内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架结构数值分析

宋慧慧, 王静峰,2, 丁兆东,2, 汪皖黔, 过 勇

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程结构和材料安徽省级实验室,安徽 合肥 230009)

随着我国建筑工业化的快速推进和发展,钢框架结构体系具有自重轻、强度高、抗震能力强、施工快、绿色环保、建造周期短等优点,因而广泛应用于多高层建筑[1]。现有预制墙板由于自重大、装配难且地震作用下难以与钢结构体系共同受力。钢筋网格玻化微珠泡沫混凝土(steel-grid vitrified microsphere foamed concrete,SVMFC)夹芯复合墙板,面板为纤维水泥板,在墙板中间部位插入钢筋网格片,在上下面板之间浇筑玻化微珠泡沫混凝土芯材而制成的节能轻质夹芯复合墙板。SVMFC夹芯复合墙板上下端预留槽口,通过钢梁上焊接的角钢与墙板槽口内钢筋进行焊接,将内嵌墙板与钢框架可靠连接在一起,如图1所示,具体构造参考文献[2]。作为一种新型装配式复合墙板,SVMFC夹芯复合墙板自重轻,且具有一定承载能力及变形能力,与钢框架协同工作良好,在装配式钢结构建筑中具有良好的应用前景。

图1 内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架结构

目前,对预制轻质墙板或复合墙板受力性能已经开展了大量试验和理论研究,但是外挂式内嵌预制墙板钢框架结构的抗震性能研究较少见。文献[3]研究了蒸压轻质混凝土(autoclaved lighweight concrete,ALC)墙板采用不同安装方式对钢框架抗震性能的影响；文献[4]对ALC墙板与钢框架连接节点的抗震性能进行了有限元分析研究；文献[5-7]对钢管混凝土框架与轻质墙板的协同抗震性能进行了试验研究。然而目前国内外对内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架结构的连接构造和抗震性能研究并不多。

本文通过ABAQUS软件建立内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架结构有限元分析模型,分析了地震作用下的整体结构破坏模式和受力机理，利用试验结果验证了有限元分析模型的合理性与正确性。对影响结构性能变化的材料参数、材料类型、几何参数等进行分析,并研究了SVMFC夹芯复合墙板开窗洞、门洞对结构的抗震性能影响。研究成果将为SVMFC夹芯复合墙板在钢结构建筑中设计和施工提供科学依据。

1 数值分析模型

1.1 计算模型

采用ABAQUS软件建立了内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架结构有限元分析模型。钢柱、钢梁焊接端板、水泥纤维面板、玻化微泡沫混凝土、钢筋网格、焊接角钢和螺栓采用八节点三维实体单元C3D8R模拟。经过试算,确定了合理的网格密度,有限元模型和网格划分如图2所示。

图2 有限元计算模型

本文作如下基本假定:① 连接角钢与钢筋网格、钢梁的焊缝质量良好,不会发生脆性破坏;② 水泥纤维面板与玻化微珠泡沫混凝土连接牢固,忽略螺钉开孔对纤维水泥板的影响;③ 螺栓和连接板、H型钢梁连接可靠,螺栓不会滑出螺栓孔;④ 钢筋网格嵌入玻化微珠泡沫混凝土中,两者之间没有滑移。

1.2 材料模型

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。根据文献[8],纤维水泥板弹性模量为5 000 MPa,屈服强度为14 MPa,泊松比为0.2。同时考虑水泥在面板中属性作用,采用伤因子来模拟纤维水泥板的开裂。通过材性试验得知SVMFC立方体抗压强度为1.61 MPa,干密度为500 kg/m3,导热系数为0.094 29 m2·K。根据文献[9],玻化微珠泡沫混凝土的弹性模量为500 MPa,泊松比为0.2。

1.3 边界条件和加载方式

钢柱的顶端与底端采用固接,在有限元分析模型中的边界条件如下:柱底端界面U1=U2=U3=0,θx=θy=θz=0,采用收敛性较好的Newton-Raphson增量迭代法求解。

对于钢管柱与墙板、墙板与墙板、墙板与钢梁、面板和玻化微珠泡沫混凝土填料之间的接触,采用硬接触模拟法向接触行为,界面的切向力计算采用库伦摩擦模型,并考虑界面黏结的影响。连接角钢与上下钢梁及槽口处钢筋均互相作用定义为“绑定”接触。钢筋网格与玻化微珠泡沫混凝土填料之间的连接锚固采用“内置区域”嵌入于整个模型。

分别对柱顶和梁端施加轴向荷载和水平荷载。在分析模型中可设置2个分析步来模拟荷载施加:① 对钢框架柱顶(加载梁)施加竖向荷载；② 保持分析步①结束时的竖向荷载值不变,侧面耦合到参考点,以位移控制的方式对墙体结构施加水平推力。

2 试验验证

试件PSVM1和PSVM2的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线和破坏形态如图3～图6所示,可得有限元计算结果与试验结果吻合程度较高。

图3 滞回曲线的计算值和试验值结果比较

图4 骨架曲线计算值和试验值结果比较

图5 试件PSVM1破坏模态的试验和计算结果比较

图6 试件PSVM2破坏模态的试验和计算结果比较

3 参数分析

本文分别研究了钢框架钢材屈服强度fy、玻化微珠泡沫混凝土抗压强度fcu、墙板内置钢筋屈服强度、墙面板类型、墙板厚度t和梁柱线刚度比ki对内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架结构受力性能的影响规律,结果见表1所列、如图7所示。

表1 低周反复作用下预制内嵌SVMFC夹芯复合墙板钢框架有限元计算参数

图7 各参数对内嵌屈服SVMFC夹芯复合墙板钢框架荷载-位移曲线影响

3.1 钢框架钢材屈服强度

在其他参数不变的情况下,选取工程中常用的4种钢材屈服强度235、345、420、550 MPa,研究不同钢材屈服强度对内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架结构力学性能的影响。结果表明：当钢框架钢材屈服强度fy为345、420、550 MPa时，结构的水平极限承载力比钢框架钢材屈服强度fy=235 MPa时分别提高了29.13%、56.74%、87.03%;弹性刚度分别提高了4.16%、5.15%、6.84%；钢框架钢材屈服强度对内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架结构的承载力影响较大,但对结构的弹性刚度影响不大。

3.2 玻化微珠泡沫混凝土抗压强度

在其他参数不变的情况下,本文选取4种不同抗压强度1.61、5.00、10.00、15.00 MPa,研究不同抗压强度泡沫混凝土芯材对结构力学性能的影响。

结果表明，玻化微珠泡沫混凝土芯材抗压强度为5.00、10.00、15.00 MPa时,结构的水平极限承载力比抗压强度为1.61 MPa时分别提高了22.16%、47.95%、69.53%，弹性刚度分别提高了9.22%、14.07%、19.82%；内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架结构的水平极限承载力和弹性刚度随着玻化微珠泡沫混凝土芯材抗压强度的增加均有所提高。

3.3 墙板内置钢筋屈服强度

本文中复合墙板的内置钢筋是墙板与钢框架连接的重要部件,选取常用的屈服强度为335、400、500 MPa的钢筋,研究不同屈服强度内置钢筋屈服强度对结构力学性能的影响。

结果表明，钢筋屈服强度为335 MPa时,结构的水平极限承载力比钢筋屈服强度为400 MPa时降低了2.81%;钢筋屈服强度为500 MPa时,结构的水平极限承载力比钢筋屈服强度为400 MPa时提高了1.54%。因此可知内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架结构的水平极限承载力随墙板内置连接钢筋屈服强度增加而增加,但增加幅度较小,弹性刚度几乎保持不变。

3.4 墙面板类型

常用的墙面板的材料特性见表2所列,本文研究不同墙面板类型对内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架结构力学性能的影响。

表2 不同墙面板的材料特性

结果表明:内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板采用PLY板、FCB板、OSB板时,其钢框架结构的水平极限承载力比采用GWB板分别提高了46.04%、26.55%、19.14%，弹性刚度分别提高了47.29%、21.42%、19.25%；采用PLY面板时结构的水平极限承载力和弹性刚度最大,采用GWB面板时结构的水平极限承载力和弹性刚度最小。在实际工程中,上述结果可为内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架结构的墙板面板选用提供参考依据。

3.5 墙板厚度

本文选取厚度为100、150、200 mm 3种常用的内嵌墙板,研究内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架结构力学性能随内嵌复合墙板厚度的变化规律。结果表明，墙板厚度t为150、200 mm比100 mm时结构的极限承载分别提高了13.50%、25.26%,弹性刚度则分别提高了15.31%、33.14%;结构的水平极限承载力和弹性刚度随着墙板厚度的增大而提高。

3.6 梁柱线刚度比

通过改变梁柱截面来获得不同数值的梁柱线刚度比,选取ki=1.2、1.8、2.4研究内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架结构力学性能随梁柱线刚度比大小的变化规律。结果表明，当ki=1.8、2.4时,其极限承载分别比ki=1.2时提高14.74%和28.75%,弹性刚度分别比ki=1.2时提高13.75%和27.96%；随着梁柱线刚度比的增大,结构的水平极限承载力和弹性刚度有所增大。

4 开洞探讨

墙板开洞在实际工程中是很常见的,结构的刚度与承载力也会随着开洞位置及开洞率大小的变化而变化。因此,有必要研究内墙板开洞对整体结构受力性能的影响[10]。

4.1 墙板开窗洞探讨

SVMFC夹芯复合墙板的开窗洞率用αw表示,αw=Aw/A0其中,Aw、A0分别为开窗洞口面积、完好墙板面积。窗洞的下边缘距底梁0.9 m,取窗洞宽L为1.8 m(αw=37.70%)、2.4 m(αw=50.27%)、3.6 m(开全窗αw=75.41%)、空框架(αw=100%)、不开洞(αw=0)。内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架结构的P-Δ骨架曲线随墙板窗洞开洞率的变化如图8所示。从图8可得出结构的水平极限承载力Pm和弹性刚度Ke，见表3所列。

图8 不同窗洞开洞率下结构的P-Δ曲线

结果表明,当αw=37.70%、50.27%、75.41%、100%时,结构水平极限承载力比αw=0(不开洞)时分别下降18.13%、25.73%、31.35%、40.16%,弹性刚度分别下降23.19%、34.19%、45.97%、47.87%。内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架结构的水平极限承载力与弹性刚度随着墙板开窗洞口的增大均降低。

表3 不同窗洞开洞率板结构的Pm、Ke

4.2 墙板开门洞探讨

内嵌复合墙板的开门洞率用αd表示,αd=Ad/A0其中,Ad、A0分别为开门洞口面积、完好墙板面积。门洞边缘与柱子距离0.3 m,门洞高2.05 m,取门洞宽。未开洞(αd=0)、L=0.9 m(αd=21.52%)、1.8 m(αd=43.03%)和空框架(αd=100%)内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架结构的P-Δ骨架曲线随墙板门洞开洞率变化情况如图9所示。从图9可得出结构的水平极限承载力Pm和弹性刚度Ke，见表4所列。

图9 不同门洞开洞率下结构的P-Δ曲线

表4 不同门洞开洞率结构的Pm、Ke

结果表明，当αd为1.52%、43.03%、100%时,结构水平极限承载力比αd为0(即不开洞)时分别下降17.03%、24.74%、40.16%,弹性刚度分别下降13.58%、27.25%、47.87%。内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架结构的水平极限承载力和弹性刚度随着墙板开门洞口的增大均降低。

5 结 论

本文建立的内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架结构有限元计算模型,考虑了几何、材料非线性和接触问题。通过试验结果验证了有限元分析模型的合理性和准确性,可用于内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架的设计与计算。

通过有限元参数分析结果可知，钢材的屈服强度fy、玻化微珠泡沫混凝土的抗压强度fcu、复合墙面板类型、墙板厚度t、梁柱线刚度比ki对内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架结构的水平极限承载力与弹性刚度影响比较大。

对于内嵌预制SVMFC夹芯复合墙板钢框架结构,按照建筑功能的要求,在墙板上开窗洞或者门洞。随着开洞率的增大,结构的水平极限承载力与弹性刚度均减小。