轻钢龙骨夹芯复合外挂墙板抗弯性能参数化数值分析

谈成龙，完海鹰，陈安英

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，合肥 230009)

轻钢龙骨复合墙体质量轻、与主体结构连接方便可靠，并具有良好的保温隔热、防水、防火等优势，在钢结构住宅体系中作为围护结构使用。国内外对不同构造的复合墙体的承载性能进行了一系列研究，戎贤等[1]对聚苯板保温复合剪力墙板的抗弯性能进行了研究；封叶[2]研究了EPS颗粒-EPS板复合保温墙板的抗侧刚度，提出墙板的等效斜撑半径计算公式；MASOOD et al[3]，HAMMOUD et al[4]，YUZUGULLU[5]，EINEA et al[6]，LIAN[7]等对1组2片两侧覆石膏板的保温龙骨外围护墙体的抗弯性能进行了试验研究。

在轻钢龙骨复合墙体作为承重墙的研究中，李远瑛等[8]、江风波[9]对轻钢龙骨复合墙体在低周反复水平荷载作用下的抗侧性能进行了试验，分析了洞口、斜支撑、蒙皮对墙体抗侧力的影响。

在轻钢结构体系中，影响外挂墙体抗弯性能的因素较多。本文以由两层水泥纤维板+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，系统研究了龙骨钢材型号、方钢管壁厚、方钢管边长、龙骨间距、纤维水泥板厚度、板材类型等因素对墙体抗弯性能的影响。

1 有限元模型建立

1.1 试件设计

轻钢龙骨夹芯复合外挂墙板由水泥纤维板、聚氨酯硬泡和轻钢龙骨复合而成。为了研究其抗弯性能，设计了2种尺寸均为2 480 mm×3 000 mm、厚度为100 mm的墙板作为数值分析基本分析试件，分别为不开洞墙板和开洞墙板。开洞墙板是为了考虑实际门窗洞口的影响，洞口尺寸设计值为1 120 mm×1 420 mm，开洞率为21.4%；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的方形空心钢管，尺寸设置为80 mm×3 mm；横龙骨的内侧壁板通过切口与竖龙骨的端侧壁板焊接。墙板的两侧设置厚度为10 mm的水泥纤维板，与龙骨骨架通过自攻螺钉进行连接[10]。水泥纤维板和龙骨骨架的空隙填充聚氨酯硬泡材料。轻钢龙骨夹芯复合外挂墙板剖面如图1所示，龙骨骨架布置图如图2所示。

图1 墙板剖面图(单位：mm)

图2 龙骨布置图(单位：mm)

1.2 计算模型和基本假定

不开洞墙板为试件1，开洞墙板为试件2.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，满足Von-mises屈服准则；纤维水泥板弹性模量为5 000 MPa，屈服强度为14 MPa，泊松比为0.4；聚氨酯硬泡材料的屈服强度为178.56 kPa，弹性模量为39.4 MPa，泊松比为0.42.

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.模型涉及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模型的受力状态影响[11]。

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40 mm，纤维板和聚氨酯硬泡的单元长度取100 mm.墙板通过2个上节点和2个下节点与钢框架相连，对墙板的4个边角处设置为铰接。模型在一侧水泥纤维板上施加均布荷载模拟实际情况。

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，得到不开洞、开洞轻钢龙骨夹芯复合外挂墙板抗弯最大挠度处的水平均布荷载(p)-挠度(δ)关系曲线，如图4所示。

试件1不开洞轻钢龙骨夹芯复合外挂墙板的p-δ关系曲线中可以看出：在荷载小于7.50 kN/m2时，不开洞轻钢龙骨夹芯复合外挂墙板的挠度值随荷载呈线性变化，墙板处于弹性阶段，墙板的弹性刚度值为1.19 kN/mm；在荷载大于7.50 kN/m2之后，墙板由弹性阶段进入塑性阶段；荷载达到14.98 kN/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。

试件2开洞轻钢龙骨夹芯复合外挂墙板的p-δ关系曲线中可以看出：在荷载小于12.23 kN/m2时，开洞轻钢龙骨夹芯复合外挂墙板的挠度值随荷载呈线性变化，墙板处于弹性阶段，墙板的弹性刚度值为1.47 kN/mm；在荷载大于12.23 kN/m2之后，墙板由弹性阶段进入塑性阶段；荷载达到23.45 kN/m2，墙板破坏。开洞墙板的弹塑性变形能力较不开洞墙板有很大程度的提升。

2.2 墙板p-σ关系曲线

不开洞轻钢龙骨夹芯复合外挂墙板和开洞轻钢龙骨夹芯复合外挂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、图6所示。

图4 p-δ关系曲线

分析试件1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5.10 kN/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10.3 kN/m2时，支座约束面水泥纤维板四角支座处出现屈服；荷载达到13.9 kN/m2时，荷载加载面水泥纤维板左右边缘处出现屈服；荷载达到14.3 kN/m2时，芯材聚氨酯硬泡四角支座处出现屈服。

图5 试件1的p-σ关系曲线

图6 试件2的p-σ关系曲线

分析试件2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两边竖龙骨和中间偏下横龙骨交界处，对应荷载值为4.38 kN/m2.荷载达到6.88 kN/m2时，芯材聚氨酯硬泡四角支座处出现屈服；荷载值达到14.88 kN/m2时，支座约束面水泥纤维板四角支座处出现屈服；荷载达到18.38 kN/m2时，荷载加载面水泥纤维板部分自攻螺钉连接处出现屈服。

结合轻钢龙骨夹芯复合外挂墙板的p-δ关系曲线，可以得出结论：轻钢龙骨夹芯复合外挂墙板具有良好的整体刚度和弹塑性变形能力，其中开洞墙板在龙骨布置更为密集的情况下，保证了洞口边缘位置不首先发生破坏，且平均抗弯性能承载力高于不开洞墙板。

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外挂墙板抗弯性能的因素众多，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：轻钢龙骨钢材型号、方钢管壁厚、方钢管边长、轻钢龙骨间距、纤维水泥板厚度、面板板材类型，参数变化如表1.

表1 参数设置

3.2 方钢管规格

计算得到方钢管规格参数下墙板的p-δ关系曲线如图7所示。

对不同方钢管规格参数下墙板的p-δ关系曲线进行分析，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中看出，对于不开洞墙板，Q345，Q390，Q420钢材墙板抗弯极限荷载分别是Q235钢材墙板的1.23，1.33，1.36倍；对于开洞墙板，Q345，Q390，Q420钢材墙板抗弯极限荷载分别是Q235钢材墙板的1.2，1.27，1.3倍。

表3中得出，方钢管壁厚的增加显著地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。对于不开洞墙板，方钢管壁厚为3 mm，4 mm的墙板抗弯极限荷载分别是壁厚为2 mm的1.21，1.43倍，弹性刚度分别是壁厚为2 mm的1.35，1.65倍；对于开洞墙板，方钢管壁厚为3 mm，4 mm的墙板抗弯极限荷载分别是壁厚为2 mm的1.19，1.36倍，弹性刚度分别是壁厚为2 mm的1.19，1.38倍，不开洞墙板的提升较开洞墙板更为明显。

表4中看出，对于不开洞墙板，方钢管边长为80 mm，100 mm的墙板的抗弯极限荷载分别是边长为60 mm的墙板的1.35，1.44倍，弹性刚度分别是壁厚为2 mm的1.32，1.61倍；对于开洞墙板，方钢管边长为80 mm，100 mm的墙板的抗弯极限荷载分别相是边长为60 mm的墙板的1.11，1.19倍，弹性刚度分别是壁厚为2 mm的1.19，1.36倍。

图7 不同方钢管规格参数下墙板的p-δ关系曲线

表5中看出，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2 不同强度钢材墙板的抗弯极限荷载和弹性刚度

表3 不同方钢管壁厚墙板的抗弯极限荷载和弹性刚度

表4 不同方钢管边长墙板的抗弯极限荷载和弹性刚度

表5 不同轻钢龙骨间距墙板的抗弯极限荷载和弹性刚度

3.3 板材参数

建立板材参数下墙板的p-δ关系曲线，如图8所示。

对不同板材参数下墙板的p-δ关系曲线进行分析，可以得到墙板的抗弯极限荷载和弹性刚度，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，面板材料的优先性顺序为：胶合板(PLY)，水泥纤维板(FCB)，OSB板。

3.4 墙板规格选用

通过与不同类型参数下墙板的p-δ关系曲线、抗弯极限荷载和弹性刚度对比，分别计算两种基本风压下，30 m、50 m、100 m等3种不同的建筑高度共计6种不同的工程情况下最适宜的墙板规格，如表8所示。

表8 墙板规格选用

可以看出，建筑高度和风压均较高时，宜选用600 mm龙骨间距。

图8 不同板材参数下墙板的p-δ关系曲线

4 结论

通过建立轻钢龙骨夹芯复合外挂墙板p-δ关系曲线和分析不同参数对轻钢龙骨夹芯复合外挂墙板抗弯性能的影响，得到以下结论：

1) 分析墙板的p-δ和p-σ关系曲线可得，轻钢龙骨夹芯复合外挂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，面板材料的优先性顺序为：胶合板(PLY)，水泥纤维板(FCB)，OSB板。

4) 建筑高度和风压均较高时，宜选用600 mm龙骨间距。