冷彎薄壁型鋼組合墻體抗剪性能的有限元模擬

張 旻

冷彎薄壁型鋼結構住宅以其節能、環保、施工方便且速度快等優點而著稱,組合墻體是冷彎薄壁型鋼結構住宅的主要受力構件,用于低層住宅的組合墻體一般是由C形(卷邊槽形截面墻體立柱)和U形冷成型鋼組成的墻體骨架和石膏板、OSB板通過自攻螺釘連接形成的一種“板肋結構體系”,國內外針對此種結構體系做了大量試驗[1-3],但是針對此種結構體系的有限元模擬并不完善,比如石膏板豎向接縫、OSB板水平和豎向接縫的模擬以及自攻螺釘連接如何模擬才能更加接近實際受力情況。本文通過完善數值模擬分析更加清晰的反映組合墻體的實際受力以及變形情況。

1 試件選取

以文獻[3]中試驗的三個冷彎薄壁型鋼組合墻體BX-1,BX-3,BX-5作為驗證對象,基本情況如下:BX-1為單面覆石膏板墻體,墻面板由兩塊石膏板拼接而成,兩塊石膏板規格為3 000 mm(高度)×1 200 mm(寬度)×12 mm(厚度);骨架立柱規格為C89×44.5×12×1.0(即腹板高度89 mm,翼緣寬度 44.5 mm,卷邊寬度12 mm,厚度1.0 mm),長度為2 998 mm,頂梁和底梁規格分別為U92×40×1.0(即腹板高度 92 mm,翼緣寬度40 mm,厚度1.0 mm),長度為2 400 mm;墻面板與墻體骨架周邊自攻螺釘間距150 mm,墻面板與墻體骨架中間自攻螺釘間距300 mm(石膏板拼縫處為150 mm)。

BX-3為單面覆OSB板墻體,墻面板由四塊OSB板拼接而成,鋼帶以上兩塊OSB板規格為2 440 mm(高度)×1 200 mm(寬度),鋼帶以下兩塊OSB板規格為 560 mm(高度)×1 200 mm(寬度),骨架立柱尺寸以及頂梁、底梁規格與BX-1相同,墻面板與墻體骨架周邊自攻螺釘間距150 mm,墻面板與墻體骨架中間自攻螺釘間距300 mm(OSB板拼縫處為150 mm)。

BX-5為一面覆石膏板、一面覆OSB板組合墻體,石膏板規格及尺寸以及OSB板規格及尺寸與BX-1,BX-3墻體覆面板尺寸一致,骨架立柱尺寸以及頂梁、底梁規格與BX-1相同,墻面板與墻體骨架周邊自攻螺釘間距150 mm,墻面板與墻體骨架中間自攻螺釘間距300 mm(石膏板拼縫處為150 mm)。

墻體的材料特性見表1。

表1 組合墻體材料特性

2 有限元分析模型的建立

采用ANSYS有限元分析軟件,對試件進行抗剪性能模擬分析,選用塑性殼單元Shell181模擬鋼骨架和墻面石膏板、OSB板,按理想彈塑性材料模型輸入相關參數,采用自底向上的建模方法,對坐標方向作如下規定:x軸表示墻體長度方向,y軸表示墻體高度方向,z軸表示垂直于墻板面方向。根據墻體試件實際尺寸和構造,建立墻體的幾何模型,再按照自攻螺釘實際分布情況對墻體及骨架進行網格劃分,本文網格劃分采用映射劃分,為避免豎向接縫處以及水平接縫處的節點相互作用,網格劃分時豎向接縫以及水平接縫都預留2 mm空隙,有限元模型如圖1～圖4所示。自攻螺釘連接采用三個方向一維非線性彈簧單元模擬,彈簧剛度的選取按如下方法:水平和豎向采用一種彈簧剛度,平面y方向采用另外一種彈簧剛度。z方向自攻螺釘的拔出是在螺釘滑移過大的情況下拔出的,所以不考慮 z方向的拔出,z方向彈簧剛度取為無窮大,螺釘的破壞就通過 x,y兩個方向螺釘的滑移過大為破壞準則,實際的墻面板都是各向異性的材料,螺釘在 x,y,z三個方向的荷載—滑移曲線都大不相同;由于 x方向為墻體的主要受力方向,所以取 x方向的螺釘荷載—滑移曲線為基準,彈簧荷載—滑移曲線參照論文[4,5],同時考慮到螺釘破壞模式不同以及螺釘三個方向的荷載—滑移曲線差別很大,將彈簧荷載—滑移曲線大致分為三個階段,如圖5所示,第一階段:螺釘滑移比較小,彈簧剛度很大;第二階段:螺釘開始滑移,當螺釘受力由P1增加到P3,螺釘在板內部出現較大滑移,彈簧剛度下降很快,逐漸趨近于零;第三階段:當螺釘受力到達極限荷載P3時,此時螺釘破壞嚴重,喪失繼續承載的能力。約束錨栓和固定螺栓處的三個平動自由度,耦合頂梁沿墻體長度方向的自由度,在耦合的主節點施加水平集中力,采用力控制單調加載。

3 結果對比分析

參照JGJ 101-96建筑抗震試驗方法規程的相關規定,采用荷載—位移曲線的能量等效面積法確定屈服荷載 Py、屈服位移 Δy。將組合墻體的試驗結果荷載—位移曲線與有限元分析結果放在統一坐標系下進行比較,結果見表2～表4。

表2 BX-1墻體有限元數值與試驗比較

表3 BX-3墻體有限元數值與試驗比較

表4 BX-5墻體有限元數值與試驗比較

通過有限元分析與試驗比較,有限元分析結果與試驗結果不僅現象類似,同時數值也很接近,只是BX-5墻體雙面板墻體模擬和試驗有些差別,問題主要集中在極限位移有限元模擬值相對于試驗值偏小,原因主要是因為實際中石膏板和OSB板的材料本身離散性較大,同時由于石膏板和OSB材料為各向異性材料,與立柱連接的石膏板或者是OSB板可能取自縱向位置也可能取自橫向位置,有限元模擬時螺釘采用三個方向彈簧單元模擬,由于水平及豎向彈簧剛度取的是相同的值,導致了有限元模擬與實際的偏差,但是這些偏差都是在一定范圍內可以接受的。

4 結語

有限元模擬組合墻體抗剪性能的方法是一種比較合理的方法,采用彈簧單元模擬螺釘連接可以比較真實的反映螺釘滑移問題,也可以應用上述有限元方法對組合墻體抗剪性能進行分析研究。

[1] Kawai Y,Kanno R,Hanya K.Cyclic Shear Resistance and Design of Steel Framed Houses[R].ASCE Structures Congress,Poland,1997.

[2] 郭麗峰.輕鋼密墻架柱墻體的抗剪性能研究[D].西安:西安建筑科技大學碩士畢業論文,2004.

[3] 郭彥利,姚行友.冷彎薄壁型鋼構件畸變屈曲研究綜述與分析[J].山西建筑,2009,35(2):84-85.

[4] 石 宇.低層冷彎薄壁型鋼結構住宅組合墻體抗剪承載力研究[D].西安:長安大學碩士畢業論文,2004.

[5] 秦雅菲.冷彎薄壁型鋼低層住宅墻柱體系軸壓性能理論與試驗研究[D].上海:同濟大學博士學位論文,2005.