新型墻面壓型鋼板系統承載力試驗研究和設計

宋曉輝 孫 偉

近年來隨著對墻面壓型鋼板抗滲性和耐久性方面要求的不斷提高，以外露自攻釘為連接方式的傳統壓型鋼板逐漸被淘汰，新型的壓型鋼板不斷涌現。HV-156是其中典型的一種，如圖1所示，其連接方式為扣合式連接，這種新的連接方式由于其良好的密閉性，在輕鋼墻面維護系統中得到廣泛的應用。但是，新型的壓型鋼板墻面系統的承載能力究竟如何，破壞形式有何特點，尤其是在沿海大風地區，壓型鋼板墻面在風壓力、風吸力作用下的承載能力和破壞形式都有待深入研究。本文通過足尺承載力試驗，確定新型的壓型鋼板墻面系統在承受風壓力、風吸力時的承載力，并重點對其在風吸力作用下承載力作出評估。

1 HV-156截面及材料參數

HV-156單塊板的橫截面尺寸如圖1所示，生產壓型鋼板所用彩色涂層鋼板的基本參數如表1所示。

表1 彩色涂層鋼板參數

2 試驗目的及試驗裝置

本次試驗的目的是為了確定新型墻面壓型鋼板系統在正向均布荷載(以下簡稱“正壓”)和反向均布荷載作用下(以下簡稱“反壓”)的承載能力。正壓是模擬墻面板在正常使用階段承受風壓力的工況;反壓是模擬屋面板在正常使用階段承受風吸力的工況。

HV-612正壓及反壓情況下均重復兩組試驗，試驗數據取其均值。試驗墻梁間距為1.2 m，墻梁的規格為C180×60×2.5，自攻螺釘采用螺釘M5.5×35。正壓及反壓試驗裝置為:兩根H250×250鋼梁分別固定于鋼筋混凝土柱上，間距3.0 m;鋼梁上布置3根墻梁，間距為1.2 m，按實際施工方法在墻梁上安裝3塊板材試件，選取中間板件為考察對象。板材試件的總面積(3B×2S)m2，其中，B為單塊板件的有效寬度;S為墻梁間距。

3 試件破壞判別標準

對于正壓、反壓作用下的墻面板，以板件撓度超過規范規定要求作為判斷板件正常使用極限狀態的標準。根據CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程［1］第3.4.2條的規定，墻板的撓度限值為L/100，其中，L為構件的跨度。因此對于本試驗，HV-612的撓度限值為12mm。

對于正壓、反壓作用下的墻面板，以板件出現局部屈曲、板件應力超過材料的屈服強度以及板件與檁條間連接支架的破壞作為判斷板件承載能力極限狀態的標準。

4 試驗結果

4.1 正壓試驗

在HV-156正壓試驗中間板件跨中截面，波谷部分(B點處)及支座截面波谷部分(B點處)Mises應力與均布荷載的關系見圖2。

從圖2中可以看出:1)加載最初期，板件跨中截面與支座截面的應力水平一致;加載第三級開始，跨中截面板件的應力水平高于支座截面;2)板件應力值均未達到板材的屈服強度330MPa，板件在加載全過程始終處于彈性階段。整個加載過程中，板件表現出密肋壓型鋼板的典型特征:抗彎剛度大，承載能力強。直至第八級加載，板件搭接處(A，C點處)的撓度為10.3mm，仍低于規程規定的限值12mm。從第三級加載后，板件波谷(B點處)與墻梁接觸部位出現輕微的受壓局部屈曲，直至第八級加載后，該局部屈曲并未有顯著發展，且未發現任何其他明顯破壞現象。卸載后板件彎曲變形恢復，板件間扣合狀況良好，連接緊密。

綜合以上撓度、板件應力、板件局部屈曲情況的試驗現象，該種板型抗彎剛度大，承載能力強，將第三級加載確定為HV-156在正壓情況下的正常使用極限狀態，即qs=1.66 kN/m2。將第八級加載確定為HV-156在正壓情況下的承載能力極限狀態，即qu=3.0 kN/m2。

4.2 反壓試驗

對于HV-156反壓試驗中間板件，跨中截面波谷部分(B點處)及支座截面波谷部分(B點處)Mises應力與均布荷載的關系如圖3所示。

從圖3中可以看出:1)加載最初期，板件跨中截面與支座截面的應力水平幾乎一致;加載第三級開始，支座截面板件的應力水平高于跨中截面;2)第六級加載后，板件支座截面應力值達到319MPa，接近板材的屈服強度330MPa;第七級加載后，板件支座截面計算應力值達到588MPa，超過板材的屈服強度330MPa，板件自此進入塑性階段。整個加載過程中，板件表現出密肋壓型鋼板的典型特征:抗彎剛度大，承載能力強。直至第七級加載，板件支座截面波谷(B點處)出現明顯局部屈曲。卸載后板件彎曲變形恢復，板件間扣合狀況良好，連接緊密。綜合以上撓度、板件應力、板件局部屈曲情況的試驗現象，該種板型抗彎剛度大，承載能力強，將第二級加載確定為HV-156在反壓情況下的正常使用極限狀態，即qs=1.39 kN/m2。將第六級加載確定為HV-156在反壓情況下的承載能力極限狀態，即qu=2.47 kN/m2。

5 風荷載作用下HV-156的承載能力

根據CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程［1］附錄 A.0.1:

其中，wk為風荷載標準值;μz為風荷載高度變化系數;μs為風荷載體型系數;w0為基本風壓，值得注意的是:該基本風壓w0為GB 50009-2001建筑結構荷載規范［2］規定值的1.05倍。

將反壓情況下，板材試驗所得的正常使用極限狀態承載力qs、承載能力極限狀態承載力qu視為板件抗力的標準值。對于正常使用極限狀態，荷載組合應采用標準組合:

即正常使用極限狀態對應基本風壓為:

對于承載能力極限狀態，荷載組合應采用基本組合:

即承載能力極限狀態對應基本風壓為:

其中，γR為板件的抗力分項系數，取γR=1.1。

以下以典型條件為例，評估HV-156板型所能承受的基本風壓:以B類地面粗糙類別距地10 m高確定風荷載高度變化系數μz=1.0;對于封閉式建筑墻面板的中間區:μs=1.2，邊緣帶:μs=1.4。

當正常使用極限狀態對應的承載力qs=1.39 kN/m2，對于風荷載最大的墻面邊緣帶，由式(3)可得:

當承載能力極限狀態對應的承載力qu=2.47 kN/m2，對于風荷載最大的墻面邊緣帶，由式(5)可得:

應取正常使用極限狀態與承載能力極限狀態分別對應基本風壓的較小值作為HV-156能承受的基本風壓值，因此應取w0≤0.86 kN/m2。根據 GB 50009-2001 建筑結構荷載規范［2］附表D.4，該墻面板適用范圍較廣，只有極少數沿海地區及新疆個別大風地區不適用，如浙江嵊泗、新疆克拉瑪依等。

6 結語

1)在相同構造條件下，反壓時試件的承載力低于正壓時試件的承載力。因此在輕鋼建筑廣泛應用的東南沿海地區，風吸力成為新型壓型鋼板墻面系統設計的控制因素。

2)新型壓型鋼板墻面板件表現出密肋壓型鋼板的典型特征:抗彎剛度大，承載能力強。板件基本上處于彈性工作階段，由于不能充分利用高強鋼材的強度，不建議采用高強度鋼板。

3)新型壓型鋼板墻面板的破壞形式為局部屈曲破壞。

4)新型壓型鋼板墻面板能承受的基本風壓值為 w0≤0.86 kN/m2，適用范圍較廣。

［1］ CECS 102∶2002，門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程［S］.

［2］ GB 50009-2001，建筑結構荷載規范［S］.