試件CSFW1、CSFW2龍骨架兩側無面板或保溫層;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。為方便觀察實驗現(xiàn)象,試件CFSW1、CFSW2兩側和試件CFSW3、CFSW4上側均用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、屈服強度為615 MPa。與試件采取相同條件養(yǎng)護的標準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)達到28 d齡期后,測得其彈性模量分別為600、400 MPa,抗壓強度分別為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,彎曲強度分別為17.25、5.20 MPa。

圖2 各試件示意圖

1.2 加載裝置、測點布置及破壞模式

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

圖3 試驗加載裝置和位移計布置

6塊復合墻板試件的破壞模式如下所述。兩側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面板以及保溫層是影響復合墻板彈性階段抗彎剛度的主要因素之一,而填料類型對其影響不大;試件CFSW5的抗彎剛度與CFSW4相比,提高61.9%,說明與受壓側為石膏板相比,受壓側為水泥基輕聚合物保溫層對復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%,說明填料類型對復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復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%,說明受拉側同為纖維水泥板時,在受壓側設水泥基輕聚合物保溫層對復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%,說明受拉側同為石膏板時,在受壓側設石膏板對復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-跨中撓度關系曲線

試件編號加載級數(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 材料本構關系

為了有效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[13]。輕聚合物填料采用文獻[14]中的本構關系模型,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)中材料力學性能試驗結果來取值。

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進行模擬,輕聚合物填料則采用三維實體單元C3D8R進行模擬。

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

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

3 試驗驗證

為了驗證有限元分析模型的正確性,本文對6塊復合墻板試件進行有限元模擬,并將有限元分析結果與試驗結果進行對比分析。復合墻板抗彎承載力的試驗值(Nt)和計算值(NA)見表3所列。

表3 抗彎承載力試驗值與計算值比較

抗彎承載力的計算值略大于試驗值,計算值與試驗值的比值為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確性,說明本文采用的有限元分析模型可以準確地分析冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復合墻板的抗彎性能。

各試件的荷載跨中撓度曲線對比如圖6所示。

圖6 各試件荷載-撓度關系的試驗曲線與計算曲線對比

4 參數(shù)分析

基于有限元分析模型,本文設計了14個復合墻板試件,分析了鋼材強度、輕聚合物填料強度、面板類型及面板厚度對冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復合墻體抗彎性能的影響。各試件的具體參數(shù)及分析結果見表4所列。各參數(shù)對墻板荷載-撓度關系曲線的影響如圖7所示。

(1) 鋼材強度。選取4種常用的鋼材,分別為Q235、Q345、Q420及Q550。不同鋼材強度對冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復合墻板的荷載-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-輕聚合物復合墻板抗彎剛度隨著鋼材強度增加而有所增加,但并不顯著。隨著荷載逐級增加,曲線進入塑性階段,在塑性階段,相同荷載作用下鋼材強度高的復合墻板撓度明顯減小。

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

(2) 輕聚合物填料強度。冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復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,選取抗壓強度分別為2.1、5.0、10.0 MPa的3種水泥基輕聚合物填料進行分析,得到荷載-跨中撓度曲線如圖7b所示。輕聚合物填料強度增加對復合墻板荷載-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)對墻板荷載-撓度關系曲線的影響

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

表5 不同面板類型的材料特性

與兩側為石膏板的復合墻板相比,兩側為定向結構刨花板的復合墻板抗彎承載力提高9.12%,兩側為纖維水泥板的復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,復合墻板彈性階段抗彎剛度和抗彎承載力也不斷增加,但達到極限荷載時所對應的撓度逐漸減小,其延性逐漸降低。與面板厚度為8 mm的復合墻板相比,面板厚度為12、15、20 mm的復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 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) 冷彎薄壁型鋼兩側設置面板或保溫層可以提高復合墻板的抗彎承載力和抗彎剛度。相比于兩側無面板或保溫層的復合墻板,兩側有面板或保溫層的復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%。兩側有面板或保溫層的復合墻板的抗彎承載力和抗彎剛度的增長幅度與面板和保溫層類型有關。

(3) 基于ABAQUS軟件,選擇合適的本構關系、單元類型以及接觸條件,建立了冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復合墻板的有限元分析模型,將計算結果與試驗結果進行比較,驗證了模型的準確性以及可靠性。

(4) 影響冷彎薄壁型鋼-輕聚合物復合墻板均布荷載作用下抗彎承載力的主要因素有鋼材強度和面板類型;面板類型和面板厚度是影響復合墻板抗彎剛度的主要因素,而鋼材強度對復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-輕聚合物復合墻板在彈性階段的抗彎剛度,但是降低了復合墻板的延性。