轻钢龙骨组合墙体抗剪性能有限元分析

2022-09-26孙建波,杨收港,姚佳奇等

价值工程 2022年26期

1 墙体模型的设计

本章对2个墙体模型进行了设计：①超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体ULFW-1；②传统的轻钢泡沫混凝土墙体LFW-1；墙体模型的尺寸、编号见表1所示，墙体模型的构造如图1所示。

表1 墙体的构造尺寸

图1 墙体模型的构造图

墙体采用的轻钢龙骨的截面形式及尺寸如图2所示。所有墙体试件的上、下导轨和立柱都采用Q550轻钢，上、下导轨均规格为U90×50×1.0mm；立柱规格为C89×50×13×1.0mm，间距为600mm；聚氨酯保温板厚度为180mm；OSB板厚度为10mm。墙体上、下导轨与立柱之间、OSB板与墙体骨架之间均采用自攻螺钉连接；聚氨酯保温板与墙体骨架采用锚栓连接。墙体内侧面板OSB板和墙体外侧聚氨酯保温板与墙体骨架间的连接间距布置为四周150mm，内部为300mm。

图2 立柱截面尺寸

2 超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体模型的建立

2.1 单元类型的选取

根据组合墙体各组成部分的特点，超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体中由冷弯薄壁型钢加工成的立柱、上下导轨均采用三维4节点减缩积分的壳单元（S4R），本文中OSB板、聚氨酯保温板和泡沫混凝土采用实体单元（C3D8R）来建模分析。

2.2 材料本构

①钢材本构。

Q550冷弯薄壁型钢材性数据参考文献[1]的试验确定，钢材性能指标如表2所示。

表2 钢材性能指标

②泡沫混凝土本构关系。

本文根据相关参考文献[2]对所用泡沫混凝土的弹性模量取值为500MPa，泊松比取值为0.3，而泡沫混凝土的屈服强度则根据泡沫混凝土标准试件在其抗压强度试验下取其结果的平均值6.35MPa，密度为800kg/m2。

③聚氨酯保温板和OSB板的本构关系根据相关参考文献[3]、[4]，所采用的聚氨酯保温板和OSB板的材料特性如表3、表4所示。

表3 聚氨酯保温板材料特性

表4 OSB板材料特性

2.3 接触处理

本文墙体内侧面板OSB板和聚氨酯保温板通过自攻螺钉与墙体的立柱和上下导轨连接处的平动自由度耦合起来，墙体立柱内侧槽口和上下导轨内侧槽口与泡沫混凝土的接触关系定义为“Tie”连接；而墙体的立柱外侧与泡沫混凝土的接触关系定义为“表面与表面接触”。

2.4 边界条件和加载方式

根据墙体实际情况确定其边界条件，墙体下导轨受到全部方向的平动自由度和转动自由度的约束，为使墙体不发生平面外的失稳，让墙体上导轨受到限制平面外的平动自由度的约束。加载方式采用位移控制加载，即耦合上导轨沿X方向的位移。墙体有限元模型如图3所示。

图3 墙体有限元模型

3 有限元结果分析

3.1 墙体ULFW-1的受力分析

本节通过有限元软件ABAQUA对墙体ULFW-1模型进行了计算分析，超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体在水平单调加载下的应力云图如图4-图7所示。墙体ULFW-1内填的泡沫混凝土的应力云图如图4所示，泡沫混凝土受立柱约束被分为了三个受力部分。

图4 泡沫混凝土的应力云图

墙体ULFW-1的骨架应力云图如图5所示，随着墙体受到水平位移的增大，墙体的上下导轨的翼缘部分以及立柱的上下端受到的力也会随之增大，最后会导致局部屈曲破坏的现象。

图5 墙体骨架的应力云图

墙体ULFW-1中OSB板的应力云图如图6所示。由图可知，OSB板的中部跟角部处于高应力状态。

图6 OSB板的应力云图

墙体ULFW-1中聚氨酯保温板的应力云图如图7所示。由图可知，聚氨酯保温板的应力小于OSB板的应力。

图7 聚氨酯保温板的应力云图

3.2 墙体ULFW-1、LFW-1的抗剪承载能力对比

本节通过有限元软件ABAQUS对超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体ULFW-1与传统轻钢泡沫混凝土墙体LFW-1计算所得到的P-Δ曲线进行提取如图8所示，然后进行了对比分析。

图8 ULFW-1与LFW-1的P-Δ曲线对比

由图8可知墙体ULFW-1与墙体LFW-1的抗剪承载力相差不大，而且通过有限元分析得到的组合墙体的P-Δ曲线可以看出该曲线无明显的屈服点，并呈现出非线性；根据中国的《建筑抗震试验方法规程》（JGJT101-2015）[5]规定，对组合墙体的P-Δ曲线进行分析，得到如表5所示超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体的力学参数。

表5 ULFW-1与LFW-1墙体的力学参数对比

由图8、表5可知：

①墙体ULFW-1与墙体LFW的峰值荷载相差很小，是由于OSB板的板材强度比聚氨酯保温板较高，是由于聚氨酯保温板与泡沫混凝土之间的粘结力较好以及聚氨酯保温板的厚度较大。而相对于屈服位移来说，墙体LFW的屈服位移小于墙体ULFW-1的屈服位移，是由于墙体ULFW-1的外侧聚氨酯保温板厚度较大，起到的蒙皮作用时间长。

②墙体ULFW-1、墙体LFW-1的抗侧刚度K300分别为4.25、5.19。相对于传统轻钢泡沫混凝土墙体来说超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体的抗侧刚度K300有所降低，由于其一是聚氨酯保温板的刚度没有OSB板的刚度大，会使得超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体的整体刚度相对于传统的轻钢泡沫混凝土墙体相对较小，其二是聚氨酯保温板与泡沫混凝土之间在受到水平荷载时会发生粘结破坏，聚氨酯保温板会发生较大的压缩变形，使得其墙体的抗侧刚度降低。