填充轻聚合物的轻钢结构墙体轴压性能数值分析

宋慧慧,王静峰,2,丁兆东,2,汪皖黔,肖亚明,2

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.安徽先进钢结构技术与产业化协同创新中心,安徽 合肥 230009)

传统的冷弯薄壁型钢墙体结构是一种以轻钢龙骨架和轻质墙面板(如石膏板、定向刨花板、彩涂板、纤维水泥板、薄钢板等)通过自攻螺钉连接共同作为承重和维护结构的墙体体系,这种冷弯薄壁型钢住宅体系已经在美国、欧洲、日本、澳洲等发达国家广泛推广与应用。研究表明,该结构体系具有质量轻、节约材料、构配件质量和生产能力高等优点,但墙体的隔音、隔热、保温等方面性能仍有待改进和创新[1-4]。另外,由于我国大多数居民习惯于传统砖混结构,此类墙体在我国的应用和推广受到了一定限制。

近年来,为了改善传统冷弯薄壁型钢墙体的不足,国内研究者提出在冷弯薄壁型钢龙骨架内填筑保温材料,形成复合墙体,可以提高墙体强度,明显改善墙体隔音、保温、隔热的效果。目前,在冷弯薄壁型钢龙骨架内填筑的保温材料主要有2种类型:① 在冷弯薄壁型钢骨架区格内放置一定规格的聚苯乙烯泡沫(expanded polystyrene,EPS)板,然后在龙骨与EPS板之间以及骨架外侧喷涂轻质砂浆[5-6];② 在冷弯薄壁型钢龙骨架区格内部喷涂轻聚合物填料(石膏基轻聚合物或水泥基轻聚合物),然后在龙骨外侧喷涂保温层或安装墙面板[7]。与第1类墙体相比,第2类墙体的施工灵活性更强、墙体整体性更好、装配率更高,本文主要研究第2类填充轻聚合物的轻钢结构墙体。

目前,针对填充轻聚合物的轻钢结构墙体的力学性能研究较少。为了解该墙体的轴压性能,本文通过ABAQUS有限元分析软件,建立了填充轻聚合物的轻钢结构墙体有限元分析模型,通过轴压试验结果验证了有限元分析结果的准确性;进行了轴压作用下复合墙体的参数分析,研究了各参数对复合墙体轴压性能的影响,揭示了轴压作用下复合墙体的破坏模式,分析了轴压荷载-位移关系曲线。研究结果可为填充轻聚合物的轻钢结构墙体应用与理论分析提供科学依据。

1 有限元分析模型

1.1 单元选取、网格划分及材料模型

采用ABAQUS软件建立填充轻聚合物的轻钢结构墙体有限元分析模型,包括立柱、导轨、横撑、内部填料和面板,如图1所示。

图1 有限元分析模型

墙体的立柱和导轨属于薄壁构件,选用S4R壳单元;面板、保温层以及轻聚合物填料选用八节点三维C3D8R实体单元。冷弯薄壁型钢龙骨的网格尺寸为30 mm,轻聚合物填料与面板的网格尺寸为20 mm。

为避免有限元分析模型的后期收敛困难,减少计算分析时间,假设冷弯薄壁型钢为理想弹性塑性体,采用双线性模型进行模拟;轻聚合物填料采用文献[8]中的本构关系模型;面板假定为各向同性材料[9-10]。材料物理力学性能参数根据前期材料性能试验结果进行取值,泊松比为0.2,其余性能参数见表1、表2所列。

表1 面板材料力学性能参数

表2 保温层和填料材料物理力学性能参数

1.2 接触条件和边界条件

C型钢立柱与U型导轨的交线均采用点tie连接模拟;冷弯薄壁型钢龙骨与钢梁之间的连接采用面与面tie连接;由于试验过程中水泥纤维板与立柱之间的自攻螺钉未脱离,水泥纤维板与立柱之间采用点与面tie连接方式模拟;而试验过程中石膏板与立柱发生分离,考虑到螺钉滑移失效情况,石膏板与立柱之间采用非线性弹簧单元实现自攻螺钉模拟[11]。在自攻螺钉平面内,弹簧单元的荷载-位移曲线取自相应的连接件试验;在自攻螺钉平面外,认为弹簧单元的刚度无穷大。

参考文献[12],石膏基填料、保温层与龙骨架之间采用面与面接触模拟,法向行为设置为“硬接触”,切向行为设置摩擦系数等于0.45;水泥基填料、保温层与龙骨架之间采用面与面接触模拟,法向行为设置为“硬接触”,切向行为设置摩擦系数等于0.6。

为了与试验实际约束情况相符合,避免发生应力集中,在试件顶部、底部分别设置了刚性梁,约束顶部加载梁X、Y水平方向平动自由度和X、Y、Z方向转动自由度(U1=U2=UR1=UR2=UR3=0),并在加载梁中心偏上100 mm处建立1个参考点,将加载梁顶面与该参考点进行耦合;对底梁,约束X、Y、Z方向平动自由度和X、Y、Z方向转动自由度(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)。

2 试验概况

本文进行了5片填充轻聚合物的轻钢结构墙体轴压性能试验。墙体尺寸均为2 700 mm×1 200 mm,试件信息见表3所列。

冷弯薄壁龙骨架由立柱、刚性横撑及顶、底导轨通过ST4.8级自钻自攻螺钉拼装组成。冷弯薄壁型钢立柱为2 700 mm,顶、底导轨与横向钢撑为1 200 mm,所有试件的墙、架、柱均采用C形冷弯薄壁型钢,规格为C89 mm×41 mm×11 mm×0.9 mm(腹板高度×翼缘宽度×卷边宽度×板件厚度),顶、底导轨及刚性横撑采用冷弯槽钢,规格为U91 mm×51 mm×0.9 mm(腹板高度×翼缘宽度×板件厚度)。试件CTSFW4尺寸与构造如图2所示(单位为mm)。

表3 试件主要参数

图2 试件CTSFW4尺寸与构造

加载采用分级加载方式,加载值每级为根据规范计算得到的轴压极限承载力的10%。试验正式开始前,先对墙体进行预加载,加载值为轴压极限承载力的10%～20%;预加载结束后再卸载,然后对墙体进行正式加载,每级荷载为5 kN;每级荷载加载完毕后持荷3 min,待试件变形和应变发展稳定后再进行数据采集;试件加载直至破坏后停止加载。

试验装置如图3所示。

图3 轴压试验装置

3 试验验证

(1) 轴压荷载-轴向位移关系曲线。通过建立的填充轻聚合物的轻钢结构墙体有限元分析模型,得到了冷弯薄壁型钢龙骨架以及试件CTSFW1～ CTSFW5的轴压荷载-轴向位移计算曲线,与试验轴压荷载(P)-轴向位移(δ)曲线进行比较,如图4所示。

由图4可知,填充轻聚合物的轻钢结构墙体有限元分析计算曲线和试验曲线的刚度和承载力在后期吻合较好。有限元模拟刚度在前期比试验值偏大,其原因可能是,在试验安装过程中,填充轻聚合物轻钢结构墙体的立柱与上、下导轨之间有安装缝隙,从而引起试验所得轴向最大位移偏大。

(2) 破坏模式和轴压极限荷载。通过有限元计算模型分析,得到5个试件破坏典型特征,与试验破坏现象对比如图5所示。

由图5可知,试件破坏模式的有限元结果与试验结果吻合较好。

图4 轴压荷载-轴向位移曲线的计算结果与试验结果对比

图5 试件破坏模式的有限元计算结果与试验结果对比

对于两侧无面板的试件CTSFW1、CTSFW2,立柱绕弱轴屈曲;两侧为石膏板的试件CTSFW3以及两侧分别为石膏板与石膏基保温层的试件CTSFW5,立柱发生绕弱轴屈曲,石膏板在自攻螺钉连接处与立柱分离;两侧分别为纤维水泥板与水泥基保温层的试件CTSFW4,立柱在自攻螺钉区连接处发生局部屈曲,试件底部面板翘起,填料压溃。试验破坏现象总结如下:① 立柱绕弱轴屈曲,伴随畸变屈曲;② 墙体底部填料被压溃;③ 墙体整体绕强轴弯曲变形;④ 面板与轻钢龙骨分离;⑤ 自攻螺钉连接处轻钢龙骨局部屈曲;⑥ 墙体底部面板与保温层被压溃;⑦ 墙体底部填料被压碎。

将试验极限承载力(Nt)和有限元极限承载力(NA)对比,见表4所列。

表4 复合墙体轴压试验与有限元模拟极限承载力对比

由表4可知,NA/Nt的平均值为1.02,方差为0.001。冷弯薄壁型钢龙骨架承载力计算值为42 kN,填充轻聚合物的轻钢结构墙体轴压承载力是相同尺寸下冷弯薄壁型钢骨架的2.59～7.90倍,墙体轴压极限承载力提高幅度非常大。

由图4和表4分析可得如下结论:

(1) 在没有面板和保温层的情况下,试件CTSFW2的轴压极限承载力比试件CTSFW1高81.8%,由此可知,填料为水泥基轻聚合物的墙体相比于石膏基轻聚合物的墙体,其轴压极限承载力有显著提高。

(2) 两侧分别有面板与保温层的情况下,试件CTSFW4的轴压极限承载力比试件CTSFW3大100%,由此可知,面板、保温层以及内部填料采用水泥基轻聚合物,其轴压极限承载力远大于面板、保温层以及内部填料采用石膏基轻聚合物的复合墙体。可见填充轻聚合物的轻钢结构墙体内填料类型、面板及保温层等对其轴压极限承载力有显著的提高作用。

4 参数分析

基于有限元分析模型,本文设计了14个复合墙体试件,分析了面板类型、立柱间距、面板厚度、自攻螺钉间距对填充轻聚合物的轻钢结构墙体轴压性能的影响,各试件的具体参数及分析结果如图6所示。

图6 各参数对复合墙体轴压荷载-轴向位移曲线影响

(1) 面板类型。在实际工程中填充轻聚合物的轻钢结构墙体常用的面板类型有石膏板、纤维水泥板、胶合板、定向刨花板。本文选取这4种面板类型,研究不同面板类型对复合墙体轴压性能影响。面板的材料力学性能参数见表5所列。分析时，以试件CTSFW1为标准计算模型。

表5 不同面板类型的材料力学性能参数

从图6a可以看出,在曲线弹性阶段,4种面板试件弹性轴压刚度从大到小依次为纤维水泥板、胶合板、定向刨花板、石膏板。试件的竖向承载力随着面板弹性模量的提高而显著提高。相比于双侧覆有石膏板的复合墙体,双侧覆有纤维水泥板的复合墙体轴压承载力提高了69.35%;双侧覆有胶合板的复合墙体轴压承载力提高了64.52%;双侧覆有定向刨花板的复合墙体轴压承载力提高了35.48%。

(2) 立柱间距。文献[13]规定立柱间距一般采用400～600 mm。本文采用墙体宽度不变、增加和减少立柱个数的方法,分析立柱间距对复合墙体竖向承载力的影响,分析时以试件CTSFW1为标准计算模型。

从图6b可以看出,立柱间距对复合墙体弹性轴压刚度影响较小。相对于立柱间距为400 mm的复合墙体,立柱间距为600 mm时轴压承载力提高了12.7%,立柱间距为450 mm时轴压承载力提高了4.3%。

(3) 面板厚度。考虑到纤维水泥板是填充轻聚合物的轻钢结构墙体常用的一种面板材料,为反应面板厚度单因素变化对复合墙体轴压性能影响,选用8、10、12、15 mm的纤维水泥板作为复合墙体的面板,分析时以试件CTSFW1为标准计算模型。

从图6c可以看出,纤维水泥板厚度对复合墙体弹性阶段轴压刚度的提高作用很大,4种面板厚度试件轴压刚度从大到小依次为:15 mm、12 mm、10 mm、8 mm,纤维水泥板厚度越大,对复合墙体轴压刚度的贡献也就越大。相对于面板厚度为8 mm的复合墙体,厚度为10、12、15 mm的纤维水泥板复合墙体轴压承载力分别提高了8.3%、14.46%、22.77%。

(4) 自攻螺钉间距。选取冷弯薄壁立柱自攻螺钉间距150、300、600 mm进行参数分析,以试件CTSFW5为标准计算模型。

从图6d可以看出,冷弯薄壁立柱自攻螺钉间距为150、300 mm的复合墙体在弹性阶段的轴压刚度相近,且都大于螺钉间距为600 mm的复合墙体轴压刚度。

相比于螺钉间距为300 mm，150 mm的复合墙体轴压承载力提高了4.9%;相比于螺钉间距为600 mm，150 mm的复合墙体轴压承载力提高了13.64%。

5 结 论

(1) 本文建立了填充轻聚合物的轻钢结构墙体有限元分析模型,研究了其在轴压作用下的破坏模式和轴压荷载-轴向位移曲线变化规律,将计算结果与试验结果进行比较,验证了模型的准确性和可靠性。

(2) 通过对比墙体轴压试验与墙体数值模型的破坏现象和荷载-应变曲线得知:两侧未覆有面板的墙体,立柱绕弱轴屈曲;两侧为石膏板、两侧分别为石膏板与石膏基保温层的复合墙体,立柱发生绕弱轴屈曲,石膏板在自攻螺钉连接处与立柱分离;两侧为纤维水泥板以及水泥基保温层的复合墙体,立柱在自攻螺钉区间内发生局部屈曲,墙体底部面板与填料被压溃。

(3) 根据填充轻聚合物的轻钢结构墙体有限元分析模型分析结果,相比于填料采用石膏基轻聚合物的墙体,填料采用水泥基轻聚合物的墙体轴压承载力有显著提高;相比于面板、保温层以及内部填料采用石膏材料的复合墙体,面板、保温层以及内部填料采用水泥材料的复合墙体的轴压承载力有很大提高。

(4) 在验证有限元模型正确性的基础上,对影响填充轻聚合物轻钢结构墙体的4个关键因素,即面板类型、立柱间距、面板厚度及自攻螺钉间距进行了变参数分析,结果表明,面板类型、面板厚度、自攻螺钉间距对复合墙体轴压刚度以及轴压承载力的影响较大,而立柱间距对墙体轴压刚度影响较小。