冷弯薄壁型钢墙体抗剪性能有限元分析*

刘 朋， 杜鹏飞

(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870)

冷弯薄壁型钢墙体由C形和U形截面的冷弯薄壁型钢骨架和石膏板、OSB板、胶合板、钢板等墙面板，并通过自攻螺钉连接而成，形成了一个封闭的蒙皮结构[1].墙体为该结构体系的主要承重构件，承受重力荷载、风荷载以及水平地震作用引起的地震荷载.当墙板与钢骨架可靠连接时，墙面板在发挥围护作用的同时承担平面内的荷载，成为受力结构的一部分，参与整体结构体系共同工作，增加结构的刚度，提高墙体稳定性[2-5].国内外学者[6-7]进行了相关研究得出，钢框架对墙体承载力影响小，墙面板及螺钉间距对墙体承载力影响大，墙体尺寸对承载力影响小等.文献[8]提出了薄钢板覆面的墙体形式，试验研究了高宽比为2∶1至4∶1对墙体抗剪承载力的影响，基于大量墙体试验测试的结果，北美建筑规范AISI以表格形式提供抗剪强度设计值.一些研究人员对波纹钢板覆面的组合墙进行了试验研究，试验结果表明，相较于其他类型覆面墙体，波纹钢板覆面墙体具有更高的初始刚度和抗剪承载力，但延性较差.

1 组合墙体有限元模型

1.1 试件选取及材料特性

根据文献[9]数值计算结果和文献[8]试验结果，通过ABAQUS建立相同参数的组合墙体模型SWP-0，模型及材料参数如表1、2所示.墙架柱截面尺寸为C92.1 mm×41.3 mm×12.7 mm，导轨尺寸为U92.1 mm×41.3 mm；左右两端分别采用一根C形立柱连接固定；墙面板选用整块钢板，并与骨架采用自攻螺钉进行连接.

表1 模型参数Tab.1 Model parameters mm

表2 材料参数Tab.2 Material parameters

1.2 有限元模型单元选取

1.3 试验与数值计算结果对比

1.3.1 特征参数的确定

1.3.2 结果对比分析

计算结果如图1所示.从图1中可以看出，Niari的数值模拟和SWP-0数值模拟在加载初期曲线呈线性分布，组合墙体基本处于弹性阶段.继续加载至曲线出现明显的拐点时，说明墙面板底部螺钉已达到极限强度(非线性弹簧单元).从单位抗剪承载力的对比来看，SWP-0与试验一和试验二的误差约在6%，虽然取得最大荷载时对应的位移不同，但承载力基本吻合.

图1 试验与数值模拟的组合墙荷载-位移曲线Fig.1 Loading-displacement curves of composite walls by experimental measuring and numerical modeling

2 墙体有限元模型参数分析

进行有限元计算模型参数分析时，所有骨架构件钢材选用Q345，SWP-1～SWP-6包括SWP-1(C)和SWP-6(T)的墙面板材料选用Q345，SWP-7～SWP-17的墙面板材料选用Q235；组合墙C型立柱和U型导轨的截面尺寸均为C152.4 mm×41.15 mm×12.7 mm和U152.4 mm×41.15 mm，具体模型参数如表3所示.

2.1 薄钢板厚度对组合墙抗剪性能的影响

0.84、1.00和1.2 mm厚平面薄钢板覆面组合墙有限元计算结果，如图2、3和表4所示.随着墙面板厚度增大，1.00和1.20 mm厚平面薄钢板覆面组合墙的单位抗剪承载力分别比0.84 mm厚墙面板提高了48.58%和141.34%，初始刚度分别提高了61.31%和136.68%，可见平面薄钢板厚度对组合墙承载力和初始刚度有显著影响，此影响因素也包括了随着薄钢板厚度增加而增加的连接强度的影响；立柱翼缘截面为弧形的SWP-1(C)，初始刚度和抗剪承载力无明显变化.

表3 有限元模型参数Tab.3 Parameters for finite element model

图2 墙面板应力云图(1)Fig.2 Stress nephogram of wall panels (1)

2.2 立柱厚度对组合墙抗剪性能的影响

立柱厚度和截面对组合墙抗剪性能的影响，如图4和表5所示.相比SWP-1，SWP-4和SWP-5单位抗剪承载力分别下降12.42%和6.78%，SWP-4初始刚度下降14.64%，而SWP-5提高1.56%，由此说明，立柱厚度对组合墙抗剪承载力和初始刚度无明显影响.

图3 组合墙荷载位移对比图(1)Fig.3 Load-displacement comparison of composite walls (1)

模型编号初始刚度(kN·mm-1)FykNδymm单位抗剪承载力(N·mm-1)SWP-13.2111.217.9213.12SWP-1(C)3.4510.947.3812.82SWP-21.997.259.208.83SWP-34.7119.398.7521.31

注：Fy为屈服承载力；δy为屈服承载力对应位移.

图4 组合墙荷载位移对比图(2)Fig.4 Load-displacement comparison of composite walls (2)

模型编号初始刚度(kN·mm-1)FykNδymm单位抗剪承载力(N·mm-1)SWP-13.2111.217.9213.12SWP-42.749.988.1711.49SWP-53.2610.567.4512.23

2.3 墙面板几何形式对组合墙抗剪性能的影响

波纹钢板因其几何外形，提供了一定的刚度，使得覆面波纹钢板不易屈曲，可有效提高构件的屈曲性能，使墙体承担较大的轴压力、弯矩或剪力而不屈曲.

2.3.1 波纹板与平面薄钢板组合墙抗剪性能比较

平面薄钢板覆面组合墙与波纹钢板覆面组合墙对比计算结果如图5、6和表6所示.相较于SWP-2，比其覆面钢板等厚度的SWP-6的单位抗剪承载力提高了46.89%，初始刚度下降27.64%，而与SWP-2承载力相当的SWP-6(T)的覆面钢板厚度只有SWP-2覆面钢板厚度的64.29%，但初始刚度大幅下降.

2.3.2 布置方向和高宽比对组合墙抗剪性能影响

计算结果如图7、8和表7所示.高宽比为4∶1时，SWP-7比SWP-8承载力提高了26.45%，初始刚度提高85.71%；高宽比为2∶1时，SWP-9比SWP-10承载力提高了17.82%，初始刚度提高了46.10%.在两种高宽比下，横向波纹覆面组合墙承载力和初始刚度均高于纵向波纹覆面组合墙.

图5 墙面板应力云图(2)Fig.5 Stress nephogram of wall panels (2)

图6 组合墙荷载位移对比图(3)Fig.6 Load-displacement comparison of composite walls (3)

模型编号初始刚度(kN·mm-1)FykNδymm单位抗剪承载力(N·mm-1)SWP-21.997.259.208.83SWP-61.4412.8414.6512.97SWP-6(T)0.619.0823.448.89

随着高宽比的减小，初始刚度逐渐增大，SWP-9比SWP-7高184.62%，SWP-10比SWP-8高261.90%，而单位抗剪承载力却下降，SWP-9比SWP-7下降29.38%，SWP-10比SWP-8下降24.20%，随着高宽比的减小，组合墙初始刚度大幅提高，单位抗剪承载力略有下降.

图7 墙面板应力云图(3)Fig.7 Stress nephogram of wall panels (3)

图8 组合墙荷载位移对比图(4)Fig.8 Load-displacement comparison of composite walls (4)

模型编号初始刚度(kN·mm-1)FykNδymm单位抗剪承载力(N·mm-1)SWP-70.396.7327.8613.48SWP-80.215.3744.2010.66SWP-91.1110.0413.279.52SWP-100.768.0017.748.08

2.3.3 不同类型波纹板对组合墙抗剪性能影响

不同类型波纹板覆面组合墙计算结果如图9和表8所示.相较于WA-825波纹板覆面组合墙，MINO-900波纹板覆面组合墙的单位抗剪承载力和初始刚度分别提高约60%和200%，AC-780波纹板覆面组合墙的单位抗剪承载力和初始刚度分别下降35%和80%.随着波长和波幅的减小，组合墙承载力、初始刚度增大，屈服位移减小.

图9 组合墙荷载位移对比图(5)Fig.9 Load-displacement comparison of composite walls (5)

模型编号初始刚度(kN·mm-1)FykNδymm单位抗剪承载力(N·mm-1)SWP-110.216.3947.986.14SWP-123.3613.388.3715.21

2.3.4 波纹板开洞对组合墙抗剪性能影响

波纹钢板覆面组合墙提高了平面内稳定性，但过大的刚度延性较差，抗震耗能较低.本文有限元分析中墙面板洞口均位于墙体形心，其中，SWP-15圆洞的面积等于SWP-13方洞的面积，SWP-16圆洞的直径等于SWP-13方洞的边长，SWP-17圆洞的面积等于SWP-14方洞的面积.

计算结果如图10～12和表9所示.随着方洞尺寸的增大，初始刚度和单位抗剪承载力的下降幅度增大，相较于SWP-12，SWP-13初始刚度降低了约80%，但组合墙的单位抗剪承载力同时下降了约45%，下降幅度较大；相较于SWP-12，SWP-14初始刚度降低约35%，单位抗剪承载力降低12%.

图10 墙面板应力云图(4)Fig.10 Stress nephogram of wall panels (4)

相比SWP-13，SWP-15(圆洞面积等于SWP-13)单位抗剪承载力提高约8%，两者初始刚度相当，SWP-16圆洞的面积小于SWP-15，且直径等于SWP-13方洞边长，其初始刚度提高约60%，单位抗剪承载力提高约20%；相较SWP-14，SWP-17(圆洞面积等于SWP-14)初始刚度下降10%，两者承载力相当.方洞与圆洞对组合墙抗剪性能的影响无明显差异，而洞口面积对组合墙抗剪性能影响显著.

图11 组合墙荷载位移对比图(6)Fig.11 Load-displacement comparison of composite walls (6)

图12 不同方洞尺寸的特征参数对比Fig.12 Comparison of characteristic paramaters of square hole with different sizes

模型编号初始刚度(kN·mm-1)FykNδymm单位抗剪承载力(N·mm-1)SWP-123.3613.388.3715.21SWP-130.597.3426.428.43SWP-142.2111.1913.6713.37SWP-150.608.5728.739.05SWP-160.968.9722.8210.10SWP-171.9611.6513.5413.25

3 结 论

本文采用ABAQUS对冷弯薄壁型钢组合墙进行了参数分析，得到的结论如下：

1) 平面薄钢板墙体承载力和初始刚度随着板厚增大而显著提高，立柱壁厚及弧形翼缘截面边立柱对组合墙抗剪性能无明显影响.

2) 相同厚度下(0.84 mm)，WA-825波纹板组合墙单位抗剪承载力比平面薄钢板组合墙高约45%，初始刚度无明显变化，承载力相当时，波纹板厚约为平面薄钢板的65%；横向波纹板组合墙承载力和初始刚度均高于纵向波纹板组合墙，且随着高宽比从4∶1(2 440 mm×610 mm)下降至2∶1(2 440 mm×1 220 mm)时，单位抗剪承载力略有下降，而初始刚度大幅提高.

3) 通过MINO-900波纹板组合墙的研究和分析，圆洞和方洞对组合墙抗剪性能的影响无明显差异，而开洞面积对其影响显著.