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(jié)構(gòu)住宅以其節(jié)能、環(huán)保、施工方便且速度快等優(yōu)點(diǎn)而著稱,組合墻體是冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅的主要受力構(gòu)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(jié)構(gòu)體系”,國內(nèi)外針對(duì)此種結(jié)構(gòu)體系做了大量試驗(yàn)[1-3],但是針對(duì)此種結(jié)構(gòu)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(shí)際受力情況。本文通過完善數(shù)值模擬分析更加清晰的反映組合墻體的實(shí)際受力以及變形情況。

1 試件選取

以文獻(xiàn)[3]中試驗(yàn)的三個(gè)冷彎薄壁型鋼組合墻體BX-1,BX-3,BX-5作為驗(yàn)證對(duì)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(guī)格為3 000 mm(高度)×1 200 mm(寬度)×12 mm(厚度);骨架立柱規(guī)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(guī)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(guī)格為2 440 mm(高度)×1 200 mm(寬度),鋼帶以下兩塊OSB板規(guī)格為 560 mm(高度)×1 200 mm(寬度),骨架立柱尺寸以及頂梁、底梁規(guī)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(guī)格及尺寸以及OSB板規(guī)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(guī)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(duì)試件進(jìn)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(guān)參數(shù),采用自底向上的建模方法,對(duì)坐標(biāo)方向作如下規(guī)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(jù)墻體試件實(shí)際尺寸和構(gòu)造,建立墻體的幾何模型,再按照自攻螺釘實(shí)際分布情況對(duì)墻體及骨架進(jìn)行網(wǎng)格劃分,本文網(wǎng)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(jié)點(diǎn)相互作用,網(wǎng)格劃分時(shí)豎向接縫以及水平接縫都預(yù)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(gè)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?shù)陌纬鍪窃诼葆敾七^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?shù)钠茐木屯ㄟ^ x,y兩個(gè)方向螺釘?shù)幕七^大為破壞準(zhǔn)則,實(shí)際的墻面板都是各向異性的材料,螺釘在 x,y,z三個(gè)方向的荷載—滑移曲線都大不相同;由于 x方向?yàn)閴w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(zhǔn),彈簧荷載—滑移曲線參照論文[4,5],同時(shí)考慮到螺釘破壞模式不同以及螺釘三個(gè)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(gè)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(dāng)螺釘受力由P1增加到P3,螺釘在板內(nèi)部出現(xiàn)較大滑移,彈簧剛度下降很快,逐漸趨近于零;第三階段:當(dāng)螺釘受力到達(dá)極限荷載P3時(shí),此時(shí)螺釘破壞嚴(yán)重,喪失繼續(xù)承載的能力。約束錨栓和固定螺栓處的三個(gè)平動(dòng)自由度,耦合頂梁沿墻體長度方向的自由度,在耦合的主節(jié)點(diǎn)施加水平集中力,采用力控制單調(diào)加載。

3 結(jié)果對(duì)比分析

參照J(rèn)GJ 101-96建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程的相關(guān)規(guī)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(yàn)結(jié)果荷載—位移曲線與有限元分析結(jié)果放在統(tǒng)一坐標(biāo)系下進(jìn)行比較,結(jié)果見表2～表4。

表2 BX-1墻體有限元數(shù)值與試驗(yàn)比較

表3 BX-3墻體有限元數(shù)值與試驗(yàn)比較

表4 BX-5墻體有限元數(shù)值與試驗(yàn)比較

通過有限元分析與試驗(yàn)比較,有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果不僅現(xiàn)象類似,同時(shí)數(shù)值也很接近,只是BX-5墻體雙面板墻體模擬和試驗(yàn)有些差別,問題主要集中在極限位移有限元模擬值相對(duì)于試驗(yàn)值偏小,原因主要是因?yàn)閷?shí)際中石膏板和OSB板的材料本身離散性較大,同時(shí)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(shí)螺釘采用三個(gè)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(dǎo)致了有限元模擬與實(shí)際的偏差,但是這些偏差都是在一定范圍內(nèi)可以接受的。

4 結(jié)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(shí)的反映螺釘滑移問題,也可以應(yīng)用上述有限元方法對(duì)組合墻體抗剪性能進(jìn)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(xué)碩士畢業(yè)論文,2004.

[3] 郭彥利,姚行友.冷彎薄壁型鋼構(gòu)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(jié)構(gòu)住宅組合墻體抗剪承載力研究[D].西安:長安大學(xué)碩士畢業(yè)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(yàn)研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文,2005.