吳 長(zhǎng), 陳星宏, 劉家樂(lè)

(1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050; 2.蘭州理工大學(xué) 西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心, 甘肅 蘭州 730050)

冷彎薄壁輕鋼結(jié)構(gòu)體系大致可分為四種：C型輕鋼骨架體系、H型輕鋼骨架體系、無(wú)比輕鋼龍骨體系和筑巢輕鋼龍骨體系.其中筑巢輕鋼龍骨體系和傳統(tǒng)磚混結(jié)構(gòu)類似，同為墻承重體系，墻體在整個(gè)結(jié)構(gòu)中起抵抗豎向力和各種水平力的作用.目前可在輕鋼骨架上覆秸稈板、定向刨花板(OSB板)、石膏板、膠合板和鋼板等結(jié)構(gòu)板材形成組合墻體結(jié)構(gòu)體系[1].

隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的愈加重視，世界各國(guó)加大對(duì)可再生材料的研發(fā)和應(yīng)用.美國(guó)、德國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家最早對(duì)生物基材料聚羥基脂肪酸酯(PHA)進(jìn)行基礎(chǔ)性研究[2-3].吳蓉[4]將脫硫石膏、秸稈、聚苯顆粒按一定比例組合并摻入適量外加劑加水拌合制成新型墻板；李曉東等[5]通過(guò)正交試驗(yàn)在確定NaOH、生石灰和水泥的最佳摻量的基礎(chǔ)上，研究了不同植物纖維、水膠比、減水劑對(duì)復(fù)合膠凝材料基本力學(xué)性能的影響；岳孔等[6]采用初步成型及加濕增強(qiáng)的方法將小麥秸稈、石膏和結(jié)構(gòu)膠黏劑形成復(fù)合板材；雒鋒等[7]以秸稈灰和石灰為主要原材料制備硅酸鈣板.

近年來(lái)，許多學(xué)者已對(duì)輕鋼龍骨墻體展開(kāi)了研究.張波[8]對(duì)筑巢輕鋼龍骨組合墻體施加恒定豎向荷載和水平低周往復(fù)循環(huán)荷載，研究其抗剪性能；李元齊等[9]對(duì)龍骨與覆面板自攻螺釘連接的輕鋼龍骨剪力墻進(jìn)行了抗震性能分析；Khaliq等[10]研究了單調(diào)荷載作用下內(nèi)部填充聚苯乙烯泡沫混凝土的冷彎薄壁型鋼-纖維水泥板墻體的抗剪性能；Zeynalian等[11]通過(guò)OpenSees軟件建立了以纖維水泥板(FCB)為覆面板的冷彎型鋼剪力墻模型，對(duì)其進(jìn)行非線性增量動(dòng)力分析；Zhou等[12]研究了一種以纖維水泥壓力面板(FCP)作為護(hù)套的框架墻，提出了一種新型連接形式；胡志成[13]針對(duì)鋼骨架纖維增強(qiáng)水泥板組合墻板，將格構(gòu)式梁柱純框架與新型組合墻板的格構(gòu)式框架進(jìn)行擬靜力性能對(duì)比分析；Xu等[14]提出了一種高強(qiáng)度泡沫混凝土(HFC)填充冷彎薄壁鋼(CTS)覆稻草纖維板的復(fù)合墻體(HFCS復(fù)合墻體)；閆維明等[15]提出了一種帶有鉛阻尼器的冷彎薄壁型鋼組合墻結(jié)構(gòu)體系，并基于角部連接方式、面板鉚釘間距及種類對(duì)其進(jìn)行抗震性能研究；田穩(wěn)苓等[16]提出了一種設(shè)置方鋼管連接件的泡沫混凝土輕鋼龍骨復(fù)合墻體；馬杰等[17]提出一種在墻體四周增設(shè)焊接剛性邊框的新型裝配式剛邊框-冷彎薄壁型鋼骨架組合墻體.

在以往的研究中很少有將生物基材料和輕鋼龍骨墻體相結(jié)合的結(jié)果，本次研究將冷彎薄壁型輕鋼龍骨和黃麻纖維生物基面板結(jié)合組成墻體，利用ANSYS有限元軟件，建立組合墻體的簡(jiǎn)化力學(xué)計(jì)算模型.對(duì)不同黃麻纖維生物基面板厚度的組合墻體施加豎向荷載和水平低周往復(fù)荷載，研究不同面板厚度對(duì)組合墻體抗震耗能能力的影響，本文研究成果可有力地推動(dòng)裝配式輕鋼龍骨-生物基面板結(jié)構(gòu)體系在村鎮(zhèn)房屋建設(shè)中的應(yīng)用.

1 組合墻體的基本構(gòu)造及組成

1.1 輕鋼龍骨架的基本構(gòu)造及組成

筑巢輕鋼龍骨體系的基本組成單元為矩形截面的冷彎薄壁型鋼、自攻螺釘、Z形和蝶形連接件等.在本次研究中，兩根尺寸為40 mm×40 mm×1.2 mm的冷彎薄壁型鋼和厚度1.5 mm的Z形連接件通過(guò)自攻螺釘連接形成片柱，片柱和Z形連接件通過(guò)自攻螺釘連接形成方柱.兩根尺寸為50 mm×70 mm×1.5 mm的方鋼管同Z形和蝶形連接件通過(guò)自攻螺釘連接形成墻體上下部分的樓層桁架梁，如圖1至圖3所示.

圖1 蝶形連接件連接的桁架梁

圖2 Z形連接件連接的桁架梁(mm)

圖3 LSWB墻體(mm)

1.2 黃麻纖維生物基面板的基本構(gòu)造及組成

黃麻纖維生物基面板是將黃麻、椰絲、秸稈、紙漿等植物纖維和生物基樹(shù)脂通過(guò)復(fù)合共擠一次成型技術(shù)擠出的新型生物基面板.具體的生產(chǎn)工藝流程如圖4所示.

圖4 黃麻纖維生物基面板生產(chǎn)工藝流程

圖5是對(duì)黃麻纖維生物基面板小塊斷面分別放大35倍、100倍、500倍和1 000倍得到的SEM圖像.由圖5可知，面板斷面的纖維整體排列具有一定方向性，是由纖維和生物基樹(shù)脂擠出方向決定的.生物基樹(shù)脂將纖維緊緊包裹，因此面板整體致密性和剛度較好.

圖5 黃麻纖維生物基面板SEM圖像

2 黃麻纖維生物基面板材性試驗(yàn)

試驗(yàn)選用由濰坊云鼎新材料科技有限公司提供的標(biāo)準(zhǔn)厚度為8.35 mm的黃麻纖維生物基面板為樣板.為測(cè)定面板的彈性模量和靜曲強(qiáng)度，試驗(yàn)參考《定向刨花板》(LY/T 1580-2010)[18]中的規(guī)定在面板上切割試件，得到10個(gè)測(cè)試試樣如圖6所示.

圖6 面板試件

通過(guò)WDW-100D型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)定黃麻纖維生物基面板的彈性模量和靜曲強(qiáng)度[19].試驗(yàn)前在試件上標(biāo)記好加荷輥和支撐輥的具體位置，支撐輥間距240 mm.在試件下方跨中位置處布置量程為10 mm的百分表，并通過(guò)磁性支座固定，用于測(cè)量試件跨中處的最大變形，如圖7所示.通過(guò)兩點(diǎn)法得到彈性變形范圍內(nèi)荷載-撓度曲線.

圖7 試驗(yàn)加載裝置

靜曲強(qiáng)度σb:

(1)

彈性模量Eb:

(2)

式中：σb為試件靜曲強(qiáng)度，MPa；Eb為試件的彈性模量，MPa；Fmax為試件破壞時(shí)的最大載荷，N；l1為兩支座間距離，mm；b、t分別為試件寬度、厚度，mm；F2-F1為在載荷-撓度曲線中直線段內(nèi)載荷的增加量，N；a2-a1為試件中部變形的增加量，mm.

通過(guò)式(1)和式(2)可得到黃麻纖維生物基面板的彈性模量和靜曲強(qiáng)度見(jiàn)表1.面板在集中荷載作用下，在塑性變形末期突然發(fā)生脆性斷裂，斷口截面處較為整齊.在加載期間，面板跨中部位處出現(xiàn)較大的豎向撓度，加載面下方平行于斷口方向出現(xiàn)一系列橫向裂紋，如圖8所示.黃麻纖維生物基面板每個(gè)方向的彈性模量和靜曲強(qiáng)度均大于定向刨花板[18].

表1 黃麻纖維生物基面板材性參數(shù)

圖8 試件斷裂圖

3 組合墻體有限元模型與驗(yàn)證

3.1 有限元模型設(shè)計(jì)

利用ANSYS/Structural有限元分析軟件對(duì)墻體進(jìn)行建模，采用BEAM188單元模擬輕鋼龍骨組合墻體，采用COMBIN39單元模擬半剛性節(jié)點(diǎn)連接.引用文獻(xiàn)[8]中S350鍍鋅鋼的基本材料性能參數(shù)，采用雙線性彈塑性強(qiáng)化材料本構(gòu)關(guān)系定義彈性模量、屈服應(yīng)力和切線模量，從而建立鋼材的本構(gòu)模型.

重慶大學(xué)的相關(guān)研究表明，在筑巢輕鋼龍骨體系中大部分節(jié)點(diǎn)的連接不是傳統(tǒng)的剛性連接，而是屬于半剛性節(jié)點(diǎn)，即能夠傳遞彎矩又具有相對(duì)的轉(zhuǎn)角[20].在ANSYS中非線性COMBIN39單元通過(guò)定義F-D曲線(Μ-θ曲線)來(lái)模擬半剛性，不同類型的節(jié)點(diǎn)之間的連接分別參照?qǐng)D9所示的Μ-θ曲線來(lái)定義COMBIN39單元的力學(xué)表現(xiàn)行為.

圖9 組合墻體半剛性節(jié)點(diǎn)線性模型

實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，組合墻體是通過(guò)底部桁架梁的下弦桿和連接件以及化學(xué)螺栓與混凝土基座連接，讓組合墻體固接在基座上，保證組合墻體的水平方向不會(huì)與基座發(fā)生相對(duì)滑移，以及組合墻體平面外的前后傾倒.根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行模擬，ANSYS有限元模型中，耦合組合墻體底部相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度為UX=0、UY=0、UZ=0以及ROTX=0、ROTY=0、ROTZ=0.

3.2 等效截面簡(jiǎn)化

組合墻體的寬度和高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于墻體的厚度，因此，單從受力角度考慮，可以將3維組合墻體簡(jiǎn)化為2維組合墻體來(lái)分析.此外，樓層桁架梁和方柱是通過(guò)冷彎薄壁方鋼管和連接件通過(guò)自攻螺釘連接而成，可將樓層桁架梁截面和方柱截面按照主軸平面內(nèi)剛度等效的原則等效為單個(gè)實(shí)截面，將片柱按照主軸平面內(nèi)剛度等效原則等效為單個(gè)矩形管，如圖10所示.

圖10 截面等效簡(jiǎn)化(mm)

3.3 有限元模型驗(yàn)證

建立文獻(xiàn)[8]中LSWB-1和LSWB-3兩種墻體的有限元模型.采用先推后拉的方式對(duì)墻體施加水平低周循環(huán)荷載，模擬研究組合墻體的受力特點(diǎn)、變形特征和骨架曲線，得出兩種墻體的位移云圖、Mises應(yīng)力云圖，分別如圖11和圖12所示.

圖11 總位移云圖

圖12 應(yīng)力云圖

從LSWB-1和LSWB-3組合墻體有限元模型總位移云圖和Mises應(yīng)力云圖可以看出：荷載施加后，LSWB-1組合墻體最大位移出現(xiàn)在樓層桁架梁處，也就是荷載直接作用處，墻體仍處在彈性階段；LSWB-3組合墻體最大位移出現(xiàn)在樓層桁架梁處，而且靠近荷載作用點(diǎn)處的斜向支撐也有不同程度的屈曲變形，斜撐承擔(dān)了大部分墻體的側(cè)向荷載將模擬得到的兩種墻體的P-Δ曲線和試驗(yàn)得到的曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖13所示.結(jié)果顯示模擬結(jié)果和試驗(yàn)現(xiàn)象吻合，從而驗(yàn)證了通過(guò)將方柱、樓層桁架梁和片柱節(jié)點(diǎn)等效簡(jiǎn)化,用COMBIN39單元模擬節(jié)點(diǎn)連接所建立的有限元計(jì)算模型的正確性.

圖13 P-Δ曲線對(duì)比

4 組合墻體抗震性能分析

4.1 參數(shù)分析

采用LSWB型組合墻體(如圖3所示)，分析不同黃麻纖維生物基面板厚度對(duì)組合墻體抗震性能的影響.為了方便對(duì)墻體進(jìn)行不同的參數(shù)分析，將有限元墻體模型進(jìn)行編號(hào)，分別為WALL-1、WALL-2、WALL-3;黃麻纖維生物基面板厚度分別對(duì)應(yīng)為10、12、14 mm.

4.2 加載制度

對(duì)輕鋼龍骨-黃麻纖維生物基面板組合墻體施加的荷載分為豎向荷載和水平低周往復(fù)循環(huán)荷載兩部分.其中，對(duì)組合墻體立柱中心處施加33kN的豎向荷載.根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》(JGJ/T101-2015)規(guī)定[21]，在組合墻體立柱和上部樓層桁架梁交點(diǎn)中心點(diǎn)處施加位移荷載.選取層間位移角1/400、1/300、1/200、1/150、1/100、1/75、1/60、1/50、1/40、1/30為墻體的位移荷載.每一級(jí)循環(huán)一次，最后位移值歸零.具體的加載制度如圖14所示.

圖14 加載制度

4.3 滯回曲線分析

為研究不同黃麻纖維生物基面板厚度的組合墻體抗震性能，對(duì)不同面板厚度的LSWB型組合墻體施加水平低周往復(fù)循環(huán)荷載，得到墻體結(jié)構(gòu)的滯回曲線如圖15所示.

圖15 不同面板厚度的組合墻體滯回曲線

對(duì)比分析WALL-1、WALL-2和WALL-3組合墻體的滯回曲線可知：WALL-1、WALL-2和WALL-3組合墻體以及加載制度具有對(duì)稱性，三榀組合墻體的荷載-變形曲線表現(xiàn)出了較好的對(duì)稱性.在加載初期，墻體整體處于彈性工作階段，荷載-變形曲線呈線性關(guān)系，滯回環(huán)幾乎重合成一條直線，此時(shí)組合墻體能量耗散較少.隨著循環(huán)荷載的繼續(xù)施加，墻體進(jìn)入彈塑性工作階段，墻體結(jié)構(gòu)變形大于荷載的增加，滯回曲線開(kāi)始向塑性變形方向擴(kuò)展，墻體的耗能開(kāi)始增加.三榀組合墻體的滯回曲線全部為梭型，滯回環(huán)擴(kuò)展形成的面積隨著黃麻纖維生物基面板厚度的增加而增加，墻體的塑性變形能力增加.

4.4 耗能分析

結(jié)構(gòu)的能量耗散能力通常以滯回曲線所包圍的面積來(lái)衡量，用能量耗散系數(shù)E評(píng)價(jià)[21]，如圖16所示.

圖16 能量耗散系數(shù)的確定

(3)

式中：S(ABC+CDA)是圖16中滯回曲線包圍的面積；S(OBE+ODF)是圖16中三角形OBE和ODF之和.

由于加載階段荷載-變形曲線圍成的面積反映結(jié)構(gòu)吸收能量的大小，卸載和加載階段荷載-變形曲線圍成的面積為結(jié)構(gòu)耗散的能量，這些能量是結(jié)構(gòu)通過(guò)內(nèi)摩擦或結(jié)構(gòu)構(gòu)件局部變形、損傷將外界荷載轉(zhuǎn)化為內(nèi)能耗散.滯回曲線越飽滿，結(jié)構(gòu)的能量耗散能力越好，抗震能力也越強(qiáng).通過(guò)計(jì)算得到的不同黃麻纖維生物基面板厚度的三榀組合墻體的能量耗散系數(shù)E見(jiàn)表2.隨著面板厚度的增加，墻體的能量耗散能力也在增加，黃麻纖維生物基面板和方柱連接處發(fā)生平面外變形而形成塑性角，從而提高墻體結(jié)構(gòu)的整體耗能能力.

表2 不同面板厚度的組合墻體能量耗散能力

4.5 骨架曲線分析

骨架曲線主要用于反映結(jié)構(gòu)的承載力、剛度和延性等特性.不同黃麻纖維生物基面板厚度的組合墻體骨架曲線如圖17所示.由圖17可知，試件骨架曲線包括彈性階段、屈服階段以及塑性階段.WALL-1墻體在循環(huán)過(guò)程中承載力較低，試件整體側(cè)移為108.42 mm.WALL-2和WALL-3試件初始剛度較大，推拉基本平衡，WALL-2試件的整體位移為164.25 mm，WALL-3試件的整體位移為165.74 mm，體現(xiàn)了筑巢輕鋼龍骨-黃麻纖維生物基面板組合墻體具有良好的承載能力和剛度.

圖17 不同面板厚度的組合墻體骨架曲線

4.6 剛度退化分析

試件剛度退化是衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的一個(gè)重要指標(biāo)，采用割線剛度法研究模型剛度退化情況，結(jié)構(gòu)剛度K應(yīng)按照下式計(jì)算：

(4)

式中：+Fi、-Fi分別為第i次正、反向峰值點(diǎn)的荷載值；+Xi、-Xi分別為第i次正、反向峰值點(diǎn)的位移值.

不同黃麻纖維生物基面板厚度的組合墻體剛度退化隨加載位移變化曲線如圖18所示.從整體上看，WALL-1、WALL-2和WALL-3組合墻體的剛度退化曲線具有相似的變化趨勢(shì)：加載位移小于32.85 mm時(shí)，三榀墻體的剛度隨位移荷載的施加下降緩慢，剛度曲線近似于一條水平直線.加載位移大于32.85 mm時(shí)，三榀墻體的剛度隨位移荷載的增加而迅速喪失，墻體塑性變形迅速擴(kuò)展.

圖18 不同面板厚度的組合墻體剛度退化曲線

荷載施加完成后，WALL-1墻體的剛度從1.98 kN/mm減小到0.82 kN/mm，墻體剛度喪失了58.9%；WALL-2墻體的剛度從2.01 kN/mm減小到0.87 kN/mm，墻體剛度喪失了56.8%；WALL-3墻體的剛度從2.04 kN/mm減小到0.90 kN/mm，墻體剛度喪失了55.7%.故提高黃麻纖維生物基面板厚度，可以在一定程度上提高組合墻體的初始剛度，剛度喪失幅度也有所降低.

5 結(jié)論

基于裝配式輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系和生物基纖維材料發(fā)展的背景，研究黃麻纖維生物基面板的基本構(gòu)造組成和理化性能.通過(guò)ANSYS有限元軟件建立組合墻體的簡(jiǎn)化力學(xué)分析計(jì)算模型，分析黃麻纖維生物基面板厚度對(duì)組合墻體抗震耗能性能的影響，得出以下結(jié)論：

1)黃麻纖維生物基面板的彈性模量和靜曲強(qiáng)度優(yōu)于傳統(tǒng)的OSB板.纖維排列具有一定的方向性，纖維和生物基樹(shù)脂均勻混合，整個(gè)面板具有一定的強(qiáng)度和致密性.

2)WALL-2和WALL-3相較于WALL-1墻體的滯回曲線更加飽滿，抗震性能更好，WALL-2和WALL-3墻體的能量耗散系數(shù)E分別比WALL-1墻體大21.35%、24.16%，面板厚度為14 mm的組合墻體耗能性能更優(yōu).

3)增加黃麻纖維生物基面板厚度可以加大組合墻體的塑性變形能力，提高組合墻體的初始剛度.加載完成后，WALL-1、WALL-2、WALL-3墻體的剛度分別喪失了58.9%、56.8%和55.7%.故增加面板厚度可以減小剛度退化幅度，提高剛度殘余.