陆 斐， 汪皖黔， 宋慧慧

(合肥工业大学，安徽 合肥 230009)

0 引 言

钢结构住宅相较于传统住宅具有模块化生产、绿色节能等明显优势，在建筑结构领域推广与应用钢结构建筑可以促进建筑产业的工业化、智能化和绿色化发展。

冷弯薄壁钢结构是一种新型绿色节能建筑结构形式，首先由国外引进，后期在国内快速发展并推广[1-3]，有许多学者就冷弯薄壁型钢构件性能展开研究[4-7]，然而此类建筑形式仍存在保温、隔音、防腐蚀以及防火等方面的问题。在传统空腔式冷弯薄壁型钢墙体内填充轻聚合物，使组合墙体在保温隔热、防火防震等方面获得更好的性能，具有推广应用价值。目前少数学者对喷涂式冷弯薄壁钢组合墙板的压弯和抗剪性能进行了试验研究[8-10]，对此类构件的轴压、压弯及受剪性能以及破坏模式和抗震性能进行了理论分析[11，12]。但是现场组装喷涂工序较多，工厂预制化程度低，不利于推广与应用。针对上述问题，提出了一种填充轻聚合物的预制冷弯薄壁型钢组合墙板，通过专业生产线将轻聚合物高压注入冷弯薄壁型钢骨架区格中，经蒸汽养护后形成预制墙板，考察其破坏特征和受力机制[13，14]。

本文通过有限元软件，建立了文献[15]中填充轻聚合物的预制冷弯薄壁型钢组合墙板的有限元分析模型，引入初始缺陷和冷弯薄壁型钢立柱的屈曲模态，通过试验验证了分析模型的准确性，并对加载全过程进行分析，研究结果可为填充轻聚合物的预制冷弯薄壁型钢组合墙板在实际工程的推广和应用提供理论依据。

1 有限元分析模型

1.1 试件概况

参考文献[16]中所设计制作的6片填充轻聚合物的预制冷弯薄壁型钢组合墙板试件，几何尺寸与设计参数见表1，设计参数为墙板厚度、轻聚合物类型、钢丝网层数和有无水泥纤维面板。

表1 试件参数

1.2 数值分析模型

本文通过ABAQUS有限元程序建立了上述6片填充轻聚合物的预制冷弯型钢组合墙板的有限元分析模型，如图1所示，该模型由冷弯薄壁型钢骨架、钢丝网、水泥纤维板和轻聚合物填料组成。

图1 有限元模型示意图

为了准确模拟所填充轻聚合物对冷弯薄壁型钢组合墙板抗剪性能的影响，墙板中的立柱和导轨的单元类型采用壳体单元S4R，水泥纤维板和轻聚合物填料采用实体单元C3D8R，同时钢丝网选用三维桁架单元T3D2进行建模。在保证计算模型精度的情况下提高计算效率，立柱与导轨的网格宽度取30 mm，水泥纤维板、填料以及钢丝网的网格宽度取20 mm。

1.3 材料模型

冷弯薄壁型钢材料的应力-应变关系曲线模型选用理想弹塑性模型，如图2(a)所示，该模型有利于提高模型计算精度并缩短模型分析时间。钢材的弹性模量为2.16×105MPa，屈服强度为662 MPa，抗拉强度为692.5 MPa，泊松比为0.3。

轻聚合物本构关系根据文献[17]中相关EPS混凝土的研究，所选用模型应力-应变曲线如图2(b)所示，石膏基/水泥基-轻聚合物的屈服强度取换算成标准试件抗压强度试验结果平均值，分别为1.197 MPa、1.944 MPa，弹性模量分别为300.2 MPa、353.5 MPa，泊松比为0.2。

图2 本构关系图

水泥纤维板的本构关系根据文献[17]等的有关研究，弹性模量为5 000 MPa，剪切模量为1 000 MPa，静曲强度为17.25 MPa，泊松比为0.2。

1.4 边界条件

模型各部分构件表面之间的相互作用定义为“面与面接触”，法向行为定义为“硬”接触，切向行为采用库仑摩擦模型，设置为“罚”，石膏基/水泥基-轻质填料与冷弯薄壁钢骨架的摩擦系数分别取0.45和0.6。填料与钢丝网之间定义为区域约束，水泥纤维板和填料之间定义为面与面绑定约束。立柱和导轨之间采用Tie连接进行模拟，钢丝网由于被轻聚合物填料完全包裹，采用嵌入连接约束进行模拟。

试验试件的底导轨通过角钢固定于地梁，而试验全程底导轨并未发生位移，故模型中采取限制所有方向的平动自由度和转动自由度来模拟固定支座的边界条件。顶导轨处设置平面外约束，以防止平面外失稳。

试验过程中墙板立柱受压且其截面厚度小于1 mm，因此建模考虑了立柱的几何缺陷，采用ABAQUS软件中的特征值屈曲分析来模拟墙板立柱的初始缺陷，选取立柱的第一屈曲模态作为其初始缺陷的分布状态。研究缺陷分布的振幅表达式为：

A=6te-2t

(1)

式中：A为初始缺陷的振幅；t为墙板立柱的厚度。

有限元分析模型的加载方式与试验相同，在分析步中施加30 kN的竖向荷载，并逐级增加组合墙板的水平位移幅值，通过增量迭代法求解非线性方程。

2 模拟结果

2.1 荷载-位移曲线

通过有限元分析结果处理模块ODB历程变量输出，得到水平荷载作用点对应的水平位移和侧向力，绘制各组构件荷载-位移曲线(P-Δ曲线)，结果如图3所示。

由图3可知，计算和试验得出的曲线吻合较好，弹性刚度与抗剪承载力计算值略大于试验值，该部分差值与试件制作、试验条件和测量精度有关。

2.2 抗剪承载力

将填充轻聚合物的预制冷弯薄壁型钢组合墙板抗剪承载力试验值与计算值进行了对比，如图4所示。抗剪承载力计算值与试验值比值为0.857～0.975，有限元模拟计算方法可以较好预测填充轻聚合物的预制冷弯薄壁型钢组合墙板的抗剪承载力。

图4 试验与有限元模拟结果的抗剪承载力对比

3 全过程分析

为了深入研究填充轻聚合物的预制冷弯薄壁型钢组合墙板抗剪性能和工作机制，了解其在整个加载过程中的受力形态和破坏过程，本节选取CFSLPM2、CFSLPM5两个典型试件，在计算分析所得的P-Δ曲线上选取3个特征点进行比较分析，如图5所示，A点为墙板达到弹性阶段临界点，B点为墙板达到弹塑性阶段临界点，C点为墙板加载至下降段最终点。

图5 墙板标准P-Δ曲线分析图

3.1 弹性阶段(OA段)

水平位移达到A点时，构件CFSLPM2、CFSLPM5的主要应力状态分别如图3(b)、图3(e)所示，试件基本处于弹性状态，各部位应力值均较小。荷载-位移曲线近似直线，OA斜率为试件的弹性刚度Ks。钢框架的损伤应力区位于对角处。轻质填料总体处于低压应力状态，仅顶角与底角处应力较大。

图3 计算与试验的P-Δ曲线对比

3.2 弹塑性阶段(AB段)

随着侧向位移的增加，构件残余变形不断累积，荷载-位移曲线表现为非线性关系，钢骨架边柱和顶底部轨道开始屈服，高应力区逐渐从末端向中部发展。当试件进入弹塑性阶段时，轻质填料累积损伤不断增大。由于CFSLPM2覆盖双侧水泥纤维板而CFSLPM5仅为双侧钢丝网，前者承受剪切荷载时，平面外约束较强，内部填料可视为对角支撑，表现出更好的对角线抗压性能，其抗剪承载力在弹塑性阶段提升更大，整体性能更优。

3.3 下降阶段(BC段)

构件加载进入最终阶段，侧向位移增加，整体应力达到最大并且分布较为均匀，边柱底部局部屈曲并与底导轨分离，C点的抗剪承载能力相较B点出现下降说明组合墙板之间的连接失效，无法共同工作承担荷载。

4 结 论

本文通过ABAQUS有限元分析软件建立了6片填充轻聚合物的冷弯型钢组合墙板试件有限元模型，通过模拟与试验结果对比验证，研究不同参数对组合墙板的破坏特征、抗剪性能的影响，得到下列结论：

(1) 建立了ABAQUS有限元分析模型，考虑了冷弯薄壁型钢与轻聚合物之间的复杂接触问题、初始缺陷及屈曲模态，通过试验数据对比验证了模型的准确性与可靠性。

(2) 通过在典型构件的P-Δ曲线上选取特征点，详细分析每个阶段以及特征点下构件应力分布状态，获悉其不同阶段的工作机制。随着水平位移的增加，墙板边柱和底导轨率先进入屈服阶段，并不断从末端向中部发展，轻聚合物填料在进入弹塑性阶段后损伤不断累积，从顶底部逐渐向中部发展，最后，墙板整体进入塑性阶段，内部连接失效以致无法共同工作。