王振 王蘭芹

【摘要】鋼結(jié)構(gòu)建筑是建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的必然趨勢，隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑的快速發(fā)展，開發(fā)新型節(jié)能墻板來代替?zhèn)鹘y(tǒng)墻體符合當(dāng)前社會發(fā)展的趨勢。本文利用ANSYS有限元軟件對某新型墻板進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明該新型墻板具有良好的力學(xué)性能，能夠滿足實(shí)際工程受力要求。

【關(guān)鍵詞】鋼絲骨架；墻板；有限元分析

【中圖分類號】TU502⁺.6 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1003-1324（2012）-03-0084-03

1.前言

從建筑的發(fā)展方向和國外的發(fā)展?fàn)顩r來看，鋼結(jié)構(gòu)建筑是建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的必然趨勢，它將帶動我國建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使我國建筑逐步達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化和現(xiàn)代化。隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑的快速發(fā)展，開發(fā)新型節(jié)能外維護(hù)墻板及內(nèi)墻板來代替?zhèn)鹘y(tǒng)墻體符合當(dāng)前社會發(fā)展的趨勢。

近年來國內(nèi)外相繼開發(fā)出一系列不同類型的新型墻體材料，如非粘土磚系列、新型建筑砌塊、新式復(fù)合墻板等。在眾多新型建筑墻體材料中，復(fù)合板材體系以其優(yōu)異的工作性能、低廉的造價(jià)成為發(fā)展最為迅速的一種新型建筑材料。雖然國內(nèi)外已開發(fā)出多種復(fù)合墻板，但都存在各種各樣的問題，如國內(nèi)現(xiàn)階段使用的鋼絲網(wǎng)架聚苯乙烯板抹水泥砂漿，由于僅依靠墻體內(nèi)的外伸鋼筋挑著保溫板外的水泥砂漿抹灰保護(hù)層的重量，易發(fā)生鋼筋變形抹灰層下墜，使水泥砂漿抹灰層開裂，導(dǎo)致雨水進(jìn)入保溫層，加速了苯板的光老化和氧老化，使保溫層破壞；因苯板內(nèi)有斜插鋼絲（每平方米200根斜插鋼絲），以及在苯板與墻體之間有間距600mm的外伸鋼筋中6固定苯板，大大降低保溫效果。另一種常用的外粘苯板保溫效果是當(dāng)前所有保溫技術(shù)中最好的，但仍存在諸多問題，如防火性能差；高層建筑保溫層的抗風(fēng)壓特別是抵抗負(fù)風(fēng)壓不安全；用于外粘苯板的膠和塑料脹釘是高分子材料，隨著時(shí)間的推移將老化變脆，因而耐久年限有限；施工質(zhì)量的控制難度大等缺點(diǎn)。

2.新型鋼絲骨架輕質(zhì)復(fù)合墻板的基本構(gòu)造

山東建筑大學(xué)與山東深科保溫板墻開發(fā)有限公司參照現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)出一種新型的鋼絲骨架輕質(zhì)復(fù)合墻板這一新型墻板。該墻板是在工廠制作的一種三維空間鋼絲骨架夾芯板。該板一般構(gòu)造表現(xiàn)為用內(nèi)外兩層細(xì)石混凝土板與鋼絲骨架連接成一個(gè)整體，然后在兩片混凝土板之間填充聚氨酯保溫材料。其中鋼絲骨架是由雙向正交正放的單片桁架組成的一空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。兩片混凝土層均為工廠預(yù)制，外墻板的內(nèi)、外側(cè)混凝土板的厚度分別為20mm和1330mm，混凝土標(biāo)號為C40。其構(gòu)造圖如圖1所示。

外墻板與框架結(jié)構(gòu)的連接采用下托上掛式，即在框架梁和柱上預(yù)埋鋼板并焊接外挑的槽鋼，并將位于槽鋼處的骨架鋼筋與槽鋼焊接。其中框架梁上的預(yù)埋件間距為750mm，框架柱上的預(yù)埋件間距為750mm。

為保證墻板生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化和方便墻板的選用，我們對這種新型墻板進(jìn)行了力學(xué)性能分析。外墻面板平面尺寸的板高取3種規(guī)格計(jì)算，分別為3000mm，3600mmd及4200mm，其板寬也取3種規(guī)格計(jì)算，分別為3300mm，4200mm及6600mm，即共計(jì)算了9種尺寸規(guī)格。由于建筑物外墻大部分帶有窗戶，本文根據(jù)工程中的實(shí)際情況和墻板的構(gòu)造，經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)算，規(guī)定了各種規(guī)格墻板中窗戶的最大開口尺寸和窗戶邊緣到墻板邊緣的最小尺寸，并規(guī)定了窗框固定點(diǎn)的最少個(gè)數(shù)。經(jīng)試算，在墻板上開設(shè)窗戶將在很大程度上破壞墻板的力學(xué)性能，在墻板的實(shí)際生產(chǎn)過程中為保證產(chǎn)品綜合成本最低，規(guī)定每種規(guī)格的墻板不論是否帶有窗戶都采用相同的結(jié)構(gòu)形式，所以本文僅對設(shè)有窗戶的各規(guī)格外墻板進(jìn)行了計(jì)算分析?？紤]到墻板實(shí)際的受力狀況和受力特點(diǎn)，本文重點(diǎn)研究了墻板承受《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定的最大設(shè)計(jì)風(fēng)荷載和承受1.3倍的最大設(shè)計(jì)風(fēng)荷載（見表1）兩種情況下墻板的力學(xué)性能。由于該鋼絲骨架輕質(zhì)復(fù)合墻板結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，用傳統(tǒng)的解析方法已無法得到較精確的解，本文直接選用ANSYS分析軟件來模擬墻板的實(shí)際受力狀況進(jìn)行計(jì)算分析。

3.鋼絲骨架輕質(zhì)復(fù)合墻板的有限元分析

3.1有限元模型的建立

對于該鋼絲骨架輕質(zhì)復(fù)合墻板的有限元模型采用分離式+整體式。在建模時(shí)假定鋼筋與混凝土之間粘結(jié)良好，兩者無相對滑移。且在墻板的受力性能進(jìn)行分析時(shí)，不考慮中間發(fā)泡聚氨酯的作用。鋼絲骨架采用PIPE20桿單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，木柱采用BEAMl88梁單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，與混凝土單元SOLID65在節(jié)點(diǎn)處合并?；炷林械募?xì)鋼絲通過在混凝土單元SOLID65中輸入配筋率來考慮。支撐模擬實(shí)際情況，在模型中約束周邊支承槽鋼處的主筋端節(jié)點(diǎn)的3個(gè)移動自由度，以及下表面槽鋼范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)的豎向移動自用度。

3.2計(jì)算結(jié)果及分析

針對9上述種板型以及每種板型各自對應(yīng)的兩種風(fēng)荷載工況進(jìn)行了有限元計(jì)算分析。根據(jù)對各種計(jì)算組合情況下的整體變形，混凝土開裂狀況，各組成構(gòu)件的應(yīng)力水平，約束反力進(jìn)行分析比較（見表2、3、4、5、6），從而對該外墻板的綜合力學(xué)性能進(jìn)行分析和評價(jià)。

（1）變形結(jié)果及分析

由表2數(shù)據(jù)可以看出，各種板型的最小矢跨比為1/5776，最大矢跨比為1/2006，說明該板的剛度較大，變形很小，可充分滿足正常使用要求。對照表1和表2的數(shù)據(jù)可以看出，每種板型所對應(yīng)的兩種工況的位移之比基本等于相應(yīng)的風(fēng)荷載之比，說明每種板型的變形與風(fēng)載基本呈線性變化，即每種板型的整體剛度基本未發(fā)生變化?？芍谶@兩種荷載工況下墻板大部分處于線性狀態(tài)，墻板中的混凝土大部分應(yīng)未開裂，鋼筋應(yīng)力應(yīng)較小。說明墻板均具有較大的安全儲備。

（2）混凝土開裂和主應(yīng)力結(jié)果及分析

計(jì)算結(jié)果顯示，混凝土開裂區(qū)域集中在周邊槽鋼支承部位的小范圍內(nèi)，且僅為第1主應(yīng)力造成的拉裂，而且支座區(qū)的局部開裂位于外層板中。這是由于支座區(qū)存在集中支反力，局部區(qū)域內(nèi)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此開裂區(qū)存在于支座區(qū)。又由于在支座處存在負(fù)彎矩，此時(shí)支座處的墻板外層受拉內(nèi)層受壓，因此僅在外層出現(xiàn)開裂。

查看內(nèi)層板的第1主應(yīng)力S1的彩色云圖可以看出，板中混凝土的應(yīng)力值均較低，僅在支承處和4個(gè)窗角局部區(qū)域應(yīng)力值較高。查看外層板的第3主應(yīng)力s3的彩色云圖可以看出，此時(shí)板中壓應(yīng)力分布較均勻，但在4個(gè)窗角處和局部邊角處的應(yīng)力值較大。

表3中所有混凝土最大拉應(yīng)力s1的數(shù)值均大于混凝土的抗拉強(qiáng)度值，即1.71N/mm²，故各種板型在兩種工況下均存在不同程度的局部拉裂現(xiàn)象。表4中所有混凝土最大壓應(yīng)力S3的數(shù)值均小于混凝土的抗壓強(qiáng)度值，即19.1N/mm²，故各種板型在兩種工況下均不會出現(xiàn)混凝土壓碎現(xiàn)象。對照表3、表4和表1數(shù)據(jù)可以看出，對于板寬小于4200mm的6種板型，其每種板型在兩種工況下的混凝土最大拉應(yīng)力S1之比基本等于相應(yīng)的風(fēng)荷載之比；最大壓應(yīng)力S3之比也基本等于相應(yīng)的風(fēng)荷載之比。說明混凝土的局部開裂基本上沒有影響混凝土的承載能力，此時(shí)板的剛度基本沒有退化現(xiàn)象。

而對于板寬為6600mm的3種板型，其每種板型在兩種工況下的混凝土最大拉應(yīng)力S1之比小于相應(yīng)的風(fēng)荷載之比；混凝土最大壓應(yīng)力S3之比小于相應(yīng)的風(fēng)荷載之比，說明此時(shí)混凝土的局部開裂相對較嚴(yán)重，降低了混凝土的承載能力，板的剛度退化明顯。

（3）骨架鋼筋應(yīng)力結(jié)果及分析

表5中各種板型及所對應(yīng)的兩種風(fēng)載工況下的骨架鋼筋最大VonMiss應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果顯示，骨架鋼筋應(yīng)力呈雙向分布，而且支承周圍應(yīng)力水平較高。特別是對于4.2m×6.6m的板，其支座處應(yīng)力最高已達(dá)313.466N/mm²，接近鋼絲的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值320N/mm²，建議加強(qiáng)。

（4）木柱應(yīng)力結(jié)果及分析

表6中的各種板型及所對應(yīng)的在兩種風(fēng)載工況下的木柱的最大VonMiss應(yīng)力的數(shù)值均遠(yuǎn)小于木柱的材料的抗壓強(qiáng)度34.8N/mm²。

4.結(jié)束語

通過以上論述可看出，鋼絲骨架輕質(zhì)復(fù)合墻板具有良好的力學(xué)受力性能，各種板型的墻板均能承受該墻板設(shè)定使用范圍內(nèi)的風(fēng)荷載。墻板在規(guī)定風(fēng)荷載作用下的撓度非常小，滿足正常使用極限狀態(tài)的要求。

相信隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑的快速發(fā)展，該墻板應(yīng)具有廣闊的發(fā)展前景。