复合保温外墙凹槽板受力性能有限元分析

唐伟明，刘然，徐骞，林朋朋，黄祁聪

（1.中建八局文旅博览投资发展有限公司，南京 211111；2.清华大学建筑设计研究院有限公司，北京 100084；3.重庆市现代建筑产业发展研究院，重庆 400042）

1 引言

装配式钢结构具有工业化生产速度快、 装配化施工程度高等优势。传统钢结构的外墙板由于连接件的限制，保温厚度较厚时不易连接，连接件的冷桥较多，难以实现超低能耗建筑，并且室内露梁露柱，作为住宅使用较为不便。本文计算的复合保温外墙凹槽板，内外页墙和保温层采用对拉螺栓拉结，并且内叶墙托在楼板上，外叶墙挂在钢梁上，保温厚度较厚时仍能可靠连接，且连接件之间采用了防止冷桥的构造，进一步提高了保温性能。外叶墙采用有装饰性且硬度较高的挤出水泥板，可实现保温装饰一体化，对钢结构住宅的推广有积极作用。

2 有限元模型

2.1 几何模型

复合保温外墙凹槽板使用专用连接件与钢梁相连，如图1所示。连接件顶部托住上层凹槽板的外叶墙，通过卡件卡住上、下层凹槽板，防止凹槽板进行平面外运动。连接件在通过对穿螺栓与垫片和角钢连接，角钢焊接在钢梁上。

图1 复合保温外墙凹槽板连接节点

外叶墙是带有通长孔的挤出成型水泥条板，墙板的专用连接件如图2 所示，螺栓头插入连接件后旋转90°后卡住。

图2 专用连接件

2.2 模型建立

超低能耗复合保温外墙凹槽板外叶墙、墙体专用连接件、与钢梁连接的角钢连接件及整体节点如图3 所示，内叶墙自承重，本次有限元计算中未建模。

图3 构件有限元模型

2.3 材料本构关系

本构关系是进行有限元分析的基础。钢材、垫片的本构关系采用ABAQUS 软件中提供的各向同性材料，塑性定义为多折线的理想塑性。钢材屈服强度235 MPa，极限强度400 MPa，弹性模量2.06×105MPa，泊松比0.3。垫片的本构关系参照厂家提供的参数，屈服强度24.2 MPa，弹性模量2 830 MPa，泊松比0.47。

混凝土选用GB 50010—2010 《混凝土结构设计规范》[1]（2015 年版）建议的塑性损伤模型的应力-应变曲线。C30 混凝土采用规范的抗拉强度2.01 MPa，抗压强度20.1 MPa，弹性模量30 000 MPa，泊松比0.2。

2.4 计算工况

风荷载由GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[2]的维护结构风荷载计算公式：

式中，ωk为风荷载标准值，kN/m2；μz为风压高度变化系数；ω0为基本风压，kN/m2；βgz为高度z 处的阵风系数；μsl为局部风压体型系数。

以北京地区为例，基本风压0.45 kN/m2,得到风吸力7.46×10-4N/mm2；重力荷载采用重力场施加9 800 mm/s2。多遇地震水平地震影响系数最大值、 罕遇地震水平地震影响系数最大值由GB 50011—2010 《建筑抗震设计规范》（2016 年版）[3]（以下简称《抗震规范》），北京地区分别取0.16 和0.9；动力放大系数βe由GB/T 51231—2016 《装配式混凝土建筑技术标准》[4]，取5；多遇地震、罕遇地震水平地震场加速度分别取7 840 mm/s2和44 100 mm/s2。由《抗震规范》中第5.3 条，竖向地震影响系数最大值取为水平地震影响系数最大值的65%，等效重力荷载取重力荷载代表值的75%，求得的竖向地震作用乘以增大系数1.5，多遇地震、罕遇地震竖向地震场加速度分别取为5 733 mm/s2和32 250 mm/s2。《抗震规范》中5.4 条及JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[5]（以下简称《高层建筑规程》）中5.6 条，给出了重力荷载代表值、水平地震、竖向地震以及风荷载的组合，罕遇地震参考 《高层建筑规程》中3.11.3 条性能化抗震，罕遇地震下的荷载组合SGE+SEhk+0.4SEvk≤Rk，竖向地震控制时SGE+0.4SEhk+SEvk≤Rk。式中，Rk为截面承载力标准值；SGE为重力荷载代表值的效应；SEhk为水平地震作用标准值的构件内力；SEvk为竖向地震作用标准值的构件内力。

分别计算5 种最不利工况的荷载组合。

1）重力荷载与风荷载组合：1.3×重力（重力场向下）+1.5×风荷载（面荷载向外）。

2） 多遇地震作用下荷载组合：1.2×重力 （重力场向下）+1.3×水平地震（水平向外场力）+0.5×竖向地震（竖直向下场力）+0.2×1.4×风荷载（面荷载向外）。

3）竖向地震起控制作用的多遇地震作用下荷载组合：1.2×重力（重力场向下）+0.5×水平地震（水平向外场力）+1.3×竖向地震（竖直向下场力）+0.2×1.4×风荷载（面荷载向外）。

4） 罕遇地震作用下荷载组合：1.0×重力 （重力场向下）+1.0×水平罕遇地震（水平向外场力）+0.4×竖向地震（竖直向下场力）。

5）竖向地震起控制作用的罕遇地震作用下荷载组合：1.0×重力（重力场向下）+0.4×水平罕遇地震（水平向外场力）+1.0×竖向罕遇地震（竖直向下场力）。

3 计算结果及分析

3.1 不同荷载组合下的计算应力

3.1.1 重力荷载与风荷载组合

经有限元计算，在重力荷载和风吸力的组合作用下，墙板最大主拉应力1.62 MPa，最大主压应力2.796 MPa，小于设定的材料本构；连接件最大应力Mises 应力29.71 MPa，远小于钢材强度，如图4 和图9 所示。

图4 墙板最大拉应力1.62MPa

图5 墙板最大拉应力1.85MPa

图6 墙板最大拉应力1.35MPa

图7 墙板最大拉应力1.94MPa

图8 墙板最大拉应力2.56MPa

图9 连接件最大应力29.71MPa

3.1.2 多遇地震作用下荷载组合

经有限元计算，在水平多遇地震控制的荷载组合作用下，墙板最大主拉应力1.85 MPa，最大主压应力3.54 MPa，小于设定的材料本构；连接件最大应力Mises 应力36.24 MPa，远小于钢材强度，如图5 和图10 所示。

图10 连接件最大应力36.24MPa

3.1.3 竖向地震起控制作用的多遇地震作用下荷载组合

经有限元计算，在竖向多遇地震控制的荷载组合作用下，墙板最大主拉应力1.35 MPa，最大主压应力4.03 MPa，小于设定的材料本构；连接件最大应力Mises 应力30.98 MPa，远小于钢材强度，如图6 和图11 所示。

图11 连接件最大应力30.98MPa

3.1.4 罕遇地震作用下荷载组合

经有限元计算，在水平罕遇地震控制的荷载组合作用下（由于墙板损伤过于严重，墙板附加了6 根钢筋才能收敛），墙板最大主拉应力1.94 MPa，最大主压应力8.93 MPa，小于设定的材料本构；连接件最大应力Mises 应力77.52 MPa，小于钢材强度，即使罕遇地震下，连接件依然可靠，如图7 和图12 所示。

图12 连接件最大应力77.52MPa

3.1.5 竖向地震起控制作用的罕遇地震作用下荷载组合

经有限元计算，在竖向罕遇地震控制的荷载组合作用下，墙板最大主拉应力2.56 MPa，局部混凝土被压碎，最大主压应力6.25 MPa，小于设定的材料本构；连接件最大应力Mises 应力66.45 MPa，小于钢材强度，即使竖向罕遇地震下，连接件依然可靠，如图8 和图13 所示。

图13 连接件最大应力66.45MPa

综上所述，控制工况为水平多遇地震，应分析控制工况下连接件应力、变形以及墙板应力，并检验罕遇地震下连接件应力与变形。

3.2 控制工况

3.2.1 控制工况连接件应力分析

水平多遇地震工况下，1 层墙板顶部专用连接件Mises 应力36.24 MPa；2 层墙板顶部专用连接件Mises 应力35.14 MPa；3 层墙板顶部专用连接件由于没有承担重力荷载，Mises 应力较小，为17.15 MPa，如图14～图16 所示。专用连接件应力远小于钢材强度，连接件设计合理。

图14 1 层顶部专用连接件Mises 应力

图15 2 层顶部专用连接件Mises 应力

图16 3 层顶部专用连接件Mises 应力

与钢梁相连的L 形连接件Mises 应力最大为15.88 MPa，如图17 所示，L 形连接件应力远小于钢材强度，L 形连接件设计合理。

图17 L 形连接件最大Mises 应力

3.2.2 控制工况连接件变形分析

水平多遇地震工况下，层高3 m 的墙板最大变形3.6 mm，约为0.12%，如图18 所示；连接件的竖向变形仅为0.96 mm，如图19 所示，凹槽板刚度通过验算。

图18 墙板变形

图19 连接件竖向变形

3.2.3 控制工况墙板应力分析

水平多遇地震工况下，1 层墙板最大主压应力3.54 MPa，最大主拉应力1.84 MPa；2 层墙板最大主压应力2.57 MPa，最大主拉应力1.83 MPa；3 层墙板最大主压应力2.01 MPa，最大主拉应力1.85 MPa，如图20～图22 所示。均小于材料本构；主拉应力各层接近，主压应力低层更大。

图20 1 层墙板主应力

图21 2 层墙板主应力

图22 3 层墙板主应力

3.2.4 全部荷载由连接件承担计算

当高层建筑使用该节点，全部荷载由连接件承担时，不向下层传递，对L 形连接件要求增高，需加上如图23 所示的三角形肋板。

图23 L 形连接件三角形肋板

在多遇水平地震与恒荷载、重力荷载组合的工况下，如偏于安全的考虑，全部荷载由连接件承担，墙板最大主拉应力为1.69 MPa，最大主压应力1.73MPa；L 形连接件Mises 应力最大为41.86 MPa，如图24 和图25 所示。

图24 水平多遇地震下墙板应力

图25 水平多遇地震下连接件应力

在多遇竖向地震与恒荷载、重力荷载组合的工况下，如偏于安全的考虑，全部荷载由连接件承担，墙板最大主拉应力1.86 MPa，最大主压应力1.91 MPa；L 形连接件Mises 应力最大为35.27 MPa，如图26 和图27 所示。

图26 竖向多遇地震下墙板应力

综上，当高层建筑使用该节点，全部荷载由连接件承担时，复合保温外墙凹槽板的产品设计与连接方式依旧可靠。

图28 为连接件与钢梁连接关系图。复合保温外墙凹槽板超低能耗连接方式与钢梁节点的ABAQUS 三维热分析模拟结果显示：墙体外表面热通量为Q3D=2.026 W，原外墙与楼板热桥的热通量为QW-F=1.763W。连接件的点传热系数为χ1=0.01313 W/K。该值＜0.01，可认为该连接节点为断热桥构造。图29 为节点断面热通量分布图。

图28 连接件与钢梁连接关系图

图29 节点断面热通量分布图

4 结论

经本文5 种工况的有限元受力分析可知，复合保温外墙凹槽板采用超低能耗连接件，在托住外页墙的重力荷载的同时，采用同一个连接件的卡件限制外页墙的平面外运动，尽量减少冷桥的数量；优化截面，减小冷桥的面积；并在连接件和与钢梁相连的角钢连接件之间设置绝热垫片，进一步减小外墙的热量损失，依然可以满足正常使用极限状态和承载能力极限状态的要求，并达到超低能耗的节能要求。

内页墙搁置在楼板上方自承重，并通过对拉螺栓与外页墙和角钢连接件相连，保证了保温厚度较厚时仍能可靠连接，该构造对超低能耗的钢结构住宅的推广有积极作用。