冷弯薄壁型钢-轻聚合物复合墙板抗弯试验研究与数值分析

潘广东, 王静峰,2, 贾莉莉, 汪皖黔, 庞 帅

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程结构与材料省级实验室,安徽 合肥 230009)

冷弯薄壁型钢结构具有轻质环保、安装简便及成本低廉等优点,已经在日本、欧美等发达国家和地区得到广泛应用[1]。尽管我国针对冷弯薄壁型钢结构的研究与应用起步较晚,但是近年来国家大力支持发展装配式建筑和绿色建筑,因此该结构体系今后在我国有着广阔的发展空间和应用前景。作为冷弯薄壁型钢结构体系的重要承重构件之一,传统的轻钢龙骨墙板多为空心墙板,内部填充保温棉等材料,如果设计和施工不合理,其保温、隔热、隔音效果较差,在一定程度上制约了轻钢龙骨墙板在我国的进一步发展。本文研究了一种新型装配式墙板,即冷弯薄壁型钢-轻聚合物复合墙板,以C型冷弯薄壁型钢为墙板龙骨架,两侧覆面板或保温层,在墙板内腔填注水泥基或石膏基轻聚合物,如图1所示。与传统轻钢龙骨墙板相比,冷弯薄壁型钢-轻聚合物复合墙板弥补了其不足,显著提升了墙板的保温、隔热、隔音及耐火性能,而且增强了墙板的承载能力和整体性。因此,该新型复合墙板可以作为低层房屋的承重墙板,也可以作为多、高层房屋的围护墙板,具有良好的工程应用前景和推广价值。

图1 冷弯薄壁型钢-轻聚合物复合墙板构造

近年来,国内外对于轻钢龙骨墙板进行的大量试验和理论研究主要集中在轴压、抗剪、抗震性能方面[2-8],对抗弯性能的研究相对较少。文献[9]以龙骨厚度和腹板高度为设计参数,进行了12块两侧为石膏板的轻钢龙骨组合墙板的抗弯试验研究;文献[10]进行了两侧无面板、单侧有面板、双侧有面板3种不同构造的轻钢龙骨组合墙板的抗弯试验研究;文献[11-12]分别进行了不同构造的轻钢龙骨墙板的抗弯试验研究。

目前,针对冷弯薄壁型钢-轻聚合物复合墙板的研究尤其是抗弯性能研究成果较少。为了获悉该墙板的抗弯性能,本文进行了6块该复合墙板抗弯试验,采用有限元分析软件ABAQUS建立了复合墙板的数值分析模型,并验证了数值分析模型的准确性,分析了钢材强度、轻聚合物填料强度、面板类型以及面板厚度对复合墙板抗弯性能的影响,可为冷弯薄壁型钢-轻聚合物复合墙板应用和推广提供参考。

1 试验概况

1.1 试验构件

本次冷弯薄壁型钢-轻聚合物复合墙板抗弯试验共设计了6块试件,其长度均为3 000 mm,宽度均为1 200 mm。墙板厚度与填料类型见表1所列。

表1 试件墙板厚度与填料类型

注:轻聚合物填料厚度均为89 mm。

各试件示意图如图2所示(单位为mm)。试件的龙骨架均由3根C型钢立柱、2根U型导轨以及1根横向支撑通过ST4.8级自攻螺钉连接构成。其中,试件CSFW1、CSFW2龙骨架两侧无面板或保温层;试件CFSW3龙骨架上部为25 mm厚石膏基轻聚合物保温层,下部为12 mm厚石膏板;试件CFSW4龙骨架上部为25 mm厚水泥基轻聚合物保温层,下部为8 mm厚纤维水泥板;试件CFSW5、CFSW6龙骨架上部均为12 mm厚石膏板,CFSW5下部为8 mm厚纤维水泥板,CFSW6下部为12 mm厚石膏板。为方便观察实验现象,试件CFSW1、CFSW2两侧和试件CFSW3、CFSW4上侧均用3 mm厚抗裂砂浆罩面。

试件所用冷弯薄壁型钢为550 MPa镀铝锌钢板,厚度为0.9 mm,其弹性模量为216 GPa、屈服强度为615 MPa。与试件采取相同条件养护的标准水泥基轻聚合物和石膏基轻聚合物立方体试块(70.4 mm×70.4 mm×70.4 mm)达到28 d龄期后,测得其弹性模量分别为600、400 MPa,抗压强度分别为2.1、1.1 MPa。纤维水泥板和石膏板弹性模量分别为5 000、1 500 MPa,弯曲强度分别为17.25、5.20 MPa。

图2 各试件示意图

1.2 加载装置、测点布置及破坏模式

本试验采用堆叠沙袋的方式进行分级加载,每级加载0.35 kPa,间隔时间以5 min和应变、位移数据稳定为双控要求,逐级加载直至试件断裂,丧失承载能力。采用位移计测量墙板跨中挠度。加载装置和位移计的布置如图3所示。

图3 试验加载装置和位移计布置

6块复合墙板试件的破坏模式如下所述。两侧无面板或保温层的试件(试件CFSW1、CFSW2)破坏模式如图4a所示,具体表现为:墙板底部跨中处抗裂砂浆出现裂缝,C型钢立柱跨中处屈曲。上部面层为保温层、下部面层为面板的试件(试件CFSW3、CFSW4)破坏模式如图4b所示,具体表现为:墙板底部跨中处出现贯通裂缝,C型钢立柱跨中处屈曲,上部轻聚合物保温层被压溃。

两侧有面板的试件(试件CFSW5、CFSW6)破坏现模式如图4c所示,具体表现为:墙板上部面板轻微凸起,C型钢立柱跨中处屈曲,底部面板跨中处出现贯通裂缝。

图4 试件破坏模式

1.3 荷载跨中挠度曲线

各试件在均布荷载作用下的荷载跨中挠度关系曲线如图5所示。各试件的抗弯承载力F、弹性阶段抗弯刚度K见表2所列。

由图5、表2可知:

(1) 在加载初期的弹性阶段,试件CFSW4、CFSW5的抗弯刚度与试件CFSW1相比,分别提高132.5%、43.5%,试件CFSW3、CFSW6的抗弯刚度与试件CFSW2相比,分别提高45.7%、26.3%,而试件CFSW1的抗弯刚度与CFSW2相比,仅提高了8.6%,说明冷弯薄壁型钢龙骨架两侧面板以及保温层是影响复合墙板弹性阶段抗弯刚度的主要因素之一,而填料类型对其影响不大;试件CFSW5的抗弯刚度与CFSW4相比,提高61.9%,说明与受压侧为石膏板相比,受压侧为水泥基轻聚合物保温层对复合墙板弹性阶段的抗弯刚度有显著提升。

(2) 试件CFSW1的抗弯承载力与试件CFSW2相比,提高7.7%,说明填料类型对复合墙板的抗弯承载力有一定影响;试件CFSW4的抗弯承载力与试件CFSW1相比,提高71.4%,而试件CFSW3的抗弯承载力与试件CFSW2相比,仅提高7.7%,说明面板和保温层类型对复合墙板抗弯承载力有显著影响;试件CFSW4的抗弯承载力与试件CFSW5相比,提高26.3%,说明受拉侧同为纤维水泥板时,在受压侧设水泥基轻聚合物保温层对复合墙板抗弯承载力的提升比石膏板显著;试件CFSW6的抗弯承载力与试件CFSW3相比提高14.7%,说明受拉侧同为石膏板时,在受压侧设石膏板对复合墙板抗弯承载力的提升比石膏基轻聚合物保温层显著。

图5 试件荷载-跨中挠度关系曲线

试件编号加载级数F/kNK/(kN·mm-1)CFSW11417.640.542 CFSW21316.380.499 CFSW31417.640.727 CFSW42430.241.260 CFSW51923.940.778 CFSW61620.160.630

2 数值分析模型

2.1 材料本构关系

为了有效避免有限元分析模型的后期收敛困难,减少计算分析时间,假设冷弯薄壁型钢为理想弹性塑性体,采用双线性模型进行模拟[13]。轻聚合物填料采用文献[14]中的本构关系模型,面板假定为各向同性材料[15],材料属性参数可根据1.1节中材料力学性能试验结果来取值。

2.2 有限元分析模型

利用ABAQUS软件建立的冷弯薄壁型钢-轻聚合物复合墙体有限元分析模型,模型由冷弯薄壁型钢龙骨架、轻聚合物填料、上部面层以及下部面层4部分部件组成。其中,冷弯薄壁型钢龙骨架、上部面层及下部面层均采用四边形壳单元S4R进行模拟,轻聚合物填料则采用三维实体单元C3D8R进行模拟。

C型钢立柱与U型导轨的交线均采用tie连接模拟,面板与龙骨架之间自攻螺钉的作用采用点与点tie连接模拟;轻聚合物与龙骨架之间采用面与面接触模拟,法向行为设置为“硬接触”,切向行为设置摩擦系数等于0.45。

为了模拟试验的边界条件,有限元分析模型的底部一端设置2个方向位移约束,另一端设置3个方向位移约束。由于冷弯薄壁型钢龙骨架属于薄壁构件,会产生较大变形,因此在设置分析步时,考虑几何非线性。

3 试验验证

为了验证有限元分析模型的正确性,本文对6块复合墙板试件进行有限元模拟,并将有限元分析结果与试验结果进行对比分析。复合墙板抗弯承载力的试验值(Nt)和计算值(NA)见表3所列。

表3 抗弯承载力试验值与计算值比较

抗弯承载力的计算值略大于试验值,计算值与试验值的比值为1.02～1.07,误差均值为4.2%,方差为0.000 25。因此,有限元分析模型有较好的准确性,说明本文采用的有限元分析模型可以准确地分析冷弯薄壁型钢-轻聚合物复合墙板的抗弯性能。

各试件的荷载跨中挠度曲线对比如图6所示。

图6 各试件荷载-挠度关系的试验曲线与计算曲线对比

4 参数分析

基于有限元分析模型,本文设计了14个复合墙板试件,分析了钢材强度、轻聚合物填料强度、面板类型及面板厚度对冷弯薄壁型钢-轻聚合物复合墙体抗弯性能的影响。各试件的具体参数及分析结果见表4所列。各参数对墙板荷载-挠度关系曲线的影响如图7所示。

(1) 钢材强度。选取4种常用的钢材,分别为Q235、Q345、Q420及Q550。不同钢材强度对冷弯薄壁型钢-轻聚合物复合墙板的荷载-跨中挠度曲线的影响如图7a所示。在加载初期的弹性阶段,冷弯薄壁型钢-轻聚合物复合墙板抗弯刚度随着钢材强度增加而有所增加,但并不显著。随着荷载逐级增加,曲线进入塑性阶段,在塑性阶段,相同荷载作用下钢材强度高的复合墙板挠度明显减小。

与采用Q235钢材的复合墙板相比,采用Q345、Q420、Q550钢材的复合墙板抗弯承载力分别提高10.26%、18.47%、29.03%。

(2) 轻聚合物填料强度。冷弯薄壁型钢-轻聚合物复合墙板的轻聚合物填料包括水泥基和石膏基2种,以水泥基为例,选取抗压强度分别为2.1、5.0、10.0 MPa的3种水泥基轻聚合物填料进行分析,得到荷载-跨中挠度曲线如图7b所示。轻聚合物填料强度增加对复合墙板荷载-跨中挠度曲线的影响不大,说明在均布荷载作用下,轻聚合物填料对龙骨架起到一定的约束作用。

表4 参数取值变化情况

图7 各参数对墙板荷载-挠度关系曲线的影响

(3) 面板类型。选取石膏板、定向结构刨花板、纤维水泥板3种厚度均为12 mm的面板进行参数分析,面板材料力学性能指标见表5所列,荷载-跨中挠度曲线如图7c所示。在弹性阶段,面板类型对复合墙板的抗弯刚度有显著影响,与两侧为石膏板的复合墙板相比,两侧为定向结构刨花板的复合墙板抗弯刚度提高36.3%,两侧为纤维水泥板的复合墙板抗弯刚度提高85.5%。

表5 不同面板类型的材料特性

与两侧为石膏板的复合墙板相比,两侧为定向结构刨花板的复合墙板抗弯承载力提高9.12%,两侧为纤维水泥板的复合墙板抗弯承载力提高14.91%。

(4) 面板厚度。选取面板厚度分别为8、12、15、20 mm的纤维水泥板建立有限元模型。4个试件的荷载跨中挠度曲线如图7d所示。随着面板厚度增加,复合墙板弹性阶段抗弯刚度和抗弯承载力也不断增加,但达到极限荷载时所对应的挠度逐渐减小,其延性逐渐降低。与面板厚度为8 mm的复合墙板相比,面板厚度为12、15、20 mm的复合墙板抗弯刚度分别提高30.6%、63.8%、100.5%,抗弯承载力分别提高1.71%、5.85%、9.42%。

5 结 论

(1) 在均布荷载作用下,上部和下部均无面板或保温层的复合墙板破坏模式为墙板底部跨中处抗裂砂浆出现裂缝,C型钢立柱跨中处屈曲;上部为保温层、下部为面板的复合墙板破坏模式为墙板底部跨中处出现贯通裂缝,C型钢立柱跨中处屈曲,上部轻聚合物保温层被压溃;上部和下部均为面板的复合墙板破坏模式为墙板上部面板轻微凸起,C型钢立柱跨中处屈曲,底部面板跨中处出现贯通裂缝。

(2) 冷弯薄壁型钢两侧设置面板或保温层可以提高复合墙板的抗弯承载力和抗弯刚度。相比于两侧无面板或保温层的复合墙板,两侧有面板或保温层的复合墙板抗弯承载力提高了7.7%～71.4%,抗弯刚度提高了26.3%～132.5%。两侧有面板或保温层的复合墙板的抗弯承载力和抗弯刚度的增长幅度与面板和保温层类型有关。

(3) 基于ABAQUS软件,选择合适的本构关系、单元类型以及接触条件,建立了冷弯薄壁型钢-轻聚合物复合墙板的有限元分析模型,将计算结果与试验结果进行比较,验证了模型的准确性以及可靠性。

(4) 影响冷弯薄壁型钢-轻聚合物复合墙板均布荷载作用下抗弯承载力的主要因素有钢材强度和面板类型;面板类型和面板厚度是影响复合墙板抗弯刚度的主要因素,而钢材强度对复合墙板抗弯刚度的影响较小。

(5) 增大面板厚度可以显著提高冷弯薄壁型钢-轻聚合物复合墙板在弹性阶段的抗弯刚度,但是降低了复合墙板的延性。