薄壁型钢骨架承重保温墙板的轴压性能研究

李贝娜，王庆华，封雷

（吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026）

薄壁型钢骨架承重保温墙板的轴压性能研究

李贝娜，王庆华，封雷

（吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026）

对一种轻质节能的薄壁型钢骨架承重墙板进行缩尺实验，研究其在轴压作用下的破坏形态、极限承载力及变形，采用有限元分析软件Abaqus对等尺寸的墙板进行应力和位移分析。研究表明：墙板在轴向荷载的作用下具有良好的力学性能，墙板的极限承载力为1701.2 kN，极限变形平均值为7.37 mm，极限应力为18.9 MPa，与实心黏土砖墙相比，150 mm厚的新型复合墙板轴心承载能力大于490 mm厚砖砌体墙体；混凝土柱、保温砂浆芯层及水泥砂浆面层对薄壁型钢骨架的变形起到约束作用，增大了抗侧移刚度，提高了墙板的整体性。

薄壁型钢骨架；承重保温墙板；轴压性能

0 引言

随着我国城市化水平的快速发展，建筑能耗在能源总消耗量中的比例也逐年上升，能源匮乏情况逐年加剧，因此“建筑节能”成为了贯彻可持续发展战略的一个重要组成部分[1]。“薄壁型钢骨架+节能复合墙板”的构造形式具有结构简单、平面布置灵活、易于标准化生产等优点，符合建筑节能的要求，可以取代性能低、能耗大的砌块或者空心砖，实现改善建筑性能、提高能源利用率、保护环境的目标[2]。本文对这种薄壁型钢骨架承重保温墙板在轴向荷载作用下的力学性能进行试验研究，并采用有限元分析软件对等尺寸的墙板进行数值模拟，分析墙板的破坏形态及受力特点，为工程应用提供了理论依据。

1 试验

1.1 墙板试件

墙板由薄壁型钢骨架、混凝土、水泥砂浆面层以及内填的保温砂浆组成。型钢骨架为主要的承重结构[见图1（a）]，其尺寸为1200 mm×560 mm×50 mm，由4根型号为［5的薄壁槽钢和钢拉条组成。其中，中间2根槽钢焊接在一起，两边的槽钢开口向内；槽钢之间用560 mm×30 mm×1.5 mm的普通钢拉条焊接在一起，拉条间距为300 mm。型钢骨架周围浇筑C30混凝土，形成型钢混凝土立柱，其间填充保温砂浆。墙板总厚度为150 mm，截面构造如图1（b）所示。

图1 墙板构造

1.2 试件制作

按照GB/T 30100—2013《建筑墙体试验方法》中的相关规定，制作2套薄壁型钢骨架承重保温墙板模型，分别编号为K1、K2，并在实验室标准条件下进行养护。型钢骨架及墙板试件的制作过程如图2所示。为了便于观察试验过程中墙板的开裂情况，在其表面涂刷1层白色面漆。

图2 型钢骨架及墙板试件制作

1.3 轴压试验加载过程

利用JYW-2000型压力机施加轴向荷载，采用TST3826E型静态应变测试分析系统采集应变和位移数据。先对墙板进行预加载到100 kN，静置2 min，然后采用单调竖向加载，加载速度恒定为1 kN/s，每级荷载100 kN，并维持荷载5 min左右，观察裂缝的出现与开展过程以及试件的破坏特征。

2 试验结果及数据分析

墙板轴压试验结果如表1所示，根据2块墙板数据的平均值绘制的墙板轴向荷载-竖向位移曲线如图3所示。

表1 墙板轴压试验结果

图3 墙板轴压承载力-竖向位移曲线

由表1和图3可以看出，墙板的极限承载力平均值为1693.1 kN；极限变形平均值7.37 mm；极限应力为18.9 MPa。采用GB 50003—2011《砌体结构设计规范》中给出的方法计算砖砌体墙承载力，砖砌体与砂浆强度均采用最大值。取长600 mm、高1200 mm、厚490 mm的砖墙计算其轴心受压承载力为1158 kN，与实心黏土砖墙相比较，150 mm厚的新型复合墙板轴心承载能力大于490 mm砖砌体厚墙体。该新型薄壁型钢骨架承重墙板轴压性能良好，并减少了对原材料的消耗，实现改善建筑性能、提高能源利用率、保护环境的目标。

图4 墙板破坏示意

墙板的荷载-位移曲线大致可分为6个阶段：（1）OA段：A点之前，荷载与位移接近于线性变化，墙板表面出现微小裂缝，此阶段为墙板的弹性工作阶段；（2）AB段：加载到A点之后，即荷载达到1558.7 kN之后，曲线斜率逐渐减小，位移增加速率变大，出现明显塑性变形，墙板的S面和H面端部均出现竖向裂缝[见图4（a）]，并逐渐向中部扩展，此阶段为墙板带裂缝工作阶段；（3）BC段：加载到B点之后，即荷载达到最大值1701.2 kN之后，曲线突然下降，墙板的承载力降低至C点1447.2 kN，与最大承载力相比降低了14.9%，主要是由于墙板表面的水泥砂浆面层出现贯通裂缝[见图4（b）]，影响了墙板的整体性，此阶段为墙板的承载力降低阶段；（4）CD段：墙板的承载力有所回升，在D点达到1634.4 kN，主要是由于在水泥砂浆面层破坏之后，墙板中的薄壁型钢骨架开始承担轴向压力，此时墙板混凝土表面裂缝继续扩展，此阶段为墙板承载力回升阶段；（5）DE段：曲线再次下降，位移增加的速率变大，墙板承载力下降，在E点达到1510.4 kN，此时墙板混凝土侧面发生皱起，但墙板仍可继续承载，此阶段为墙板的塑性工作阶段；（6）E点之后，曲线陡降，墙板混凝土表面出现贯通裂缝[见图4（c）]，部分混凝土和砂浆面层脱落[见图4（d）]，墙板内部传来“嘭”的一声，薄壁型钢骨架发生局部屈服，墙板不能再继续承载而破坏，此阶段为墙板的破坏阶段。

3 薄壁型钢骨架承重保温墙板结构体系轴压性能有限元分析

采用有限元分析软件Abaqus模拟墙板以及薄壁型钢骨架在轴压荷载作用下的力学性能，墙板、型钢骨架的构造与实测试件相同。

3.1 材料的本构模型

（1）水泥砂浆的本构关系

目前对水泥砂浆本构关系的研究还不是很成熟[3]，本文在进行有限元模拟时，将水泥砂浆看作是零骨料的混凝土，利用混凝土的本构关系建立水泥砂浆的本构关系[4]。混凝土单轴拉压应力-应变关系参照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》附录C中的方法来定义。

（2）保温砂浆的本构关系

保温砂浆的本构关系仅考虑弹性阶段的应力-应变关系[5]，根据JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》的有关规定，采用相同配方制作3块150 mm×150 mm×300 mm的保温砂浆试块（编号为E-1、E-2、E-3），实验条件下养护完成后，测试其弹性模量和泊松比，试验结果如表2所示。

表2 保温砂浆的弹性模量和泊松比

根据表2可得，保温砂浆的弹性模量为441 MPa，泊松比为0.18。

（3）钢材的本构关系

墙板采用Q235槽钢，厚度为1.5 mm，参照GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》的规定，得到钢材的性能参数见表3。

表3 钢材的性能参数

3.2 单元类型及网格划分

槽钢、拉条、水泥砂浆、保温砂浆、混凝土的单元类型均为实体单元，各部件之间约束关系为绑定约束（Tie）[6]。槽钢与拉条采用约束Tie绑定成薄壁型钢骨架构件，薄壁型钢骨架采用embedded技术嵌入水泥砂浆、保温砂浆与混凝土组成的实体中。钢框架与墙板的底部约束条件为完全固定（Encastre）没有平动和转动位移。网格划分时，薄壁型钢网格尺寸为0.065m，拉条网格尺寸为0.05m，其余构件网格尺寸为0.1m。

3.3 有限元模拟结果及分析

在轴向荷载作用下，墙板及其内部型钢骨架和混凝土的应力云图如图5所示，薄壁型钢骨架单独受压时的位移云图及墙板内部薄壁型钢骨架的位移云图如图6所示。

图5 墙板及其内部型钢骨架、混凝土柱的应力云图

图6 型钢骨架单独受压及墙板内部薄壁型钢骨架位移云图

由图5（a）、（b）可知，轴向荷载作用下，薄壁型钢骨架的应力远大于墙板其它部分的应力，薄壁型钢骨架最大应力为212 MPa，混凝土最大应力22.7 MPa。加载后，型钢骨架顶端拉条及骨架中柱上部应力较大，发生局部屈服，2根中柱的应力较2根边柱大，各柱翼缘与腹板应力变化同步；由图5（c）可知，混凝土中柱的应力较2根边柱大，应力集中在顶端。模拟墙板模型的极限承载力为1850 kN，极限应力为20.56 MPa，与试验测得的墙板极限应力18.90 MPa相比，误差为8.56%，试验情况与数值模拟情况基本一致。

由图6可知，薄壁型钢骨架单独承受轴向压力时，型钢骨架中部拉条处侧向位移为1.21 mm，墙板受压时，内部型钢骨架同一位置的最大侧向位移为0.13 mm，是前者的10.7%，混凝土柱、保温砂浆芯层及水泥砂浆面层对薄壁型钢骨架的变形起到约束作用，增大了抗侧移刚度，提高了墙板的整体性。

4 结论

通过对薄壁型钢骨架保温承重墙板的轴压实验以及有限元模拟结果的分析，得出以下结论：

（1）在轴向荷载作用下，薄壁型钢骨架承重保温墙板的极限承载力平均值为1701.2 kN，极限变形平均值为7.37 mm，极限应变为18.9 MPa，与实心黏土砖墙相比，150 mm厚的新型复合墙板承受轴心荷载的能力大于490 mm厚砖砌体墙体，墙板在轴向荷载作用下具有良好的力学性能。

（2）薄壁型钢骨架称重保温墙板荷载-竖向位移曲线有6个阶段：弹性阶段、带裂缝工作阶段、承载力下降阶段、承载力回升阶段、塑性阶段及破坏阶段，薄壁型钢骨架承重保温墙板构造形式受力较为合理，加载过程中，薄壁型钢骨架保温承重墙板由薄壁型钢骨架与内部保温砂浆芯层、混凝土柱协同工作，共同变形。

（3）根据有限元模拟结果可知：轴压作用下，薄壁型钢骨架的应力远大于墙板其它部分的应力，模拟墙板极限应力为20.56 MPa，试验测得墙板的极限应力为18.9 MPa，误差为8.56%；受压墙板中的型钢骨架较型钢骨架单独受压时的中部侧向位移降低为10.7%，混凝土柱、保温砂浆芯层及水泥砂浆面层对薄壁型钢骨架的变形起到约束作用，增大了抗侧移刚度，提高了墙板的整体性。

[1]朱清玮，武发德，赵金平.外墙保温材料研究现状与进展[J].新型建筑材料，2012（6）：12-15.

[2]封雷，封叶，王庆华.玻璃纤维网格布增强复合保温墙板的保温性能和力学性能研究[J].新型建筑材料，2016（3）：73-76.

[3]吴胜兴，王瑶，周继凯，等.水泥砂浆动态轴向拉伸本构关系试验研究[J].土木工程学报，2012（1）：13-22.

[4]封叶.EPS颗粒-EPS板复合保温墙板的力学性能及热热工性能研究[D].长春：吉林大学，2015.

[5]封叶，王庆华，刘家钦，等.EPS颗粒-EPS板复合保温墙板的力学性能研究[J].新型建筑材料，2014（7）：10-12.

[6]王鑫，麦云飞.有限元分析中单元类型的选择[J].机械研究与应用，2009（6）：43-46.

The study on axial compressive performance of thin wall type steel ribs load-bearing insulation wallboard

LI Beina，WANG Qinghua，FENG Lei
（Engineering College of Jilin University，Changchun 130026，China）

In this paper，a contraction scale test was carried out to study the failure morphology，ultimate bearing capacity and deformation of a light energy-saving thin wall type steel ribs under axial compression，and finite element analysis software Abaqus is used to analyze the stress and displacement of equivalent size wallboard.The results show that wallboard has good mechanical property under axial load.The ultimate bearing capacity 1701.2 kN，ultimate deformation mean 7.37 mm，ultimate stress 18.90 MPa. Compared with solid clay brick wall，the axial bearing capacity of 150 mm new recombination wallboard is greater than 490 mm thick brick masonry wall.The concrete column，thermal mortar core and cement mortar surface course have a restraint effect on the deformation of thin wall type steel ribs，meanwhile enlarge the lateral resisting stiffness and enhance the integrality of wallboard.

thin wall type steel ribs，load-bearing wallboard，axial compressive performance

TU52

A

1001-702X（2016）09-0039-04

2016-04-27；

2016-06-27

李贝娜，女，1992年生，山西临汾人，硕士研究生。