新型装配式轻钢龙骨外挂墙板数值计算分析

2022-01-07汪继尧张其林

结构工程师 2021年5期

汪继尧张其林

（同济大学建筑工程系，上海 200092）

0 引言

轻钢龙骨墙板是以冷弯薄壁型钢为骨架、外侧覆板的装配式墙板，已在日本、欧美等国家和地区得到了广泛的应用。近年来，国家大力发展装配式建筑，轻钢龙骨墙板作为装配式钢结构体系的主要配套部品，承载了围护、保温、美观等功能。国内外许多学者对轻钢龙骨复合墙板的力学性能进行了一系列的研究，Serrette［1］对不同材料覆板的轻钢龙骨墙体的抗剪性能进行了研究，指出覆板对墙板的抗剪性能有提升作用。Tian［2］同样对不同材料覆板的轻钢龙骨墙板的抗剪性能进行了研究，而且还考虑了支撑数量的影响。周天华［3］对不同构造的三类轻钢龙骨墙板进行了水平和低周荷载的试验，得到其抗剪能力。秦雅菲［4］对无支撑和带三种不同构造支撑的轻钢龙骨墙板立柱骨架进行了轴压试验，得到了立柱计算长度系数。董军［5］推导了轻钢龙骨墙板抗剪承载力的公式，并通过试验验证了该公式是合理可信的。张文莹［6］对4 块波纹钢板覆面的轻钢龙骨剪力墙进行了单调和往复加载，研究了抗震性能。

然而国内外研究主要集中在轻钢龙骨墙体作为承重结构的抗剪、轴压和抗震的性能，对于非承重结构以及抗弯研究较少。Peterman［7］对不盖板和不同材料覆板的单侧盖板、双侧盖板的轻钢龙骨墙板的抗弯状态进行了研究。耿悦［8］对腹板开孔的轻钢龙骨墙板的抗弯性能进行了试验并得到破坏模式。王静峰［9］对一种内部有轻聚合物填料的轻钢龙骨墙板的抗弯性能进行了研究，指出其具有较高的抗弯能力。谈成龙［10］对一种具有水泥纤维板和聚氨酯硬泡的轻钢龙骨墙板进行了数值模拟，分析龙骨规格、布置以及板材对抗弯性能的影响。白钰山［11］对轻钢龙骨外挂墙板的抗风性能进行了试验和数值验证，讨论了龙骨布置情况、板面开洞、墙板厚度等因素对墙板抗弯性能的影响，对本文具有较大启发作用。

目前针对轻钢龙骨复合墙板在均布荷载作用下的受弯研究较少，大多只对单片墙板进行了研究。为了研究轻钢龙骨外挂墙板整体的抗风内力分布情况，探讨适应其计算的简化模型，本文以一种由覆板+冷弯薄壁型钢组成的具有新式连接的轻钢龙骨外挂墙板为研究对象，建立整体模型，分析墙板跨数、是否开洞、模型简化程度对计算精度的影响。

1 墙板概况

轻钢龙骨复合装配式外挂墙板由镀锌冷弯薄壁型钢、压型钢板、挤塑板组成。墙板分为开洞和不开洞两种类型，开洞是为了考虑窗户。不开洞墙板尺寸为2 628 mm×3 900 mm；开洞墙板尺寸为5 332 mm×3 900 mm，洞口尺寸为5 372 mm×1 800 mm。墙板四周和中间布置合适间距的冷弯薄壁型钢作为龙骨骨架。作为主要受力构件，龙骨骨架分为纵向龙骨和横向龙骨：纵向龙骨主要为80 mm×40 mm×2.0 mm（高度×宽度×板件厚度）的矩形方钢管；横向龙骨主要为140 mm×60 mm×20 mm×2.5 mm（腹板高度×翼缘宽度×卷边宽度×板件厚度）的C 型钢，钢材均为Q235。轻钢龙骨骨架的做法是，横向龙骨切口，纵向龙骨保持贯通与纵向龙骨相交，并在相交处通过J 型钢连接件与自攻螺钉将纵、横向龙骨的翼缘或腹板相固定，成为单元刚性体。外侧自攻螺钉穿过20 mm厚挤塑板和0.4 mm 厚的压型钢板与龙骨骨架相连接；内侧自攻螺钉穿过10 mm厚的石膏板与龙骨骨架连接。墙板之间的接缝采用扣件与密封胶相连，起到防水防渗的作用。轻钢龙骨墙板剖面如图1所示，墙板之间的接缝如图2 所示，墙板龙骨布置尺寸如图3所示。

图1 墙板剖面图（单位：mm）Fig.1 Wall panel profile（Unit：mm）

图2 墙板接缝图（单位：mm）Fig.2 Wall panel joint（Unit：mm）

图3 龙骨布置图（单位：mm）Fig.3 Keel layout（Unit：mm）

轻钢龙骨外挂墙板的挂件连接节点与结构主体相连，起到了传递墙板受荷的作用。传统外挂墙板是一个层间与开间安装一片墙板，墙板通过四个顶点的挂件与结构主体相连。而本文的外挂墙板则跨越两个层间，下层墙板通常高出楼面1 000 mm 作为上一层的窗台。而挂件与纵向龙骨的中间某部位相连，并非与四个顶点相连。在竖直方向上，各层楼同一位置都是相同类型的墙板。挂件构造具体是在楼面相应位置预留孔洞，通过焊接节点板与打入螺栓固定住墙板。墙板安装如图4所示，挂件构造如图5所示。

图5 结构支承点Fig.5 Structural hang joint

对于正常使用荷载的计算，可以根据《建筑结构荷载规范》的下式选取：

式中：βgz为高度为z处的阵风系数，这里取1.57；μsl为局部体型系数，迎风面取1.0；μz为风压高度变化系数，这里地面粗糙度为C 类，取1.52；ω0为基本风压，根据规范取0.5 kN/m2。

经计算ωk=1.19 kN/m2。

2 有限元模型建立

为了研究墙板跨数、是否开洞、模型简化程度对整体墙板计算精度的影响，根据上述因素，设计了9 个整体模型，并采用有限元分析软件3D3S 建立相应的整体墙板模型。墙板参数如表1所示。

表1 整体模型参数Table 1 Parameters of different integral models

本文只考虑轻钢龙骨骨架的抗弯计算。试件PSW1～PSW6“龙骨骨架模型”即为真实的轻钢龙骨骨架。试件PSW7～PSW9“连续梁模型”则是考虑夏冰青［12］和刘振岐［13］提出的轻钢龙骨墙板主要为纵向龙骨承担荷载，与图6 的连续梁模型相似，以此探讨是否可以简化为连续梁模型计算。

图6 连续梁模型Fig.6 Continuous beam model

试件所用冷弯薄壁型钢为Q235，弹性模量2.06×105MPa，屈服强度235 MPa，泊松比为0.3。

龙骨骨架均采用杆单元。建模过程首先根据第一节中图3 的描述，用CAD 的Line 指令绘制单片墙板的骨架线条；再用3D3S的“指派”功能添加相应的冷弯薄壁型钢以及调整方位；再根据图4的描述，在对应的位置添加支座约束。支承节点根据第一节的描述，设置为固定铰支。风荷载按照双向导荷到龙骨上；对于连续梁模型，分担荷载为最大墙板宽度的一半，按线性均布荷载添加。建立单片墙板之后，根据表1 分别复制相应的跨数，组装成不同的试件模型。上下墙板之间的约束，根据第一节图1 和图2 接缝处的描述，设置为铰接耦合连接。

为了方便分析，需要对模型做出以下假定：①纵、横向龙骨之间的连接可靠不会破坏，节点为刚性连接；②支承节点不会破坏和产生滑移变形，约束始终可靠；③上下墙板之间的连接始终不会破坏。各墙板有限元模型如图7所示。

3 数值分析结果

3.1 单片墙板内力分析结果

通过有限元数值分析，得到9 个模型的计算结果，较大的单片墙板内力如图8 所示。分析如表2 所示。从单片墙板弯矩图可以看出，开洞和不开洞墙板纵向龙骨的弯矩远比横向龙骨的大。开洞墙板横向龙骨最大弯矩和剪力只有纵向龙骨的19.23%和28.68%；不开洞墙板横向龙骨最大弯矩和剪力只有纵向龙骨的35.59%和38.71%。纵向龙骨弯矩图围成的面积也远大于横向龙骨，弯矩曲线较为饱满。因此可以认为轻钢龙骨墙板是主要受弯构件，并验证了文献夏冰青［12］和刘振岐［13］提出的纵向龙骨为主要受力构件的说法。

图8 单片墙板弯矩（单位：kN·m）Fig.8 Single wall moment（Unit：kN·m）

表2 纵向龙骨内力与横向龙骨内力对比Table 2 Comparison of internal force of longitudinal and transverse kell

3.2 墙板跨数与是否开洞分析

本文的研究目的是探讨墙板跨数、是否开洞与模型简化程度对计算精度的影响，即模型建立方式对内力计算差异程度的影响。重要的参数有最大内力值、最大内力出现位置、内力分布的走向和趋势。由3.1节可知，纵向龙骨是均布荷载下的主要受弯构件，因此只需要分析纵向龙骨的内力分布情况，横向龙骨内力可以忽略。

同时，由于墙板跨数较多，需要分析的参数较多，为了方便分析，根据内力分布的相似情况，分为最底端墙板（底跨）、最顶端墙板（顶跨）、中间部位墙板（中跨）。开洞和不开洞墙板纵向龙骨的弯矩、剪力分布曲线如图9所示。

图9 开洞、不开洞墙板内力曲线比较Fig.9 Comparison of internal force curve of opening wall and non-opening wall panels

对于开洞墙板，计算模型的跨数分别为3 跨、5 跨、10 跨时，其底跨、顶跨和中跨的纵向龙骨弯矩和剪力曲线分别高度重合，不仅走向和趋势一致，并且内力最大值和内力最值出现的位置也几乎完全一样。只有底跨墙板的弯矩最大值有不同，PSW1 底跨弯矩最大值为4.398 kN·m，PSW2 底跨弯矩最大值为4.692 kN·m，PSW3底跨弯矩最大值为4.761 kN·m，差值分别为6.68%和8.25%。

对于不开洞墙板，计算模型的跨数分别为3跨、5跨、10跨时，其底跨、顶跨和中跨的纵向龙骨弯矩和剪力曲线分别高度重合，不仅走向和趋势一致，并且内力最大值和内力最值出现位置也几乎完全一样。只有底跨墙板的弯矩最值有不同，PSW4 底跨弯矩最大值为2.316 kN·m，PSW5 底跨弯矩最大值为2.531 kN·m，PSW6 底跨剪力最大值为2.582 kN·m，差值分别为9.28%和11.48%。

因此，可以得出结论，随着墙板竖向跨数的增多，建模计算的内力值和内力分布情况几乎完全一样，可以认为内力不存在差异。因此竖向跨数大于3跨时，均可以简化为3跨墙板进行计算。

同时对比开洞和不开洞墙板的弯矩、剪力曲线，纵向龙骨的内力差异巨大，不仅内力走向和趋势完全不同，并且内力最值和内力最值出现的位置也完全不同。开洞墙板的弯矩最值比不开洞墙板弯矩最值最大为232.3%，最小为185.7%；开洞墙板的剪力最值比不开洞墙板剪力最值最大为240.13%，最小为202.86%。

因此得出结论，开洞墙板和不开洞墙板纵向龙骨的内力计算结果差异巨大，在建模时应分别考虑开洞和不开洞的影响。

3.3 模型简化程度分析

由第2节所述，“龙骨骨架模型”即为真实的轻钢龙骨骨架模型，“连续梁模型”即为将墙板简化为如图6所示的连续梁模型。真实骨架模型和连续梁模型的不同跨数的弯矩、剪力曲线如图10所示。

图10 真实模型与连续梁模型内力曲线对比Fig.10 Comparison of internal force curve of real model and continuous beam model

对比分析可知，连续梁模型的弯矩、剪力曲线走向和趋势与真实模型非常相似，几乎可以视为相同。真实模型底跨、中跨、顶跨的弯矩最值分别为4.30 kN·m、5.72 kN·m、2.56 kN·m，连续梁模型分别为4.58 kN·m、6.38 kN·m、2.21 kN·m，差值分别为6.5%、11.54%、13.67%。真实模型底跨、中跨、顶跨剪力最值分别为6.98 kN、5.52 kN、8.13 kN，连续梁模型分别为6.03 kN、5.16 kN、7.30 kN，差值分别为13.61%、6.52%、10.21%。因此，内力最值存在差异，但是差异并不是很大。并且从曲线可以看出，内力最值出现的位置真实模型与连续梁模型几乎完全一致。因此，可以得出结论，连续梁模型的弯矩、剪力在一定程度内可以较好地反映真实龙骨模型的内弯矩、剪力曲线分布情况，但是连续梁模型的弯矩曲线偏于安全、剪力曲线偏于危险。