新型墙面压型钢板系统承载力试验研究和设计

宋晓辉 孙 伟

近年来随着对墙面压型钢板抗渗性和耐久性方面要求的不断提高，以外露自攻钉为连接方式的传统压型钢板逐渐被淘汰，新型的压型钢板不断涌现。HV-156是其中典型的一种，如图1所示，其连接方式为扣合式连接，这种新的连接方式由于其良好的密闭性，在轻钢墙面维护系统中得到广泛的应用。但是，新型的压型钢板墙面系统的承载能力究竟如何，破坏形式有何特点，尤其是在沿海大风地区，压型钢板墙面在风压力、风吸力作用下的承载能力和破坏形式都有待深入研究。本文通过足尺承载力试验，确定新型的压型钢板墙面系统在承受风压力、风吸力时的承载力，并重点对其在风吸力作用下承载力作出评估。

1 HV-156截面及材料参数

HV-156单块板的横截面尺寸如图1所示，生产压型钢板所用彩色涂层钢板的基本参数如表1所示。

表1 彩色涂层钢板参数

2 试验目的及试验装置

本次试验的目的是为了确定新型墙面压型钢板系统在正向均布荷载(以下简称“正压”)和反向均布荷载作用下(以下简称“反压”)的承载能力。正压是模拟墙面板在正常使用阶段承受风压力的工况;反压是模拟屋面板在正常使用阶段承受风吸力的工况。

HV-612正压及反压情况下均重复两组试验，试验数据取其均值。试验墙梁间距为1.2 m，墙梁的规格为C180×60×2.5，自攻螺钉采用螺钉M5.5×35。正压及反压试验装置为:两根H250×250钢梁分别固定于钢筋混凝土柱上，间距3.0 m;钢梁上布置3根墙梁，间距为1.2 m，按实际施工方法在墙梁上安装3块板材试件，选取中间板件为考察对象。板材试件的总面积(3B×2S)m2，其中，B为单块板件的有效宽度;S为墙梁间距。

3 试件破坏判别标准

对于正压、反压作用下的墙面板，以板件挠度超过规范规定要求作为判断板件正常使用极限状态的标准。根据CECS 102∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程［1］第3.4.2条的规定，墙板的挠度限值为L/100，其中，L为构件的跨度。因此对于本试验，HV-612的挠度限值为12mm。

对于正压、反压作用下的墙面板，以板件出现局部屈曲、板件应力超过材料的屈服强度以及板件与檩条间连接支架的破坏作为判断板件承载能力极限状态的标准。

4 试验结果

4.1 正压试验

在HV-156正压试验中间板件跨中截面，波谷部分(B点处)及支座截面波谷部分(B点处)Mises应力与均布荷载的关系见图2。

从图2中可以看出:1)加载最初期，板件跨中截面与支座截面的应力水平一致;加载第三级开始，跨中截面板件的应力水平高于支座截面;2)板件应力值均未达到板材的屈服强度330MPa，板件在加载全过程始终处于弹性阶段。整个加载过程中，板件表现出密肋压型钢板的典型特征:抗弯刚度大，承载能力强。直至第八级加载，板件搭接处(A，C点处)的挠度为10.3mm，仍低于规程规定的限值12mm。从第三级加载后，板件波谷(B点处)与墙梁接触部位出现轻微的受压局部屈曲，直至第八级加载后，该局部屈曲并未有显著发展，且未发现任何其他明显破坏现象。卸载后板件弯曲变形恢复，板件间扣合状况良好，连接紧密。

综合以上挠度、板件应力、板件局部屈曲情况的试验现象，该种板型抗弯刚度大，承载能力强，将第三级加载确定为HV-156在正压情况下的正常使用极限状态，即qs=1.66 kN/m2。将第八级加载确定为HV-156在正压情况下的承载能力极限状态，即qu=3.0 kN/m2。

4.2 反压试验

对于HV-156反压试验中间板件，跨中截面波谷部分(B点处)及支座截面波谷部分(B点处)Mises应力与均布荷载的关系如图3所示。

从图3中可以看出:1)加载最初期，板件跨中截面与支座截面的应力水平几乎一致;加载第三级开始，支座截面板件的应力水平高于跨中截面;2)第六级加载后，板件支座截面应力值达到319MPa，接近板材的屈服强度330MPa;第七级加载后，板件支座截面计算应力值达到588MPa，超过板材的屈服强度330MPa，板件自此进入塑性阶段。整个加载过程中，板件表现出密肋压型钢板的典型特征:抗弯刚度大，承载能力强。直至第七级加载，板件支座截面波谷(B点处)出现明显局部屈曲。卸载后板件弯曲变形恢复，板件间扣合状况良好，连接紧密。综合以上挠度、板件应力、板件局部屈曲情况的试验现象，该种板型抗弯刚度大，承载能力强，将第二级加载确定为HV-156在反压情况下的正常使用极限状态，即qs=1.39 kN/m2。将第六级加载确定为HV-156在反压情况下的承载能力极限状态，即qu=2.47 kN/m2。

5 风荷载作用下HV-156的承载能力

根据CECS 102∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程［1］附录 A.0.1:

其中，wk为风荷载标准值;μz为风荷载高度变化系数;μs为风荷载体型系数;w0为基本风压，值得注意的是:该基本风压w0为GB 50009-2001建筑结构荷载规范［2］规定值的1.05倍。

将反压情况下，板材试验所得的正常使用极限状态承载力qs、承载能力极限状态承载力qu视为板件抗力的标准值。对于正常使用极限状态，荷载组合应采用标准组合:

即正常使用极限状态对应基本风压为:

对于承载能力极限状态，荷载组合应采用基本组合:

即承载能力极限状态对应基本风压为:

其中，γR为板件的抗力分项系数，取γR=1.1。

以下以典型条件为例，评估HV-156板型所能承受的基本风压:以B类地面粗糙类别距地10 m高确定风荷载高度变化系数μz=1.0;对于封闭式建筑墙面板的中间区:μs=1.2，边缘带:μs=1.4。

当正常使用极限状态对应的承载力qs=1.39 kN/m2，对于风荷载最大的墙面边缘带，由式(3)可得:

当承载能力极限状态对应的承载力qu=2.47 kN/m2，对于风荷载最大的墙面边缘带，由式(5)可得:

应取正常使用极限状态与承载能力极限状态分别对应基本风压的较小值作为HV-156能承受的基本风压值，因此应取w0≤0.86 kN/m2。根据 GB 50009-2001 建筑结构荷载规范［2］附表D.4，该墙面板适用范围较广，只有极少数沿海地区及新疆个别大风地区不适用，如浙江嵊泗、新疆克拉玛依等。

6 结语

1)在相同构造条件下，反压时试件的承载力低于正压时试件的承载力。因此在轻钢建筑广泛应用的东南沿海地区，风吸力成为新型压型钢板墙面系统设计的控制因素。

2)新型压型钢板墙面板件表现出密肋压型钢板的典型特征:抗弯刚度大，承载能力强。板件基本上处于弹性工作阶段，由于不能充分利用高强钢材的强度，不建议采用高强度钢板。

3)新型压型钢板墙面板的破坏形式为局部屈曲破坏。

4)新型压型钢板墙面板能承受的基本风压值为 w0≤0.86 kN/m2，适用范围较广。

［1］ CECS 102∶2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程［S］.

［2］ GB 50009-2001，建筑结构荷载规范［S］.