轻钢龙骨夹芯复合墙板平面外承载性能数值分析

胡晨，张慧洁，陈安英

（1.国网安徽省电力有限公司经济技术研究院，安徽 合肥 230061；2.合肥工业大学，安徽 合肥 230009）

0 前言

轻钢龙骨复合墙体由轻钢骨架、填芯材料以及内外表面板材组成，常用于低层住宅承重墙。近年来，随着国家对装配式钢结构住宅建筑发展的重视，基于轻钢龙骨夹心复合墙板具有良好的保温隔热、防水、防火等优势，在多高层建筑中应用轻钢龙骨夹心复合墙板作为围护墙体成为了一个新的发展方向[1-3]。

轻钢龙骨夹心复合墙板通过挂件节点与主体结构相连接，在地震、风荷载作用下墙板平面外的承载能力是决定其安全使用的一个关键因素[4-5]。论文以由水泥纤维板+轻钢龙骨+聚氨酯硬泡组成的轻钢龙骨夹芯新型复合墙板为研究对象，采用数值模拟计算方法，对轻钢龙骨规格、钢管壁厚、钢管边长、龙骨布置间距、面板厚度、面板板材类型等因素对点式连接边界条件下轻钢龙骨夹心复合墙板平面外承载性能进行数值分析研究。

1 模型建立

1.1 试件设计

轻钢龙骨夹芯复合墙板由水泥纤维板、聚氨酯硬泡和轻钢龙骨复合而成，为了研究其平面外承载性能，以边长2480mm×3000mm，厚度为100mm的墙板作为数值分析基本模型。墙板四周和中间部分设置轻钢龙骨骨架，以提高墙板的整体强度和刚度，骨架分为横龙骨和竖龙骨，采用钢材为Q235的方钢管，尺寸设置为80×3mm，横向龙骨的内侧壁板通过切口与竖向龙骨的端侧壁板焊接。墙板的两侧为厚度10mm的水泥纤维板，与钢管龙骨骨架通过进行连接。夹芯材料为聚氨酯硬泡材料。墙板剖面如图1所示，龙骨骨架布置图如图2所示。

图1 墙板剖面图

图2 龙骨布置图

1.2 计算模型和基本假定

利用有限元分析软件ABAQUS对两种试件建立计算模型，如图3所示。

图3 试件模型

钢材的应力-应变关系曲线模型采用二次塑流模型；纤维水泥板弹性模量为5000MPa，屈服强度为14MPa，泊松比为0.4；聚氨酯硬泡材料的屈服强度为178.56kPa，弹性模量为 39.4MPa，泊松比为 0.42[6-7]。

模型中龙骨、纤维板、聚氨酯硬泡单元类型均采用实体单元C3D8R。模型设计到的接触问题较为复杂，分析前需要对模型做出以下假定。

①假定横龙骨与竖龙骨之间的焊缝不会破坏，横、竖龙骨形成一个整体；

②假定龙骨骨架与水泥纤维板之间的自攻螺钉连接可靠；

③忽略自攻螺钉开孔对于模型的受力状态影响。

1.3 接触和边界条件

龙骨骨架与聚氨酯硬泡之间、水泥纤维板与聚氨酯硬泡之间设置为“表面与表面接触”，龙骨骨架和水泥纤维板之间设置为点TIE连接，龙骨之间设置为TIE连接，考虑骨架为一个整体，采用结构化方法划分网格，骨架单元长度取40mm，纤维板和聚氨酯硬泡的单元长度取100mm。墙板通过两个上节点和两个下节点与钢框架相连，对墙板的4个边角处设置为铰接。

2 基本试件数值分析结果

2.1 墙板P-δ关系曲线

通过研究水平荷载作用下两种墙板的响应，得到轻钢龙骨夹芯复合墙板水平均布荷载（P）-挠度（δ）关系曲线如图4所示。

图4 P-δ关系曲线

轻钢龙骨夹芯复合墙板的P-δ关系曲线中可以看出，在荷载小于7.50kN/m2时，轻钢龙骨夹芯复合墙板的挠度值随荷载呈线性变化，墙板的弹性刚度值为1.19kN/mm，在荷载大于7.50kN/m2之后，墙板由弹性阶段进入塑性阶段，荷载达到14.98kN/m2时，墙板破坏。墙板的塑性阶段较长，有良好的塑性变形能力，适合作为钢框架围护结构使用。

2.2 墙板P-σ关系曲线

轻钢龙骨夹芯复合墙板各个部件最大应力处的水平均布荷载（P）-应力（σ）关系曲线如图5、6所示。

图5 试件1P-σ关系曲线

在龙骨骨架P-σ关系曲线中，出现应力屈服点的部位为骨架中间竖龙骨的中点处，对应荷载值为5.10kN/m2，随着水平荷载线性增加，应力屈服部位由中间竖龙骨中点向两侧扩展。荷载值达到10.3kN/m2时，支座板四角支座处出现屈服；荷载达到13.9kN/m2时，荷载加载侧板左右边缘处出现屈服；荷载达到14.3kN/m2时，芯材聚氨酯硬泡四角支座处出现屈服。

分析可以得出结论，轻钢龙骨夹芯复合墙板具有良好的整体刚度和弹塑性变形能力。

3 参数化数值分析

3.1 参数设置

工程设计中影响轻钢龙骨夹芯复合墙板平面外承载性能的因素众多，为了充分考虑这些因素对于实际工程设计的影响，建立各参数下墙板的P-δ关系曲线，参数包括轻钢龙骨规格、钢管壁厚、钢管边长、龙骨布置间距、面板厚度、面板板材类型，参数变化如表1。

表1 参数设置

3.2 钢管规格

计算可以得到墙板的抗弯极限荷载和弹性刚度如表2～表5所示。

表2中得出，钢材屈服强度为Q345、Q390、Q420的墙板抗弯极限荷载分别是Q235钢材墙板的1.23、1.33、1.36 倍。

表2 不同强度钢材墙板的抗弯极限荷载和弹性刚度

从表3中得出，方钢管壁厚的增加显著的提升了墙板的弹性刚度和弹性阶段的时间，进而提升了墙板的抗弯能力，塑性阶段时间基本保持不变。方钢管壁厚为3mm、4mm的墙板抗弯极限荷载分别是壁厚为2mm的1.21、1.43倍，弹性刚度分别是壁厚为2mm的1.35、1.65 倍。

表3 不同钢管壁厚墙板的抗弯极限荷载和弹性刚度

从表4中得出，方钢管边长为80mm、100mm的墙板的抗弯极限荷载分别相是边长为60mm的墙板的1.35、1.44倍，弹性刚度分别是壁厚为2mm的1.32、1.61 倍。

表4 不同钢管边长墙板的抗弯极限荷载和弹性刚度

从表5中得出，随着间距减小，龙骨骨架增多，墙板的抗弯极限荷载与弹性刚度有所增加，但是增加幅度逐渐减小，工程设计中可根据造价适量减小龙骨间距，合理运用材料。

表5 不同龙骨间距墙板的抗弯极限荷载和弹性刚度

3.3 板材参数

对不同板材参数下墙板的计算结果进行分析，可以得到墙板的极限荷载和刚度如表6、表7所示。

表6 不同纤维水泥板厚度墙板的抗弯极限荷载和弹性刚度

表7 不同面板材料特性的墙板的抗弯极限荷载和弹性刚度

水泥板厚度的增大以及面板材料的选取对墙板的弹性刚度增幅不明显，抗弯极限荷载有小幅度提高，面板材料的优先性为胶合板（PLY）最优，水泥纤维板（FCB）次之，欧松板（OSB）最小。

4 结论

采用数值模拟方法，通过建立轻钢龙骨夹芯复合墙板荷载-挠度关系曲线和分析不同参数对轻钢龙骨夹芯复合墙板平面外承载性能的影响，得到以下结论。

①计算分析可得轻钢龙骨夹芯复合墙板具有良好的整体刚度和弹塑性变形能力。

②方钢管规格参数的优化对墙板抗弯极限荷载和弹性刚度的提升幅度约在20%～40%。

③板材参数的优化对墙板的弹性刚度增幅不明显，抗弯极限荷载有所提高，面板材料的优先性为胶合板（PLY）＞水泥纤维板（FCB）＞OSB板。