裝配式鋼絲網架夾芯保溫外墻大板力學性能研究

周　練， 章一萍， 隗　萍， 張春雷， 韓　超

(四川省建筑設計研究院、四川省建筑工業化工程技術研究中心，四川成都 610000)

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裝配式鋼絲網架夾芯保溫外墻大板力學性能研究

周練， 章一萍， 隗萍， 張春雷， 韓超

(四川省建筑設計研究院、四川省建筑工業化工程技術研究中心，四川成都 610000)

【摘要】針對國內裝配式外墻板發展應用瓶頸，特提出裝配式鋼絲網架夾芯保溫外墻大板(簡稱“BPS外墻大板”)，采用有限元方法對其抗彎、抗剪力學特性進行研究。研究表明：BPS外墻大板主要通過面板軸力抵抗彎矩、斜插絲軸力抵抗剪力；面板次彎矩致使墻板抗彎承載力降低。提出引入鋼筋強度折減系數0.8將BPS大板的抗彎承載力計算轉化為等厚度的實心混凝土板抗彎承載力設計，抗剪承載力設計應同時考慮斜插絲屈曲和混凝土剪壓破壞兩種極限狀態，并提出相應的承載力設計公式，為BPS外墻大板的工程應用設計提供依據。

【關鍵詞】BPS外墻大板；力學性能；混凝土面板；次彎矩；斜插絲

1時代背景

2013年1月以來，國家相繼發布《綠色建筑行動方案》等文件，大力發展綠色建筑，切實轉變城鄉建設模式和建筑業發展方式、提高資源利用效率、實現“五節一環保”，促進城鎮化建設可持續發展。建筑外墻是建筑物的重要組成部分，也是最大的耗能構件，是墻體材料革新和建筑節能的重要內容之一。因此，研發一種集保溫、防火、防水、隔聲、承載力多功能一體化的綠色節能全預制裝配式外墻板對推動綠色建筑行動、轉變建設模式、突破我國資源瓶頸等重大問題具有十分重要的意義[1]-[3]。

目前，我國裝配式外墻板主要包括條板和整間板兩類。其中，條板寬度多為600mm，用于外墻板存在拼縫多、防水構造復雜、質量難以保證等缺陷。而目前國內使用的整間預制外墻板多為實心混凝土掛板，即使采用混凝土復合保溫墻板，其僅僅是將保溫系統與墻體實行工廠一體化預制，僅內葉混凝土板作為承重體系，而外葉混凝土板只作為保溫系統的保護層，墻板內外葉整體工作性能差；從而導致預制墻板厚度大、自重大，浪費建筑面積的同時，施工安裝困難、成本造價高等缺陷。

綜上，本文特提出裝配式鋼絲網架夾芯保溫外墻大板(簡稱“BPS外墻大板”)，規避目前國內裝配式外墻板的技術缺陷。采用有限元分析方法，對BPS外墻大板的抗彎、抗剪力學性能進行了研究和分析，驗證其優異的力學特性，并獲得簡易的抗彎、抗剪設計公式。

2墻板定義

BPS外墻大板是一種集隔聲、保溫、防水、防火為一體的全預制新型輕質節能外墻大板，由兩側鋼筋混凝土面層和中間輕質夾芯保溫層組成，如圖1所示。墻板寬度通常為建筑開間寬度，墻板高度通常為建筑層高。兩側鋼筋混凝土層中所配置鋼筋是由冷拔低碳鋼絲由縱橫兩個方向點焊所形成的鋼絲網片組成；斜插絲交錯單向布置，穿過輕質夾芯保溫層連接兩側鋼絲網片組成空間鋼絲網架。墻板整體在工廠進行全部預制化，運輸到施工現場直接快速裝配在建筑主體結構上。

3有限元模型

本文采用有限元分析軟件MIDAS對BPS外墻大板的力學特性進行分析。采用厚板單元模擬混凝土面層，厚板單元由4個節點組成，每個節點包括6個自由度，包括3個方向的線性平動位移和3個方向的轉動位移，可以模擬平面張拉、平面壓縮、平面剪切及平板沿厚度方向的彎曲、剪切等結構特性。為了保證分析模型的穩定性，鋼絲網片中的鋼絲采用梁單元進行模擬，梁單元由2個節點構成，每個節點都有6個自由度，具有拉、壓、剪、彎、扭等變形剛度。厚板單元通過4個節點與梁單元連接，忽略鋼絲與混凝土之間的粘結滑移作用，假定鋼絲與混凝土之間完全固結。由于BPS外墻大板的夾芯層多為低強度的保溫材料構成，故忽略夾芯層作用，僅采用梁單元模擬斜插絲，斜插絲與鋼絲網片之間假定為完全固結；且不考慮斜插絲的抗彎作用。

本文研究采用的BPS外墻大板尺寸為：寬度4 200mm，高度4 200mm；兩側50mm混凝土面層，混凝土強度為C30；50mm聚苯板夾芯保溫層。鋼絲網片為φb5.0@100正交網片，斜插絲為φb5.0@100，鋼絲的抗拉強度設計值取值為320MPa。將混凝土面板進行100mm×100mm的網格單元劃分，根據工程荷載統計和測算，面外荷載取值5kN/m2，以“壓力荷載”的形式按均勻分布方式垂直施加在板單元之上，程序自動將其轉化為等效節點荷載施加在板單元節點之上。為使研究的力學特性具有概括性，本文選擇墻板與主體結構濕式帶狀連接(即“對邊固結”)和四點干式連接(即“四點支承”)兩極端邊界條件進行墻板力學特性研究，在程序中分別采用連續“剛接節點”對邊固結，四點“鉸接”模擬四點干鉸接；其有限元模型如圖2所示。

圖1　BPS外墻大板構造詳圖

(a) 與主體結構濕式帶狀連接有限元示意

(b) 與主體結構四點干式連接有限元示意

(c) 大板外荷載施加局部示意圖2　BPS外墻大板有限元模型

4抗彎力學特性分析

對邊固結的邊界條件下，在垂直于面板的均布荷載5kN/m2作用下，BPS外墻大板的兩側面板軸力和彎矩分布分別如圖3所示。

(a) 面板軸力分布(kN)

(b) 面板次彎矩分布(kN·m/m)圖3　對邊固結BPS外墻大板抗彎內力分布

可得：BPS外墻大板主要是通過兩側面板的軸力產生力矩抵抗外部荷載產生的彎矩；與此同時，上下面板之間由于力的傳遞和變形協調，面板內部也會產生局部彎矩(本文簡稱“次彎矩”)；因此，外力產生的總彎矩=軸力平衡彎矩+面板次彎矩。取兩側面板的重心為軸力作用合力點，即軸力力臂為100mm，則：

支座總彎矩：M1=52.6×0.1+1.32×2=7.90kN·m/m；

跨中總彎矩：M2=31.3×0.1+0.25×2=3.63kN·m/m。

同理，采用有限元方法對相同條件的實心混凝土板進行計算分析，其彎矩分布如圖4所示。

圖4　四點支承實心混凝土板彎矩分布(kN·m/m)

可得：BPS外墻大板與實心混凝土板的彎矩分布模式基本一致，總的彎矩大小基本相符，誤差小于5%。但是，由于混凝土的抗拉強度低，BPS外墻大板在受拉面板區域無法承受自身內部的次彎矩，即由于次彎矩的存在，BPS外墻大板的抗彎承載力相對于同厚度的實心混凝土板降低，降低部分即為受拉區面板的次彎矩值。由圖3可得：相對于實心混凝土板抗彎承載力，BPS外墻大板支座抗彎承載力下降百分率：ω1=1.32/7.90×100=16.7 %；跨中抗彎承載力下降百分率：ω2=0.25/3.63×100=6.89 %。

基于以上有限元模型，對四點支承的BPS外墻大板抗彎承載力分析也可得：BPS外墻大板彎矩分布模式與相同厚度的實心混凝土板的彎矩分布模式一致，如圖5和圖6所示。

(a) 面板軸力分布(kN)

(b) 面板次彎矩分布(kN·m/m)圖5　四點支承BPS外墻大板抗彎內力分布圖

圖6　四點支承實心混凝土板彎矩分布(kN·m/m)

BPS外墻大板跨中彎矩：M2=60.8×0.1+0.67×2=7.42kN·m/m，

BPS外墻大板的抗彎承載力降低百分率為：ω2=0.67/7.42×100=9.03 %。

綜上，可采用實心混凝土梁板的經典受彎理論進行BPS外墻大板抗彎設計。通過控制鋼絲的屈曲強度，引入鋼絲強度折減系數λ對BPS外墻大板的抗彎承載力進行折減，從而將BPS外墻大板的抗彎承載力計算轉化為等厚度的實心混凝土板抗彎承載力設計[4]、[5]。經大量的有限元模型分析統計，可偏安全地取值為λ=0.8。由于墻體整體厚度小，故可忽略受壓鋼絲的抗彎作用。此外，由于BPS外墻大板中鋼絲的強度高，導致混凝土板的受壓區高度很小，為了防止混凝土面板受壓區高度過小對承載力不利，故考慮上層混凝土面板全部受壓[6]。綜上：BPS外墻大板的抗彎承載力計算公式可簡化為：

α1fcbx=0.8fyAS

(1)

(2)

式中：α1為混凝土系數；fc為混凝土抗壓強度設計值；b為墻板寬度；x為混凝土受壓區高度；fy為鋼絲抗拉強度設計值；As為受拉區鋼絲面積；h0為截面有效高度；Mu為彎矩設計值。

5抗剪力學特性分析

在垂直于面板的均布荷載5kN/m2作用下，對BPS外墻大板的抗剪承載力進行分析，可得該夾芯墻板的抗剪承載力主要包括三部分：(1) 板面受壓區混凝土抗剪，如圖7所示；(2)腹部斜插絲通過軸向拉壓力的形式抗剪，如圖8所示；(3)受拉區混凝土面板內縱向鋼絲的銷栓作用抗剪，但是由于混凝土面層較薄，此銷栓作用很微小，可忽略不計。

圖7　對邊固結BPS外墻大板面板剪力分布(單位:kN/m)

圖8　對邊固結BPS外墻大板斜插絲軸力分布(單位:kN)

由圖7和圖8可得：支座處面板混凝土承受的剪力總值VC=5.5kN/m，腹部斜插絲承受的剪力為VS=1.19×10×cos(45°)=8.41kN/m。根據經典混凝土抗剪理論，防止混凝土斜壓破壞，對混凝土抗剪強度進行0.25倍折減，則面板和斜插絲總共承擔剪力0.25VC+VS=9.79kN/m，與理論計算的支座剪力5×4.2/2=10.5kN/m接近，其中腹部斜插絲對剪力的貢獻高達8.41/9.79=85.9 %。綜上，BPS外墻大板腹部的斜插絲不僅聯結著上下混凝土面板保證其協同工作，還是整個墻板抵抗剪力的關鍵，具有類空間桁架腹桿的優異力學特性。

綜上，BPS外墻大板存在兩種抗剪破壞模式：(1)斜插絲屈曲破壞、上下混凝土面層滑移破壞；(2)斜插絲不屈曲，整個墻板發生剪壓破壞。對應兩種不同抗剪破壞模式，分別建立2種適合不同破壞形態的抗剪極限承載力理論計算公式[6]。借鑒經典的屈曲理論，斜插絲屈曲破壞時，BPS外墻大板的抗剪承載力為：

(3)

式中：ES為斜插絲彈性模量；I為斜插絲截面慣性矩；α為斜插絲與面板縱向鋼絲的夾角，0°<α<90°；l為斜插絲的實際長度；n為斜截面上受壓斜插絲的數量，可取一排橫向受壓斜腹絲的總數。

當斜插絲不屈曲時，借鑒經典的混凝土抗剪理論，BPS外墻大板的抗剪承載力為：

V=0.2bh01ft+0.8fyAsbsinα

(4)

式中：b為板寬度；h01為受壓面板的受壓區高度，對應50mm厚的面板，可取值25mm；ft為混凝土的抗拉強度設計值；fy為斜插絲的抗拉強度設計值，當fy≥360MPa時，取fy=360MPa；Asb為斜截面受拉斜插絲總截面面積；α為斜插絲與面板縱向鋼絲的夾角，0°<α<90°。在實際工程中，BPS外墻大板抗剪承載力設計應同時按照式(3)和式(4)分別驗算。

6結論

本文采用Midas有限元模型BPS外墻大板的抗彎和抗剪力學特性進行了研究，可得如下結論：

(1)BPS外墻大板主要通過兩側面板的軸力抵抗外部荷載產生的彎矩，具有優異的空間整體力學性能。

(2)BPS外墻大板的彎矩分布模式同實心混凝土板一致，可采用實心混凝土梁板的經典受彎理論進行BPS外墻大板抗彎設計。

(3)在外部荷載作用下，BPS外墻大板的面板存在次彎矩，導致其抗彎承載力相對于同厚度的實心混凝土板有所降低，可引入鋼絲強度折減系數(0.8)對BPS外墻大板的抗彎承載力進行折減。

(4)BPS外墻大板腹部斜插絲不僅聯結著上下混凝土面板保證其協同工作，還是整個墻板抵抗剪力的主要部分，具有類空間桁架腹桿的優異力學特性。

(5)BPS外墻大板抗剪承載力設計應同時考慮斜插絲屈曲和整個墻板發生剪壓破壞兩種極限狀態。

參考文獻

[1]國發辦〔2013〕1號 國務院辦公廳關于轉發發展改革委住房城鄉建設部綠色建筑行動方案的通知[S]. 2013.

[2]住房和城鄉建設部. “十二五”綠色建筑和綠色生態城鄉發展計劃[R]. 2013.

[3]國務院. 國家新型城鎮化發展規劃. 2014.

[4]涂杰，李硯波，趙仲星，等.聚苯乙烯夾芯板抗彎承載研究[J]. 低溫建筑技術，2006(2)：78-79.

[5]李硯波，張紹杰.混凝土夾芯板正截面受彎承載力的計算分析[J]. 低溫建筑技術，2013(1)：54-56.

[6]GB50010-2010 混凝土結構設計規范[S].

[7]李硯波，趙克儉，林浩華.CS板抗剪性能試[J]. 天津大學學報，2005(2)：120-123.

【中圖分類號】TU502+.6

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2016-04-20