技术论文
CCA板灌浆墙体中考虑面板支撑作用的抗弯承载力分析
2016-09-12

CCA板灌浆墙体中考虑面板支撑作用的抗弯承载力分析

周雄亮    刘成涛   张晓军 

(浙江杭萧钢构股份有限公司   杭州  310003)

       [摘要] 本文采用有限元分析对CCA板灌浆墙这一组合墙体形式的抗弯承载能力进行分析,在建立有限元模型时,考虑了面板的支撑作用,并对几个影响因素分别进行分析,确定一种较合理的模型。结果分析表明:面板对墙体截面的抗弯承载能力有较大幅度的提高,设计时不可忽略,此外,填充料、板拼缝等因素都对墙体抗弯承载力有一定影响。

       [关键词] CCA板灌浆墙 ;抗弯承载力 

       一 引言

       钢结构住宅体系已成为美国、日本、澳大利亚等发达国家住宅建筑的重要形式,与之相配套轻质组合墙体也相对成熟。近年来,随着钢结构住宅在国内推广应用,组合墙体也有了较大发展,其中CCA板灌浆墙以其自身良好的各项性能指标,在钢结构住宅中得到广泛的应用。CCA板灌浆墙是由C形(卷边槽型截面轻钢龙骨)和U形(普通槽型截面轻钢龙骨)冷弯薄壁型钢构件和CCA板、石膏板等面板经自攻螺钉连接形成空腔,空腔内填充轻质填充料,构造见图1。当墙面板与龙骨架可靠连接时,墙面板在发挥围护作用的同时为墙体骨架提供了有效的侧向支撑,同时约束了其扭转,使墙体龙骨的稳定承载能力明显提高,从而增强了墙体的抗弯承载能力。

图1 CCA板灌浆墙构造

       但由于CCA板灌浆墙截面由CCA面板、轻钢龙骨及填充料等几种不同材料组合而成,在承受荷载时,截面受力形态较为复杂,所以实际工程设计时往往只考虑轻钢龙骨承担荷载,面板仅考虑对龙骨的限制而不用验算龙骨的局部失稳情况。而实际上,在受荷载的情况下,两侧面板也可提供很大抗弯截面,这对墙体的抗弯性能有很大的提高。但具体有多大程度的提高,因诸多因素,其理论计算相当困难。本文将采用理论及有限元软件对CCA板灌浆墙体进行模拟分析,为该体系的研究与应用提供一条有效途径。

       二 蒙皮效应原理分析[1]

       蒙皮效应是一个比较宽泛的力学概念。对于建筑结构来讲,蒙皮效应是利用建筑物表面覆盖材料本身的刚度和强度对建筑物整体刚度的加强作用,这种效应大大加强了结构的空间整体性。蒙皮效应很难明确地量化,它受很多条件影响,不同的工程情况下,蒙皮的作用效应也不同,一般工程中只将其作为一种结构上的安全储备。围护层面与边框组成一种新构件,承受平行层面方向的水平荷载(如风、地震作用等)即蒙皮传力效应;此外,围护蒙皮层面增强结构整体性及起侧向支撑作用,二者统称之为蒙皮效应。虽然我国的目前的工程设计中基本上忽略了蒙皮效应,结构计算不考虑蒙皮效应。但是,蒙皮效应事实上是存在于大量的工程实际中的。

       20世纪70年代,国外一些学者对墙体面板支撑的龙骨骨架结构性能进行了理论及试验研究,认为面板对龙骨骨架的支撑作用属于蒙皮支撑类型,并发现为了给龙骨骨架提供必要的支撑,组合墙体必须满足以下3个要求[2]:

       (1) 连接件间距必须足够小,以防止连接件间龙骨柱在墙方向发生屈曲;

       (2) 面板材料应具有足够刚度,以使龙骨骨架在墙方向变形尽可能小;

       (3) 面板与龙骨间的连接强度足够,以形成能抵抗屈曲的侧向力,而连接件不破坏。

       三 非线性有限元分析

       3.1 试件选取

       为方便比较,有限元分析试件选用足尺寸试件模型,墙体尺寸为2.5m×1.65(高×宽),竖向龙骨均为C型龙骨,规格为200×50×10×0.8,间距400mm,天地龙骨为U型龙骨,规格为200×60×1.2。墙面采用10mm厚的CCA板,通过自攻螺钉与龙骨连接,间距为120mm。

       3.2 建模时影响因素的考虑

       为最大程度的模拟真实受力情况,应考虑试件连接及构造特点,研究各影响因素的模拟分析。

       (1)龙骨翼缘与CCA板之间的相互关系

       实际试件中,龙骨翼缘与CCA板之间通过自攻螺钉连接,建模时除了考虑两者在翼缘中线位置节点X、Y、Z三方向位移耦合外,还应考虑两接触面的接触模拟而进行接触分析。理论上在此模型中,如果可不考虑摩擦且两者间总是保持接触状态,可应用约束方程或自由度耦合来代替接触,这样在计算过程中可节省大量的计算机内存和计算时间,提高效率。为验证两种分析的结果是否一致,本次研究将分别进行计算对比。

       (2)考虑填充料对龙骨变形限制对计算结果的影响

       如果不考虑填充料的作用,龙骨在受力后会产生扭转失稳及局部屈曲失稳,但实际上,填充料对龙骨变形有限制作用,为研究是否考虑填充料的约束作用对计算结果的影响,我们分别对两种情况进行模拟分析,对比结果。

       (3)考虑内侧面板横向接缝对整体性的影响

       由于实际构造中,内侧面板是横向布置,在竖向龙骨跨中位置,有一条板缝,这条缝的存在对墙体整体力学性能有一定影响,故在模型中应考虑。

       3.3 有限元分析模型的建立

       组合墙体的平衡方程为 (1)

       其中, [Κ]为结构的刚度矩阵, [B]为几何矩阵, [D]为材料本构矩阵,V为结构体积;{ δ } 为节点位移向量; [P]为荷载向量。

       其中{ ε }为应变矩阵;{ σ }为应力矩阵。

       由于考虑了材料非线性和几何非线性,式(1)中的结构刚度矩阵 不是常量,其中材料本构矩阵 和几何矩阵 均与应力或应变有关。

       (1) 材料参数

表1墙体构件材料特性参数

       (2) 边界条件的确定

       在模拟分析过程中,竖向龙骨和横向龙骨之间的连接为简支,两者公共节点耦合X、Y、Z三方向位移;横向龙骨腹板限制X、Y、Z三方向位移;竖向龙骨翼缘与CCA板接触部位考虑接触或应用X、Y、Z三方向位移自由度耦合。

       (3)模型单元选取

        根据分析问题的力学特性,选取了ANSYS提供的SHELL63单元模拟龙骨;SOLID45单元模拟CCA板。

       (4)单元网格化划分

       根据构件尺寸,综合考虑计算精确度及计算效率,选取网格尺寸为25。

       (5)荷载取值

       基本风压取较大的0.65KN/ m2,建筑物高度取90m,计算出风荷载设计值:2.86×10-3N/ mm2。

       根据上述的方法建立的CCA板灌浆墙体有限元模型见图2,图3

图2 CCA板灌浆墙体有限元模型

图3 龙骨骨架网格化

       四 计算结果分析

       在对比计算前,先对各项因素影响结果进行分析:

       4.1 是否考虑填充料的约束影响

       从上述的对比分析可以看出,是否考虑填充料的影响,龙骨的应力和变形计算结果相差甚大,可见,填充料对龙骨约束作用较大,在设计时,不可忽略。

       4.2 是否考虑面板与龙骨接触面的接触

       分析可见,两种情况结构基本相同,因此,为简便计算分析,提高效率,在有限元分析过程中可不考虑接触面的摩擦,应有约束方程或自由度耦合来代替接触,其计算结果不会有影响。

       4.3 是否考虑内侧板拼缝影响

       从计算结果看,墙体内侧板拼缝的存在,对竖向龙骨的应力有所影响,故在设计时,不可忽视这个因素的影响。

       通过上述几个方面的计算分析,确定了在考虑墙体面板的支撑作用的情况下,应考虑的各种影响因素,并将计算所得结果与仅考虑龙骨抗弯的结果进行对比:

       五 结论

       本文采用壳及实体单元单元分别模拟面板、龙骨和填充料,建立同时考虑材料及非线性的有限元分析模型,可以较为精确的求解CCA板灌浆墙这一组合墙体的抗弯承载能力,通过文中文系可得如下结论:

       (1) 外墙抗风压设计验算时,不考虑墙板的组合效应,即仅对龙骨进行计算,虽过程比较简单,但所得结果偏于安全,有很大的安全储备,不经济。

       (2) 灌浆墙内填充料对龙骨的约束作用明显,以及自攻螺钉的连接,对竖向龙骨受抗弯设计时,不计算双力矩,不用验收构件的整体稳定性,只验收强度及挠度即可。

       (3) 在有限元分析时,可不考虑面板和龙骨翼缘间接触面的摩擦,可应有约束方程或自由度耦合来代替接触。

       (4) CCA板灌浆墙构造中,内侧板拼缝对龙骨应力有较大影响,不可忽略,而对截面刚度影响较小。

       参考文献

       [1] Bryan,E.R.Stressed Skin Design of Steel Buildings.CONSTRADO Monographs,Grosby  Lockwood Staples.1973.

       [2] Green,Ct G.G Winter,and T.ILCuykendall.Light Gage Steel Columns in Wall—Braced Panels.Bulletin 35/2,Engineering Experiment Station,Comell University,1947.