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(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安徽先進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)與產(chǎn)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(jié)構(gòu)是一種以輕鋼龍骨架和輕質(zhì)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(hù)結(jié)構(gòu)的墻體體系,這種冷彎薄壁型鋼住宅體系已經(jīng)在美國(guó)、歐洲、日本、澳洲等發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛推廣與應(yīng)用。研究表明,該結(jié)構(gòu)體系具有質(zhì)量輕、節(jié)約材料、構(gòu)配件質(zhì)量和生產(chǎn)能力高等優(yōu)點(diǎn),但墻體的隔音、隔熱、保溫等方面性能仍有待改進(jìn)和創(chuàng)新[1-4]。另外,由于我國(guó)大多數(shù)居民習(xí)慣于傳統(tǒng)磚混結(jié)構(gòu),此類墻體在我國(guó)的應(yīng)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(guó)內(nèi)研究者提出在冷彎薄壁型鋼龍骨架內(nèi)填筑保溫材料,形成復(fù)合墻體,可以提高墻體強(qiáng)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(nèi)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(nèi)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(cè)噴涂輕質(zhì)砂漿[5-6];② 在冷彎薄壁型鋼龍骨架區(qū)格內(nèi)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(cè)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(qiáng)、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(jié)構(gòu)墻體。

目前,針對(duì)填充輕聚合物的輕鋼結(jié)構(gòu)墻體的力學(xué)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(jié)構(gòu)墻體有限元分析模型,通過軸壓試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性;進(jìn)行了軸壓作用下復(fù)合墻體的參數(shù)分析,研究了各參數(shù)對(duì)復(fù)合墻體軸壓性能的影響,揭示了軸壓作用下復(fù)合墻體的破壞模式,分析了軸壓荷載-位移關(guān)系曲線。研究結(jié)果可為填充輕聚合物的輕鋼結(jié)構(gòu)墻體應(yīng)用與理論分析提供科學(xué)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(jié)構(gòu)墻體有限元分析模型,包括立柱、導(dǎo)軌、橫撐、內(nèi)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(dǎo)軌屬于薄壁構(gòu)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(diǎn)三維C3D8R實(shí)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(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;輕聚合物填料采用文獻(xiàn)[8]中的本構(gòu)關(guān)系模型;面板假定為各向同性材料[9-10]。材料物理力學(xué)性能參數(shù)根據(jù)前期材料性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(xué)性能參數(shù)

表2 保溫層和填料材料物理力學(xué)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(dǎo)軌的交線均采用點(diǎn)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(yàn)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(diǎn)與面tie連接方式模擬;而試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)自攻螺釘模擬[11]。在自攻螺釘平面內(nèi),彈簧單元的荷載-位移曲線取自相應(yīng)的連接件試驗(yàn);在自攻螺釘平面外,認(rèn)為彈簧單元的剛度無窮大。

參考文獻(xiàn)[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(shè)置為“硬接觸”,切向行為設(shè)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(shè)置為“硬接觸”,切向行為設(shè)置摩擦系數(shù)等于0.6。

為了與試驗(yàn)實(shí)際約束情況相符合,避免發(fā)生應(yīng)力集中,在試件頂部、底部分別設(shè)置了剛性梁,約束頂部加載梁X、Y水平方向平動(dòng)自由度和X、Y、Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)參考點(diǎn),將加載梁頂面與該參考點(diǎn)進(jìn)行耦合;對(duì)底梁,約束X、Y、Z方向平動(dòng)自由度和X、Y、Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)。

2 試驗(yàn)概況

本文進(jìn)行了5片填充輕聚合物的輕鋼結(jié)構(gòu)墻體軸壓性能試驗(yàn)。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(dǎo)軌通過ST4.8級(jí)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(dǎo)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(dǎo)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(gòu)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(gòu)造

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

試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 軸壓試驗(yàn)裝置

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

(1) 軸壓荷載-軸向位移關(guān)系曲線。通過建立的填充輕聚合物的輕鋼結(jié)構(gòu)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(jì)算曲線,與試驗(yàn)軸壓荷載(P)-軸向位移(δ)曲線進(jìn)行比較,如圖4所示。

由圖4可知,填充輕聚合物的輕鋼結(jié)構(gòu)墻體有限元分析計(jì)算曲線和試驗(yàn)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(yàn)值偏大,其原因可能是,在試驗(yàn)安裝過程中,填充輕聚合物輕鋼結(jié)構(gòu)墻體的立柱與上、下導(dǎo)軌之間有安裝縫隙,從而引起試驗(yàn)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(jì)算模型分析,得到5個(gè)試件破壞典型特征,與試驗(yàn)破壞現(xiàn)象對(duì)比如圖5所示。

由圖5可知,試件破壞模式的有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

圖4 軸壓荷載-軸向位移曲線的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖5 試件破壞模式的有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

對(duì)于兩側(cè)無面板的試件CTSFW1、CTSFW2,立柱繞弱軸屈曲;兩側(cè)為石膏板的試件CTSFW3以及兩側(cè)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(cè)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(yàn)破壞現(xiàn)象總結(jié)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(qiáng)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(yàn)極限承載力(Nt)和有限元極限承載力(NA)對(duì)比,見表4所列。

表4 復(fù)合墻體軸壓試驗(yàn)與有限元模擬極限承載力對(duì)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(jì)算值為42 kN,填充輕聚合物的輕鋼結(jié)構(gòu)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(jié)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(cè)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(nèi)部填料采用水泥基輕聚合物,其軸壓極限承載力遠(yuǎn)大于面板、保溫層以及內(nèi)部填料采用石膏基輕聚合物的復(fù)合墻體?？梢娞畛漭p聚合物的輕鋼結(jié)構(gòu)墻體內(nèi)填料類型、面板及保溫層等對(duì)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(shè)計(jì)了14個(gè)復(fù)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(duì)填充輕聚合物的輕鋼結(jié)構(gòu)墻體軸壓性能的影響,各試件的具體參數(shù)及分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 各參數(shù)對(duì)復(fù)合墻體軸壓荷載-軸向位移曲線影響

(1) 面板類型。在實(shí)際工程中填充輕聚合物的輕鋼結(jié)構(gòu)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(duì)復(fù)合墻體軸壓性能影響。面板的材料力學(xué)性能參數(shù)見表5所列。分析時(shí)，以試件CTSFW1為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算模型。

表5 不同面板類型的材料力學(xué)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(cè)覆有石膏板的復(fù)合墻體,雙側(cè)覆有纖維水泥板的復(fù)合墻體軸壓承載力提高了69.35%;雙側(cè)覆有膠合板的復(fù)合墻體軸壓承載力提高了64.52%;雙側(cè)覆有定向刨花板的復(fù)合墻體軸壓承載力提高了35.48%。

(2) 立柱間距。文獻(xiàn)[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(gè)數(shù)的方法,分析立柱間距對(duì)復(fù)合墻體豎向承載力的影響,分析時(shí)以試件CTSFW1為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算模型。

從圖6b可以看出,立柱間距對(duì)復(fù)合墻體彈性軸壓剛度影響較小。相對(duì)于立柱間距為400 mm的復(fù)合墻體,立柱間距為600 mm時(shí)軸壓承載力提高了12.7%,立柱間距為450 mm時(shí)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(jié)構(gòu)墻體常用的一種面板材料,為反應(yīng)面板厚度單因素變化對(duì)復(fù)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(fù)合墻體的面板,分析時(shí)以試件CTSFW1為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算模型。

從圖6c可以看出,纖維水泥板厚度對(duì)復(fù)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(duì)復(fù)合墻體軸壓剛度的貢獻(xiàn)也就越大。相對(duì)于面板厚度為8 mm的復(fù)合墻體,厚度為10、12、15 mm的纖維水泥板復(fù)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(jìn)行參數(shù)分析,以試件CTSFW5為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)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(fù)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(fù)合墻體軸壓剛度。

相比于螺釘間距為300 mm，150 mm的復(fù)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(fù)合墻體軸壓承載力提高了13.64%。

5 結(jié) 論

(1) 本文建立了填充輕聚合物的輕鋼結(jié)構(gòu)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(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)確性和可靠性。

(2) 通過對(duì)比墻體軸壓試驗(yàn)與墻體數(shù)值模型的破壞現(xiàn)象和荷載-應(yīng)變曲線得知:兩側(cè)未覆有面板的墻體,立柱繞弱軸屈曲;兩側(cè)為石膏板、兩側(cè)分別為石膏板與石膏基保溫層的復(fù)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(cè)為纖維水泥板以及水泥基保溫層的復(fù)合墻體,立柱在自攻螺釘區(qū)間內(nèi)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(jié)構(gòu)墻體有限元分析模型分析結(jié)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(nèi)部填料采用石膏材料的復(fù)合墻體,面板、保溫層以及內(nèi)部填料采用水泥材料的復(fù)合墻體的軸壓承載力有很大提高。

(4) 在驗(yàn)證有限元模型正確性的基礎(chǔ)上,對(duì)影響填充輕聚合物輕鋼結(jié)構(gòu)墻體的4個(gè)關(guān)鍵因素,即面板類型、立柱間距、面板厚度及自攻螺釘間距進(jìn)行了變參數(shù)分析,結(jié)果表明,面板類型、面板厚度、自攻螺釘間距對(duì)復(fù)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(duì)墻體軸壓剛度影響較小。