均布荷載作用下保溫龍骨足尺墻體的抗彎性能

耿 悅，王玉銀，林敬木

均布荷載作用下保溫龍骨足尺墻體的抗彎性能

耿 悅1，2，王玉銀1，2，林敬木1

（1.哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院，150090哈爾濱；2.哈爾濱工業(yè)大學結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點實驗室，150090哈爾濱）

為研究腹板開孔的輕鋼龍骨墻體在均布荷載作用下的抗彎性能，考慮腹板高度的影響，進行3.0 m×3.0 m足尺試件試驗研究.分析了不同腹板高度的墻體在均布荷載作用下的破壞模式及腹板高度對墻體抗彎性能的影響.在此基礎(chǔ)上，采用ABAQUS建立墻體的有限元模型，與試驗結(jié)果進行對比分析，驗證了有限元模型的可靠性.分析結(jié)果表明：石膏板可很好地限制豎龍骨的整體屈曲，當龍骨腹板高度為150 mm時，墻體豎龍骨在支座附近發(fā)生腹板剪切屈曲，同時在跨中位置發(fā)生畸變與局部屈曲的相關(guān)屈曲破壞；當龍骨腹板高度為100 mm時，墻體豎龍骨在跨中位置發(fā)生畸變與局部屈曲的相關(guān)屈曲破壞；當不考慮窗洞口影響時，腹板高度為100 mm的保溫龍骨外圍護墻體可滿足我國全部地區(qū)建筑高度不超過50 m的城市建筑外圍護墻體的抗風要求.

腹板開孔輕鋼龍骨；抗彎；足尺；試驗研究；ABAQUS

輕鋼龍骨墻體質(zhì)量輕、施工裝配化程度高.但是，輕鋼龍骨外圍護墻體熱橋效應(yīng)較為嚴重，在嚴寒地區(qū)甚至難以滿足建筑保溫要求.為改善輕鋼龍骨的熱橋效應(yīng)，可在龍骨腹板上開設(shè)細長孔洞以增加傳熱路徑［1］，稱為保溫龍骨，如圖1所示.目前保溫龍骨的應(yīng)用主要集中在北歐地區(qū)，且主要用于承重墻體，開孔排數(shù)有限［2-4］.外圍護墻體不承受建筑結(jié)構(gòu)豎向荷載，因此對龍骨力學性能的要求不高，在外圍護墻體中采用保溫龍骨可增加開孔排數(shù)，對墻體保溫性能的改善效果更好.此外，外圍護墻體中的輕鋼龍骨以受彎為主，將細長孔洞開設(shè)在龍骨腹板中和軸附近對其抗彎性能的影響較小.在建筑結(jié)構(gòu)中采用保溫龍骨外圍護墻體既提高了建筑的工業(yè)化程度，又有利于實現(xiàn)我國“綠色建筑和建筑節(jié)能”的總體目標，具有廣闊的應(yīng)用前景.

圖1 保溫龍骨

目前國內(nèi)外學者已對保溫龍骨的軸壓［4］、抗彎［3］、抗剪［2］及抗火［5］性能展開了系列研究.同時，北歐國家的學者對采用不同龍骨截面形式及墻體覆面形式的保溫龍骨墻體標準單元在軸壓、偏壓及壓彎作用下的受力性能進行了系統(tǒng)的試驗研究［1，6-8］.但是，目前針對保溫龍骨外圍護墻體抗彎性能的試驗研究較少.1992年，丹麥學者Frederiksen等［7］對5組12片兩側(cè)覆石膏板的保溫龍骨外圍護墻體標準單元進行了抗彎試驗，考慮參數(shù)包括：龍骨腹板高度（150 mm、200 mm）、腹板厚度（1 mm、1.5 mm）.1997年，Borglund等［8］對1組2片兩側(cè)覆石膏板的保溫龍骨外圍護墻體標準單元在均布荷載作用下的抗彎性能進行了試驗研究，試件龍骨腹板高為150 mm，厚1.0 mm.目前，關(guān)于保溫龍骨外圍護墻體抗彎性能的試驗研究僅針對腹板高度在150 mm以上的墻體，且均為墻體標準單元.

本文對2片腹板開孔的輕鋼龍骨墻體足尺試件進行均布荷載作用下的抗彎性能試驗研究.龍骨腹板高度分別為100 mm與150 mm.分析墻體的破壞模式及龍骨腹板高度對墻體抗彎性能的影響，驗證該類墻體用于建筑外圍護墻體的可靠性.同時，采用ABAQUS建立腹板開孔的輕鋼龍骨墻體足尺試件的有限元模型，分析其在均布荷載作用下的抗彎性能.將分析結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，驗證有限元模型的可靠性，為后續(xù)參數(shù)分析及設(shè)計公式的提出奠定基礎(chǔ).

2 材性試驗

2.1輕鋼龍骨材性試驗

所有用于材性試驗的標準拉伸試件均取自制作C形截面龍骨的同批鋼板.拉伸試件取樣依據(jù)《鋼及鋼產(chǎn)品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》（GBT2975—1998）中的相關(guān)規(guī)定進行.材性試驗在WDW-100D微機控制電子式萬能試驗機上進行.具體材性試驗結(jié)果見表1.

表1 龍骨材性試驗結(jié)果

2.2石膏板材性試驗

按照《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》中的相關(guān)規(guī)定，石膏板材性試驗的試件尺寸為290 mm×50 mm.采用標準三點彎曲試驗方法，測定石膏板的彈性模量及靜曲強度.將試件安置于間距l(xiāng)＝240 mm的支座上（支座間距為石膏板厚度的20倍），在試件中部作用一向下的集中荷載，測定試件中點處荷載和撓度的關(guān)系，從而確定石膏板的彈性模量和靜曲強度，見表2，其中靜曲強度

表2 石膏板材性試驗結(jié)果

3 足尺試驗

3.1試件參數(shù)

墻體足尺試件尺寸為3 000 mm×3 000 mm，見圖2.設(shè)6根C形卷邊冷彎薄壁型鋼豎龍骨，龍骨間距取600 mm.豎龍骨兩端插入長3 000 mm的天地龍骨中.龍骨均采用1.0 mm厚Q235級冷軋鋼板卷制而成.豎龍骨與天地龍骨腹板均通長開設(shè)細長孔洞［9］，采用文獻［10］所確定的龍骨開孔形式，見圖3.選取腹板高度（h）為100 mm、150 mm的豎龍骨拼制足尺墻體，根據(jù)保溫試驗分析結(jié)果［11］，腹板分別開5排、7排孔.龍骨兩側(cè)覆12 mm厚的紙質(zhì)石膏板，內(nèi)填巖棉.豎龍骨與天地龍骨翼緣間通過拉鉚釘聯(lián)接，腹板間通過聯(lián)接角鋼聯(lián)接.石膏板與龍骨間采用自攻螺釘聯(lián)接.石膏板與天地龍骨間自攻螺釘間距150 mm，石膏板與豎龍骨間自攻螺釘間距300 mm.試件具體參數(shù)見表3.

圖2 腹板開孔輕鋼龍骨墻體試件（mm）

圖3 輕鋼龍骨開孔形式（mm）

表3 試件參數(shù)

3.2試驗方案

采用直接重力加載法對兩端鉸接的墻體試件施加均布荷載，研究其抗彎性能.加載塊采用鑄鐵塊，所有鑄鐵塊堆積于豎龍骨上，加載塊中心線與龍骨翼緣中心線對齊.試件中部4根豎龍骨上使用尺寸為300 mm×150 mm×60 mm的鑄鐵塊作加載塊，每塊鑄鐵塊重20 kg；試件邊緣豎龍骨由于只承擔一半荷載，因而采用尺寸為300 mm× 150 mm×30 mm的10 kg重鑄鐵塊.鑄鐵塊間凈距為20 mm，有效避免了試驗加載后期，加載塊因堆積過密而形成自拱效應(yīng).每級荷載采用4塊或5塊加載塊進行施加，加載塊沿試件跨度方向均勻布置，從而保證所施加的荷載滿足均布荷載要求.施加荷載并持荷1 min后，采集數(shù)據(jù).根據(jù)試件承載力的不同，荷載分6～8級施加.試件兩端的邊界條件為鉸接（圖4）.試件計算跨度為2 800 mm.以不影響試件撓曲為前提，在試件下方設(shè)置保護墩，以保證試驗安全.采用9個LVDT位移計測量試件跨中、1／4跨及支座處豎向位移及支座處水平位移.測點包括：試件中部跨中、1／4跨位置，試件邊緣豎龍骨跨中、1／4跨及試件支座處沿試件寬度方向中心位置，具體見圖5.

圖4 墻體足尺試件抗彎性能試驗加載方案

圖5 位移計布置（mm）

3.3試驗結(jié)果

3.3.1 試件破壞現(xiàn)象

墻體試件在整個試驗過程中均未發(fā)生自攻釘滑移或拔出或滑移現(xiàn)象.石膏板與豎龍骨協(xié)同工作狀態(tài)良好.各試件破壞后，將石膏板覆面拆除，發(fā)現(xiàn)龍骨均未發(fā)生整體屈曲，說明石膏板可以有效限制龍骨的整體屈曲變形.兩試件的邊緣豎龍骨均未發(fā)生破壞，但中部四根豎龍骨在均布荷載作用下均發(fā)生了局部屈曲.腹板高度不同的兩片墻體試件所發(fā)生的局部屈曲模態(tài)不同.ZC-150-7試件在支座附近剪力較大處形成腹板剪切屈曲波，同時跨中出現(xiàn)局部屈曲與畸變屈曲耦合的相關(guān)屈曲波（圖6）.ZC-100-5試件則僅表現(xiàn)為跨中龍骨的局部屈曲與畸變屈曲的耦合破壞（圖7）.

3.3.2 試件荷載-位移曲線

圖8所示為不同腹板高度的兩片墻體足尺試件的荷載-位移曲線對比結(jié)果，p為作用于單根輕鋼龍骨上的線荷載，u為危墻體跨中撓度.可以看出，隨著龍骨腹板高度的增加，墻體剛度與承載力均有提高.與腹板高100 mm的試件相比，腹板高150 mm的試件極限承載力提高55%，剛度提高131%.對于腹板高度為100 mm的試件，當墻體位移達到《建筑幕墻》（GBT 21086—2007）規(guī)定的正常使用階段撓度允許值l／250（l為墻體跨度，本墻體允許值為12 mm）時，墻體能承受的均布荷載為5.9 kN／m2，根據(jù)《建筑幕墻》的規(guī)定，該墻體的抗風壓性能等級為9級，可滿足中國建筑高度不超過50 m的城市建筑外圍護墻體的抗風要求［12］.

圖6 ZC-150-7試件的S＋L＋D破壞模式

圖7 ZC-100-5試件的L＋D破壞模式

圖8 不同龍骨腹板高度墻體荷載-位移曲線

4 有限元分析

4.1有限元建模

采用ABAQUS分析足尺墻體試件在均布荷載作用下的抗彎性能.為提高計算效率，取足尺墻體中的一個標準板帶（圖2）建立有限元模型，見圖9.分析時不考慮巖棉對墻體抗彎性能的貢獻.輕鋼龍骨及石膏板采用S4R殼單元進行模擬，厚度方向設(shè)5個積分點.S4R殼單元有4個節(jié)點，每個節(jié)點有6個自由度.該種單元可考慮大應(yīng)變、大撓度、大轉(zhuǎn)動的幾何非線性及材料彈塑性.經(jīng)試算，最終確定輕鋼龍骨模型的網(wǎng)格尺寸為10 mm× 10 mm（腹板高度100 mm或150 mm），石膏板網(wǎng)格劃分見圖9.

圖9 墻體有限元模型

通過對豎龍骨與天地龍骨（石膏板）在拉鉚釘（自攻螺釘）聯(lián)接位置進行節(jié)點耦合，模擬拉鉚釘（自攻螺釘）的聯(lián)接作用.豎龍骨與天地龍骨腹板的角鋼聯(lián)接則通過將豎龍骨腹板與天地龍骨腹板在交線處節(jié)點耦合實現(xiàn).標準墻體單元兩側(cè)采用關(guān)于X軸對稱的邊界條件，即Ux＝URy＝URz＝0.天地龍骨下翼緣與腹板交界處約束X向及Y向位移，在墻體跨中位置約束Z向位移，以實現(xiàn)簡支邊界條件的模擬.具體邊界條件的模擬見圖9.

分析時考慮幾何非線性與材料非線性.初始幾何缺陷以構(gòu)件的一階模態(tài)形式施加，幅值根據(jù)美國輕鋼規(guī)范（AISI S100—2007）［13］的相關(guān)規(guī)定取龍骨截面高度的1／200.材料材性定義各參數(shù)按材性試驗結(jié)果取值.其中，石膏板為各向異性板，但分析發(fā)現(xiàn)按照各項異性材料定義與按照各項同性材料定義分析所得墻體的彈性剛度與極限承載力分別僅相差1.2%與2.2%.因此，為簡化分析模型，石膏板按各向同性材料模擬.

4.2有限元模型驗證

采用有限元模型對各試件的抗彎性能進行分析，將分析所得不同腹板高度的墻體標準單元試件荷載-位移曲線與試驗結(jié)果進行對比，見圖8.分析曲線與試驗曲線吻合較好，具體見表4.

表4 試件極限承載力與抗彎剛度驗證

5 結(jié) 論

1）在試驗過程中，石膏板可有效限制龍骨的整體失穩(wěn)，且與龍骨間不發(fā)生相對滑移.

2）當龍骨腹板高度為150 mm時，墻體龍骨在支座附近發(fā)生剪切屈曲而破壞，同時在跨中位置發(fā)生畸變與局部屈曲的相關(guān)屈曲.

3）當龍骨腹板高度為100 mm時，墻體龍骨在跨中位置發(fā)生畸變與局部屈曲的相關(guān)屈曲，在支座處腹板不發(fā)生剪切屈曲.

4）與腹板高100 mm的試件相比，腹板高150 mm的試件極限承載力提高55%，剛度提高131%.

5）采用本文建立的有限元模型進行腹板開孔輕鋼龍骨墻體在均布荷載作用下的抗彎性能分析，其分析結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好.

6）當不考慮窗洞口影響時，腹板高度為100 mm的保溫龍骨外圍護墻體的抗風壓等級為9級，可滿足中國全部地區(qū)建筑高度不超過50 m的城市建筑外圍護墻體的抗風要求.

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（編輯趙麗瑩）

Bending behaviour of full?scale walls with light?gauge slotted steel studs subjected to distributed loading

GENG Yue1，2，WANG Yuyin1，2，LIN Jingmu1
（1.School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China；2.Key Lab of Structures Dynamic Behavior and Control，Ministry of Education，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China）

Full?scale experiments were carried out to investigate the static responses of light?gauge slotted steel stud walls with different web heights subjected to uniformly distributed transverse loading.The failure modes for the walls were depicted.The influence of the web height on the static behaviour of this new kind of light?gauge steel stud walls was analyzed.By means of ABAQUS，finite element model was built to numerically investigate the bending behaviour of the full?scale light?gauge slotted steel stud walls.The analysis results were benchmarked against the experimental ones.It was concluded that the gypsum board can prevent the studs from overall buckling.The stud wall with web height of 150 mm failed in shear mode at the support and buckled in both the local and distortional mode at the mid span，while the stud wall with web height of 100 mm only failed with local and distortional buckling at the mid span.When there is no window hole，the slotted steelstud wallwith a web heightof 100 mm can resist the wind loading in China for the building with the height lower than 50 m.

light?gauge slotted steel studs；bending resistance；full scale；experimental investigation；ABAQUS

TU392

A

0367-6234（2014）08-0016-05

2013-11-15.

哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項資金項目（2012RFLXG025）.

耿 悅（1983—），女，博士，講師；

王玉銀（1975—），男，教授，博士生導(dǎo)師.

王玉銀，wangyuyin＠hit.edu.cn.