轻钢龙骨-黄麻纤维生物基面板组合墙体抗震性能分析

吴 长, 陈星宏, 刘家乐

(1.兰州理工大学 土木工程学院, 甘肃 兰州 730050; 2.兰州理工大学 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心, 甘肃 兰州 730050)

冷弯薄壁轻钢结构体系大致可分为四种：C型轻钢骨架体系、H型轻钢骨架体系、无比轻钢龙骨体系和筑巢轻钢龙骨体系.其中筑巢轻钢龙骨体系和传统砖混结构类似，同为墙承重体系，墙体在整个结构中起抵抗竖向力和各种水平力的作用.目前可在轻钢骨架上覆秸秆板、定向刨花板(OSB板)、石膏板、胶合板和钢板等结构板材形成组合墙体结构体系[1].

随着人们对环境保护的愈加重视，世界各国加大对可再生材料的研发和应用.美国、德国和日本等发达国家最早对生物基材料聚羟基脂肪酸酯(PHA)进行基础性研究[2-3].吴蓉[4]将脱硫石膏、秸秆、聚苯颗粒按一定比例组合并掺入适量外加剂加水拌合制成新型墙板；李晓东等[5]通过正交试验在确定NaOH、生石灰和水泥的最佳掺量的基础上，研究了不同植物纤维、水胶比、减水剂对复合胶凝材料基本力学性能的影响；岳孔等[6]采用初步成型及加湿增强的方法将小麦秸秆、石膏和结构胶黏剂形成复合板材；雒锋等[7]以秸秆灰和石灰为主要原材料制备硅酸钙板.

近年来，许多学者已对轻钢龙骨墙体展开了研究.张波[8]对筑巢轻钢龙骨组合墙体施加恒定竖向荷载和水平低周往复循环荷载，研究其抗剪性能；李元齐等[9]对龙骨与覆面板自攻螺钉连接的轻钢龙骨剪力墙进行了抗震性能分析；Khaliq等[10]研究了单调荷载作用下内部填充聚苯乙烯泡沫混凝土的冷弯薄壁型钢-纤维水泥板墙体的抗剪性能；Zeynalian等[11]通过OpenSees软件建立了以纤维水泥板(FCB)为覆面板的冷弯型钢剪力墙模型，对其进行非线性增量动力分析；Zhou等[12]研究了一种以纤维水泥压力面板(FCP)作为护套的框架墙，提出了一种新型连接形式；胡志成[13]针对钢骨架纤维增强水泥板组合墙板，将格构式梁柱纯框架与新型组合墙板的格构式框架进行拟静力性能对比分析；Xu等[14]提出了一种高强度泡沫混凝土(HFC)填充冷弯薄壁钢(CTS)覆稻草纤维板的复合墙体(HFCS复合墙体)；闫维明等[15]提出了一种带有铅阻尼器的冷弯薄壁型钢组合墙结构体系，并基于角部连接方式、面板铆钉间距及种类对其进行抗震性能研究；田稳苓等[16]提出了一种设置方钢管连接件的泡沫混凝土轻钢龙骨复合墙体；马杰等[17]提出一种在墙体四周增设焊接刚性边框的新型装配式刚边框-冷弯薄壁型钢骨架组合墙体.

在以往的研究中很少有将生物基材料和轻钢龙骨墙体相结合的结果，本次研究将冷弯薄壁型轻钢龙骨和黄麻纤维生物基面板结合组成墙体，利用ANSYS有限元软件，建立组合墙体的简化力学计算模型.对不同黄麻纤维生物基面板厚度的组合墙体施加竖向荷载和水平低周往复荷载，研究不同面板厚度对组合墙体抗震耗能能力的影响，本文研究成果可有力地推动装配式轻钢龙骨-生物基面板结构体系在村镇房屋建设中的应用.

1 组合墙体的基本构造及组成

1.1 轻钢龙骨架的基本构造及组成

筑巢轻钢龙骨体系的基本组成单元为矩形截面的冷弯薄壁型钢、自攻螺钉、Z形和蝶形连接件等.在本次研究中，两根尺寸为40 mm×40 mm×1.2 mm的冷弯薄壁型钢和厚度1.5 mm的Z形连接件通过自攻螺钉连接形成片柱，片柱和Z形连接件通过自攻螺钉连接形成方柱.两根尺寸为50 mm×70 mm×1.5 mm的方钢管同Z形和蝶形连接件通过自攻螺钉连接形成墙体上下部分的楼层桁架梁，如图1至图3所示.

图1 蝶形连接件连接的桁架梁

图2 Z形连接件连接的桁架梁(mm)

图3 LSWB墙体(mm)

1.2 黄麻纤维生物基面板的基本构造及组成

黄麻纤维生物基面板是将黄麻、椰丝、秸秆、纸浆等植物纤维和生物基树脂通过复合共挤一次成型技术挤出的新型生物基面板.具体的生产工艺流程如图4所示.

图4 黄麻纤维生物基面板生产工艺流程

图5是对黄麻纤维生物基面板小块断面分别放大35倍、100倍、500倍和1 000倍得到的SEM图像.由图5可知，面板断面的纤维整体排列具有一定方向性，是由纤维和生物基树脂挤出方向决定的.生物基树脂将纤维紧紧包裹，因此面板整体致密性和刚度较好.

图5 黄麻纤维生物基面板SEM图像

2 黄麻纤维生物基面板材性试验

试验选用由潍坊云鼎新材料科技有限公司提供的标准厚度为8.35 mm的黄麻纤维生物基面板为样板.为测定面板的弹性模量和静曲强度，试验参考《定向刨花板》(LY/T 1580-2010)[18]中的规定在面板上切割试件，得到10个测试试样如图6所示.

图6 面板试件

通过WDW-100D型电子万能材料试验机，采用三点弯曲法测定黄麻纤维生物基面板的弹性模量和静曲强度[19].试验前在试件上标记好加荷辊和支撑辊的具体位置，支撑辊间距240 mm.在试件下方跨中位置处布置量程为10 mm的百分表，并通过磁性支座固定，用于测量试件跨中处的最大变形，如图7所示.通过两点法得到弹性变形范围内荷载-挠度曲线.

图7 试验加载装置

静曲强度σb:

(1)

弹性模量Eb:

(2)

式中：σb为试件静曲强度，MPa；Eb为试件的弹性模量，MPa；Fmax为试件破坏时的最大载荷，N；l1为两支座间距离，mm；b、t分别为试件宽度、厚度，mm；F2-F1为在载荷-挠度曲线中直线段内载荷的增加量，N；a2-a1为试件中部变形的增加量，mm.

通过式(1)和式(2)可得到黄麻纤维生物基面板的弹性模量和静曲强度见表1.面板在集中荷载作用下，在塑性变形末期突然发生脆性断裂，断口截面处较为整齐.在加载期间，面板跨中部位处出现较大的竖向挠度，加载面下方平行于断口方向出现一系列横向裂纹，如图8所示.黄麻纤维生物基面板每个方向的弹性模量和静曲强度均大于定向刨花板[18].

表1 黄麻纤维生物基面板材性参数

图8 试件断裂图

3 组合墙体有限元模型与验证

3.1 有限元模型设计

利用ANSYS/Structural有限元分析软件对墙体进行建模，采用BEAM188单元模拟轻钢龙骨组合墙体，采用COMBIN39单元模拟半刚性节点连接.引用文献[8]中S350镀锌钢的基本材料性能参数，采用双线性弹塑性强化材料本构关系定义弹性模量、屈服应力和切线模量，从而建立钢材的本构模型.

重庆大学的相关研究表明，在筑巢轻钢龙骨体系中大部分节点的连接不是传统的刚性连接，而是属于半刚性节点，即能够传递弯矩又具有相对的转角[20].在ANSYS中非线性COMBIN39单元通过定义F-D曲线(Μ-θ曲线)来模拟半刚性，不同类型的节点之间的连接分别参照图9所示的Μ-θ曲线来定义COMBIN39单元的力学表现行为.

图9 组合墙体半刚性节点线性模型

实际试验过程中，组合墙体是通过底部桁架梁的下弦杆和连接件以及化学螺栓与混凝土基座连接，让组合墙体固接在基座上，保证组合墙体的水平方向不会与基座发生相对滑移，以及组合墙体平面外的前后倾倒.根据现实情况进行模拟，ANSYS有限元模型中，耦合组合墙体底部相应节点的6个自由度为UX=0、UY=0、UZ=0以及ROTX=0、ROTY=0、ROTZ=0.

3.2 等效截面简化

组合墙体的宽度和高度远远大于墙体的厚度，因此，单从受力角度考虑，可以将3维组合墙体简化为2维组合墙体来分析.此外，楼层桁架梁和方柱是通过冷弯薄壁方钢管和连接件通过自攻螺钉连接而成，可将楼层桁架梁截面和方柱截面按照主轴平面内刚度等效的原则等效为单个实截面，将片柱按照主轴平面内刚度等效原则等效为单个矩形管，如图10所示.

图10 截面等效简化(mm)

3.3 有限元模型验证

建立文献[8]中LSWB-1和LSWB-3两种墙体的有限元模型.采用先推后拉的方式对墙体施加水平低周循环荷载，模拟研究组合墙体的受力特点、变形特征和骨架曲线，得出两种墙体的位移云图、Mises应力云图，分别如图11和图12所示.

图11 总位移云图

图12 应力云图

从LSWB-1和LSWB-3组合墙体有限元模型总位移云图和Mises应力云图可以看出：荷载施加后，LSWB-1组合墙体最大位移出现在楼层桁架梁处，也就是荷载直接作用处，墙体仍处在弹性阶段；LSWB-3组合墙体最大位移出现在楼层桁架梁处，而且靠近荷载作用点处的斜向支撑也有不同程度的屈曲变形，斜撑承担了大部分墙体的侧向荷载将模拟得到的两种墙体的P-Δ曲线和试验得到的曲线进行对比，如图13所示.结果显示模拟结果和试验现象吻合，从而验证了通过将方柱、楼层桁架梁和片柱节点等效简化,用COMBIN39单元模拟节点连接所建立的有限元计算模型的正确性.

图13 P-Δ曲线对比

4 组合墙体抗震性能分析

4.1 参数分析

采用LSWB型组合墙体(如图3所示)，分析不同黄麻纤维生物基面板厚度对组合墙体抗震性能的影响.为了方便对墙体进行不同的参数分析，将有限元墙体模型进行编号，分别为WALL-1、WALL-2、WALL-3;黄麻纤维生物基面板厚度分别对应为10、12、14 mm.

4.2 加载制度

对轻钢龙骨-黄麻纤维生物基面板组合墙体施加的荷载分为竖向荷载和水平低周往复循环荷载两部分.其中，对组合墙体立柱中心处施加33kN的竖向荷载.根据《建筑抗震试验规程》(JGJ/T101-2015)规定[21]，在组合墙体立柱和上部楼层桁架梁交点中心点处施加位移荷载.选取层间位移角1/400、1/300、1/200、1/150、1/100、1/75、1/60、1/50、1/40、1/30为墙体的位移荷载.每一级循环一次，最后位移值归零.具体的加载制度如图14所示.

图14 加载制度

4.3 滞回曲线分析

为研究不同黄麻纤维生物基面板厚度的组合墙体抗震性能，对不同面板厚度的LSWB型组合墙体施加水平低周往复循环荷载，得到墙体结构的滞回曲线如图15所示.

图15 不同面板厚度的组合墙体滞回曲线

对比分析WALL-1、WALL-2和WALL-3组合墙体的滞回曲线可知：WALL-1、WALL-2和WALL-3组合墙体以及加载制度具有对称性，三榀组合墙体的荷载-变形曲线表现出了较好的对称性.在加载初期，墙体整体处于弹性工作阶段，荷载-变形曲线呈线性关系，滞回环几乎重合成一条直线，此时组合墙体能量耗散较少.随着循环荷载的继续施加，墙体进入弹塑性工作阶段，墙体结构变形大于荷载的增加，滞回曲线开始向塑性变形方向扩展，墙体的耗能开始增加.三榀组合墙体的滞回曲线全部为梭型，滞回环扩展形成的面积随着黄麻纤维生物基面板厚度的增加而增加，墙体的塑性变形能力增加.

4.4 耗能分析

结构的能量耗散能力通常以滞回曲线所包围的面积来衡量，用能量耗散系数E评价[21]，如图16所示.

图16 能量耗散系数的确定

(3)

式中：S(ABC+CDA)是图16中滞回曲线包围的面积；S(OBE+ODF)是图16中三角形OBE和ODF之和.

由于加载阶段荷载-变形曲线围成的面积反映结构吸收能量的大小，卸载和加载阶段荷载-变形曲线围成的面积为结构耗散的能量，这些能量是结构通过内摩擦或结构构件局部变形、损伤将外界荷载转化为内能耗散.滞回曲线越饱满，结构的能量耗散能力越好，抗震能力也越强.通过计算得到的不同黄麻纤维生物基面板厚度的三榀组合墙体的能量耗散系数E见表2.随着面板厚度的增加，墙体的能量耗散能力也在增加，黄麻纤维生物基面板和方柱连接处发生平面外变形而形成塑性角，从而提高墙体结构的整体耗能能力.

表2 不同面板厚度的组合墙体能量耗散能力

4.5 骨架曲线分析

骨架曲线主要用于反映结构的承载力、刚度和延性等特性.不同黄麻纤维生物基面板厚度的组合墙体骨架曲线如图17所示.由图17可知，试件骨架曲线包括弹性阶段、屈服阶段以及塑性阶段.WALL-1墙体在循环过程中承载力较低，试件整体侧移为108.42 mm.WALL-2和WALL-3试件初始刚度较大，推拉基本平衡，WALL-2试件的整体位移为164.25 mm，WALL-3试件的整体位移为165.74 mm，体现了筑巢轻钢龙骨-黄麻纤维生物基面板组合墙体具有良好的承载能力和刚度.

图17 不同面板厚度的组合墙体骨架曲线

4.6 刚度退化分析

试件刚度退化是衡量结构抗震性能的一个重要指标，采用割线刚度法研究模型刚度退化情况，结构刚度K应按照下式计算：

(4)

式中：+Fi、-Fi分别为第i次正、反向峰值点的荷载值；+Xi、-Xi分别为第i次正、反向峰值点的位移值.

不同黄麻纤维生物基面板厚度的组合墙体刚度退化随加载位移变化曲线如图18所示.从整体上看，WALL-1、WALL-2和WALL-3组合墙体的刚度退化曲线具有相似的变化趋势：加载位移小于32.85 mm时，三榀墙体的刚度随位移荷载的施加下降缓慢，刚度曲线近似于一条水平直线.加载位移大于32.85 mm时，三榀墙体的刚度随位移荷载的增加而迅速丧失，墙体塑性变形迅速扩展.

图18 不同面板厚度的组合墙体刚度退化曲线

荷载施加完成后，WALL-1墙体的刚度从1.98 kN/mm减小到0.82 kN/mm，墙体刚度丧失了58.9%；WALL-2墙体的刚度从2.01 kN/mm减小到0.87 kN/mm，墙体刚度丧失了56.8%；WALL-3墙体的刚度从2.04 kN/mm减小到0.90 kN/mm，墙体刚度丧失了55.7%.故提高黄麻纤维生物基面板厚度，可以在一定程度上提高组合墙体的初始刚度，刚度丧失幅度也有所降低.

5 结论

基于装配式轻钢龙骨结构体系和生物基纤维材料发展的背景，研究黄麻纤维生物基面板的基本构造组成和理化性能.通过ANSYS有限元软件建立组合墙体的简化力学分析计算模型，分析黄麻纤维生物基面板厚度对组合墙体抗震耗能性能的影响，得出以下结论：

1)黄麻纤维生物基面板的弹性模量和静曲强度优于传统的OSB板.纤维排列具有一定的方向性，纤维和生物基树脂均匀混合，整个面板具有一定的强度和致密性.

2)WALL-2和WALL-3相较于WALL-1墙体的滞回曲线更加饱满，抗震性能更好，WALL-2和WALL-3墙体的能量耗散系数E分别比WALL-1墙体大21.35%、24.16%，面板厚度为14 mm的组合墙体耗能性能更优.

3)增加黄麻纤维生物基面板厚度可以加大组合墙体的塑性变形能力，提高组合墙体的初始刚度.加载完成后，WALL-1、WALL-2、WALL-3墙体的刚度分别丧失了58.9%、56.8%和55.7%.故增加面板厚度可以减小刚度退化幅度，提高刚度残余.