冷弯薄壁型钢组合墙体抗剪性能的有限元模拟

张 旻

冷弯薄壁型钢结构住宅以其节能、环保、施工方便且速度快等优点而著称,组合墙体是冷弯薄壁型钢结构住宅的主要受力构件,用于低层住宅的组合墙体一般是由C形(卷边槽形截面墙体立柱)和U形冷成型钢组成的墙体骨架和石膏板、OSB板通过自攻螺钉连接形成的一种“板肋结构体系”,国内外针对此种结构体系做了大量试验[1-3],但是针对此种结构体系的有限元模拟并不完善,比如石膏板竖向接缝、OSB板水平和竖向接缝的模拟以及自攻螺钉连接如何模拟才能更加接近实际受力情况。本文通过完善数值模拟分析更加清晰的反映组合墙体的实际受力以及变形情况。

1 试件选取

以文献[3]中试验的三个冷弯薄壁型钢组合墙体BX-1,BX-3,BX-5作为验证对象,基本情况如下:BX-1为单面覆石膏板墙体,墙面板由两块石膏板拼接而成,两块石膏板规格为3 000 mm(高度)×1 200 mm(宽度)×12 mm(厚度);骨架立柱规格为C89×44.5×12×1.0(即腹板高度89 mm,翼缘宽度 44.5 mm,卷边宽度12 mm,厚度1.0 mm),长度为2 998 mm,顶梁和底梁规格分别为U92×40×1.0(即腹板高度 92 mm,翼缘宽度40 mm,厚度1.0 mm),长度为2 400 mm;墙面板与墙体骨架周边自攻螺钉间距150 mm,墙面板与墙体骨架中间自攻螺钉间距300 mm(石膏板拼缝处为150 mm)。

BX-3为单面覆OSB板墙体,墙面板由四块OSB板拼接而成,钢带以上两块OSB板规格为2 440 mm(高度)×1 200 mm(宽度),钢带以下两块OSB板规格为 560 mm(高度)×1 200 mm(宽度),骨架立柱尺寸以及顶梁、底梁规格与BX-1相同,墙面板与墙体骨架周边自攻螺钉间距150 mm,墙面板与墙体骨架中间自攻螺钉间距300 mm(OSB板拼缝处为150 mm)。

BX-5为一面覆石膏板、一面覆OSB板组合墙体,石膏板规格及尺寸以及OSB板规格及尺寸与BX-1,BX-3墙体覆面板尺寸一致,骨架立柱尺寸以及顶梁、底梁规格与BX-1相同,墙面板与墙体骨架周边自攻螺钉间距150 mm,墙面板与墙体骨架中间自攻螺钉间距300 mm(石膏板拼缝处为150 mm)。

墙体的材料特性见表1。

表1 组合墙体材料特性

2 有限元分析模型的建立

采用ANSYS有限元分析软件,对试件进行抗剪性能模拟分析,选用塑性壳单元Shell181模拟钢骨架和墙面石膏板、OSB板,按理想弹塑性材料模型输入相关参数,采用自底向上的建模方法,对坐标方向作如下规定:x轴表示墙体长度方向,y轴表示墙体高度方向,z轴表示垂直于墙板面方向。根据墙体试件实际尺寸和构造,建立墙体的几何模型,再按照自攻螺钉实际分布情况对墙体及骨架进行网格划分,本文网格划分采用映射划分,为避免竖向接缝处以及水平接缝处的节点相互作用,网格划分时竖向接缝以及水平接缝都预留2 mm空隙,有限元模型如图1～图4所示。自攻螺钉连接采用三个方向一维非线性弹簧单元模拟,弹簧刚度的选取按如下方法:水平和竖向采用一种弹簧刚度,平面y方向采用另外一种弹簧刚度。z方向自攻螺钉的拔出是在螺钉滑移过大的情况下拔出的,所以不考虑 z方向的拔出,z方向弹簧刚度取为无穷大,螺钉的破坏就通过 x,y两个方向螺钉的滑移过大为破坏准则,实际的墙面板都是各向异性的材料,螺钉在 x,y,z三个方向的荷载—滑移曲线都大不相同;由于 x方向为墙体的主要受力方向,所以取 x方向的螺钉荷载—滑移曲线为基准,弹簧荷载—滑移曲线参照论文[4,5],同时考虑到螺钉破坏模式不同以及螺钉三个方向的荷载—滑移曲线差别很大,将弹簧荷载—滑移曲线大致分为三个阶段,如图5所示,第一阶段:螺钉滑移比较小,弹簧刚度很大;第二阶段:螺钉开始滑移,当螺钉受力由P1增加到P3,螺钉在板内部出现较大滑移,弹簧刚度下降很快,逐渐趋近于零;第三阶段:当螺钉受力到达极限荷载P3时,此时螺钉破坏严重,丧失继续承载的能力。约束锚栓和固定螺栓处的三个平动自由度,耦合顶梁沿墙体长度方向的自由度,在耦合的主节点施加水平集中力,采用力控制单调加载。

3 结果对比分析

参照JGJ 101-96建筑抗震试验方法规程的相关规定,采用荷载—位移曲线的能量等效面积法确定屈服荷载 Py、屈服位移 Δy。将组合墙体的试验结果荷载—位移曲线与有限元分析结果放在统一坐标系下进行比较,结果见表2～表4。

表2 BX-1墙体有限元数值与试验比较

表3 BX-3墙体有限元数值与试验比较

表4 BX-5墙体有限元数值与试验比较

通过有限元分析与试验比较,有限元分析结果与试验结果不仅现象类似,同时数值也很接近,只是BX-5墙体双面板墙体模拟和试验有些差别,问题主要集中在极限位移有限元模拟值相对于试验值偏小,原因主要是因为实际中石膏板和OSB板的材料本身离散性较大,同时由于石膏板和OSB材料为各向异性材料,与立柱连接的石膏板或者是OSB板可能取自纵向位置也可能取自横向位置,有限元模拟时螺钉采用三个方向弹簧单元模拟,由于水平及竖向弹簧刚度取的是相同的值,导致了有限元模拟与实际的偏差,但是这些偏差都是在一定范围内可以接受的。

4 结语

有限元模拟组合墙体抗剪性能的方法是一种比较合理的方法,采用弹簧单元模拟螺钉连接可以比较真实的反映螺钉滑移问题,也可以应用上述有限元方法对组合墙体抗剪性能进行分析研究。

[1] Kawai Y,Kanno R,Hanya K.Cyclic Shear Resistance and Design of Steel Framed Houses[R].ASCE Structures Congress,Poland,1997.

[2] 郭丽峰.轻钢密墙架柱墙体的抗剪性能研究[D].西安:西安建筑科技大学硕士毕业论文,2004.

[3] 郭彦利,姚行友.冷弯薄壁型钢构件畸变屈曲研究综述与分析[J].山西建筑,2009,35(2):84-85.

[4] 石 宇.低层冷弯薄壁型钢结构住宅组合墙体抗剪承载力研究[D].西安:长安大学硕士毕业论文,2004.

[5] 秦雅菲.冷弯薄壁型钢低层住宅墙柱体系轴压性能理论与试验研究[D].上海:同济大学博士学位论文,2005.