新型连接下轻钢龙骨内墙平面外受力性能的有限元分析*|轻钢龙骨墙

? 新型连接下轻钢龙骨内墙平面外受力性能的有限元分析* 新型连接下轻钢龙骨内墙平面外受力性能的有限元分析*

张海霞　李帼昌　杨　萍

(沈阳建筑大学土木工程学院，沈阳　110168)

摘　要：为了实现轻钢龙骨内墙与主体钢框架梁的连接既能满足受力性能和物理性能的要求，又能体现预制装配式结构的特点，设计了轻钢龙骨内墙与主体钢梁连接、与地面连接新形式，并利用有限元软件对新型连接下的轻钢龙骨内墙平面外的受力性能进行模拟，分析其承载力、变形和应力变化情况。研究表明，新型连接下墙体的承载力满足CECS261∶2009《钢结构住宅设计规范》规定，且能满足多遇地震下框架结构的弹性层间位移限值和罕遇地震下框架结构的弹塑性层间位移限值。

关键词：轻钢龙骨内墙；U形连接件；底部连接件；平面外受力；有限元分析

轻钢龙骨内墙是由龙骨、面板和岩棉等材料组成的复合墙体，其中竖龙骨起支撑作用，两侧面板与竖龙骨用自攻螺钉固定，中间空腔填加吸声材料，以满足内墙隔声性能要求。轻钢龙骨内墙具有轻质高强、塑性好、韧性好、布置灵活的特点，并且可节约大量黏土资源，是一种节能环保墙体，其充分体现了绿色建筑的理念[1-4]。随着我国大力推广建筑工业化，作为与钢结构建筑相配套的轻钢龙骨内墙体系的应用也越来越广阔。然而，两者之间如何连接既能满足受力性能和物理性能的要求，又能体现预制装配式的特点是推进建筑工业化，特别是钢结构绿色建筑的重要方面。故此，本文设计了一种轻钢龙骨内墙与主体钢结构框架梁及地面连接的新型连接方式，并利用有限元软件ABAQUS建立了新型连接下轻钢龙骨内墙的有限元分析模型，研究其在均布荷载和层间位移作用下的受力性能和变形性能，为工程实践提供理论依据。

1　新型连接形式

1.1　连接设计要求

内墙板与钢框架主体连接主要有柔性连接和刚性连接两类。一般用于非地震区各类隔墙与主体结构的连接可采用常规的天地龙骨连接构造；用于抗震设防烈度8度和8度以下地区的内隔墙与主体连接应设计成柔性连接，在连接处可增设柔性材料或采用滑动连接。在进行内墙板与主体连接设计时，应要求连接有足够的强度和变形空间、耐腐蚀、隔声、制作简单、安装方便，同时也要考虑经济性。

1.2　连接构造形式

1.2.1　墙体与钢梁连接

墙体与钢梁之间主要通过连接件连接，本文设计一种采用U形连接件连接的新型连接构造。U形连接件在工厂内完成与钢梁的焊接，工厂加工完成对竖龙骨上端的开槽，使U形连接件两翼缘垂直插入细槽，并与细槽紧配合，每根竖龙骨上配一个连接件。开槽尺寸和连接件尺寸见文献[5]。此种新型连接构造在平面内对墙体没有约束作用，墙体可以沿U形连接件产生一定的滑动，这样可以减少主体结构变形对墙体的影响，为加强竖龙骨之间的连接可以在U形连接件下方一定距离设一道横龙骨。在平面外，主体结构受外力作用，使墙体与钢梁底部产生相对位移。此时，U形连接件与竖龙骨接触处相互挤压，U形连接件对墙体起到约束作用，可防止墙体发生倒塌。采用这种连接方式时，墙体面板与两侧边龙骨不能采用自攻螺钉固定。轻钢龙骨内隔墙与钢梁新型连接构造如图1所示。

a—竖龙骨上端开槽;b—U形连接件；c—连接构造示意。

图1　内墙与钢梁新型连接构造

1.2.2　墙体与地面连接

轻钢龙骨内墙与地面主要通过地龙骨连接，地龙骨与地面用膨胀螺栓或射钉固定，与竖龙骨用自攻螺钉固定。本文设计一种新型连接方式，采用一种连接件与竖龙骨用自攻螺钉连接，连接件与地面用射钉或金属膨胀螺栓连接，金属膨胀螺栓的螺栓孔沿墙板长度方向为长条形，这就保证墙板伸缩时免受楼地面约束，连接件具体尺寸见文献[5]。安装时先将竖龙骨与连接件连接固定形成一个整体，然后将竖龙骨和连接件一同安装就位，用膨胀螺栓将其固定在地面上。有隔声要求时，连接件与地面铺设玻璃棉毡；有防水要求时，墙体底部按设计要求砌筑混凝土墙垫。内墙与地面新型连接构造如图2所示。这种新型连接方式施工简单，连接件形式简单易于生产加工，与地面连接紧密，可以抵抗由墙体平面外受力而引起的底部剪力及弯矩，在平面内可以适应钢结构主体和墙体的变形。

a—连接件;b—连接构造示意。

图2　轻钢龙骨内墙与地面新型连接构造

2　建立有限元模型

本文建立一榀框架内填轻钢龙骨内墙模型。钢框架柱截面为H250×250×9×14，钢框架梁截面为H200×150×6×9，墙体高宽尺寸为3000mm×2400mm，C形竖龙骨为C50×50×6×1.0，龙骨间距600mm，横龙骨为U50×40×1.0，两侧单层面板厚12mm。U形连接件采用U80×30×60×2.0，地面连接件尺寸87mm×45mm×35mm×2.0mm。墙体龙骨布置方式如图3所示。模型中钢框架、面板、横龙骨均采用壳单元S4R模拟。U形连接件、底部连接件和竖龙骨均采用实体单元C3D8R模拟。两侧边龙骨与钢柱、U形连接件与钢梁下翼缘用Tie命令连接。对于面板、竖龙骨、横龙骨和底部连接件间的自攻螺钉连接，利用Partition命令将竖龙骨按照螺钉间距划分，再利用Tie命令将竖龙骨与墙板、横龙骨和底部连接件连接起来，约束连接处的位移[6-7]。

模型分别考察均布荷载和层间位移作用。均布荷载作用下，约束柱顶X，Y，Z方向的位移，约束柱底和底部连接件底面在X，Y，Z方向的位移和转动，墙体平面外施加均布荷载。层间位移对墙体的影响则通过对框架梁顶施加位移边界条件进行模拟。约束柱底和底部连接件底面在X，Y，Z方向的位移和转动。模型边界条件及加载方式如图4所示。

图3　墙体龙骨布置

a—平面外荷载;b—层间位移。

图4　模型边界条件及加载方式

3　结果分析与讨论

3.1　承载力分析

整体模型随荷载变化的最大位移和最大应力值见表1。按CECS261∶2009《钢结构住宅设计规范》[8]规定“装配式内隔墙的承载力和允许水平变形尚无标准，参照德国工业标准DIN4103的规定，可用在0.3kN/m2的均布荷载下不破坏且水平变形不大于H0/240(H0为单片墙高度)，同时检验承载力和刚度。”故由表1可知当荷载为0.326kN/m2时，墙体最大变形为3.983mm，小于12.5mm(H0/240)且最大应力未达到屈服，满足要求。

表1　模型的最大位移和最大应力

荷载/(kN\5m-2)位移/mm应力/MPa荷载/(kN\5m-2)位移/mm应力/MPa0.0220.2728.0630.3263.983116.90.0440.54316.080.4235.151150.70.0780.95228.170.5696.912201.30.1281.56446.220.7879.514211.50.1561.90856.331.10013.35211.50.1992.42671.511.27115.52211.50.2623.20494.24

3.2　位移分析

图5和图6分别为均布荷载作用和层间位移作用下的模型变形和位移变化。从图5a可以观察到，墙体的中心区域变形最大，向四周逐渐变小，向下以波浪形减小，向两侧以圆弧形减小，在支撑位置处为零，向上先以波浪形减小后以圆弧形减小，顶部中间支撑处发生微小的位移。从图5b可见，竖龙骨变形最大的是中间竖龙骨的中间部分。从图5c可以看出，曲线呈拱形，最大位移为15.2mm，发生在墙高1650mm处，墙体底部未产生位移，墙体顶部发生约1.78mm的微小变形。从图6可知，墙体随层间位移发生变形，变形沿墙高逐渐增大。很明显，位移沿墙高变化曲线呈弯曲型。

a—整体模型,mm;b—龙骨,mm;c—位移沿墙高变化。

图5　均布荷载作用下的模型变形及位移变化

3.3　应力分析

3.3.1均布荷载作用

图7为整体模型和竖龙骨的应力云图。从图中可以看出，整个模型的应力较大处发生在中间竖龙骨的中部和底部连接处。图8为5个U形连接件应力云图，图9为5个底部连接件应力云图，图10为面板的应力云图。由图8—图10可以看出，当竖龙骨和底部连接件最大应力处达到屈服强度时，其他部分最大应力还未达到屈服强度，底部连接件应力较大处在底部连接件和竖龙骨连接处，面板应力较大处在面板四角，故模型的主要破坏位置在底部连接件和竖龙骨连接处或中间竖龙骨处。

a—整体模型,mm;b—龙骨,mm;c—位移沿墙高变化。

图6　层间位移作用下下的模型变形及位移变化

a—整体模型;b—龙骨。

图7　均布荷载作用下整体模型和竖龙骨应力云图　MPa

a—1号;b—2号;c—3号;d—4号;e—5号。

图8　均布荷载作用下U形连接件应力云图　MPa

a—1号;b—2号;c—3号;d—4号;e—5号。

图9　均布荷载作用下底部连接件应力云图　MPa

图10　均布荷载作用下面板应力云图　MPa

图11　均布荷载作用下连接件应力-荷载曲线

图11为连接件的应力-荷载关系曲线。从图11a可以看出，5个U形连接件的应力-荷载曲线都近似直线，但在相同荷载作用下其应力大小并不相等，即力不是平均分配到每个U形连接上的，处于中间位置的3号U形连接件的应力始终大于其他几个连接件，其最大应力为28.06MPa；1号、4号和5号连接件的应力比较接近，最大应力约为3号U形连接件的60%；2号连接件最大应力为3号连接件的71.4%。从图11b可以看出，力也不是平均分配到每个底部连接件上的，同样是处于中间位置的3号连接件的应力最大，在荷载为0.787kN/m2时应力达到屈服强度211.5MPa，此时4号底部连接件的应力为156.1MPa，约为3号底部连接件的74%；在荷载为1.1kN/m2时应力到达屈服强度211.5MPa。2号底部连接件在3号底部连接件应力达到屈服强度时的应力为116.4MPa，为3号底部连接件的55%，为4号连接件的75%；在4号底部连接件应力达到屈服强度时，1号和5号底部连接件的应力变化曲线十分接近，其应力值为169.75MPa，在3号底部连接应力达到屈服强度时，1号和5号底部连接件的应力分别为71.2MPa和68.6MPa，分别为3号连接件的33.6%和32.4%，为4号连接件的46.2%和43.9%，为2号连接件的61.2%和58.9%；在4号底部连接件应力达到屈服强度时，1号和5号底部连接件的应力分别为100.4MPa和96.6MPa，分别为2号底部连接件的59.1%和56.9%。

3.3.2　层间位移

图12为整体模型和竖龙骨的应力云图。从图中可以看出，整个模型的应力较大处同样发生在中间竖龙骨和底部连接件的连接处。图13为5个U形连接件应力云图，图14a为U形连接件应力-荷载关系曲线。从图13和图14a中可以看出，处于两侧的1号和5号U形连接件应力随层间位移变化趋势十分接近，在位移达到65mm时应力分别为159.6MPa和159.4MPa，均未到达屈服强度；处于中间位置的2号、3号及4号U形连接件在位移达到65mm时应力分别为37.7MPa、31.8MPa和39.5MPa，远远小于1号和5号U形连接件，约为1号和5号U形连接件的24.6%、19.9%和24.7%，故可知在层间位移作用下墙体顶部的U形连接件受力并不均匀，主要是由两侧的U形连接件受力。加载完成后U形连接件均没有达到屈服强度。

a—整体模型;b—龙骨。

图12　层间位移作用下整体模型和竖龙骨应力云图　MPa

a—1号;b—2号;c—3号;d—4号;e—5号。

图13　层间位移作用下U形连接件应力云图　MPa

图14　层间位移作用下连接件应力-荷载曲线

a—1号;b—2号;c—3号;d—4号;e—5号。

图15　层间位移作用下底部连接件应力云图　MPa

图16　层间位移作用下面板应力云图　MPa

图15为5个底部连接件应力云图，图14b为底部连接件应力-荷载关系曲线。从图14b和图15中可以看出，2号和3号底部连接件的应力变化趋势十分接近，在位移达到60mm时，2号底部连接件应力为207MPa，未达到屈服强度，3号底部连接件应力为211.5MPa，达到了屈服强度；1号和5号底部连接件在位移为60mm时，其应力分别为184MPa和180MPa，分别为2号底部连接件应力的88.9%和86.9%；在位移为65mm时，应力均达到屈服强度211.5MPa。3号底部连接件的应力随层间位移增加呈直线上升，应力大于1号和5号底部连接件而小于2号连接件，在位移为65mm时达到屈服强度211.5MPa。整体上，5个底部连接件中2号和3号应力最大，1号和5号应力最小，应力值最大相差约40MPa，在位移为65mm时均达到屈服强度。

图16为面板的应力云图。从图中可知，面板应力较大处在底部两角，应力沿墙高逐渐减小。

图17为层间位移作用下层间位移-应力曲线。从图中可知，竖龙骨最大应力处的应力始终大于钢框架最大应力处的应力，直到竖龙骨和底部连接件最大应力处达到屈服强度，而其他部分最大应力还未达到屈服强度，这时随着层间位移继续增大框架柱底部应力最大处也发生屈服。

图17　应力-层间位移曲线

3.4　抗震性能评价

本文模型墙高3000mm，对多、高层钢结构弹性层间位移角限值取1/250，即层间位移限值为12mm；弹塑性层间位移角限值取1/50，即层间位移限值为60mm。由图17可知，在层间位移为12mm时模型未达到屈服，说明新型连接下墙体能满足“小震可修”的抗震设防标准。在层间位移60mm时竖龙骨最大应力处达到屈服强度，但屈服范围很小，并没有发生大面积的屈服，未发生整体的破坏，说明新型连接下墙体能满足“大震不坏”的抗震设防标准，即新型连接下墙体能满足多遇地震框架结构的层间弹性位移限值和罕遇地震下框架结构的弹塑性位移限值。

4　结束语

1)均布荷载作用下墙体的中心区域变形最大，向四周逐渐减小，位移沿墙高变化曲线呈拱形。

2)均布荷载作用下，U形连接件和底部连接件应力大小不同且相差较大，但变化趋势相同，都是处于中间位置的连接件应力最大。

3)层间位移作用下墙体随层间位移发生变形，变形沿墙高逐渐增大，位移沿墙高变化曲线呈弯曲型。

4)层间位移作用下，U形连接件受力并不均匀，主要是由两侧的U形连接件受力。加载完成后U形连接件均没有达到屈服强度。底部连接件应力大小相差不大，中间的3个连接件应力大于两侧的2个连接件，且应力均达到屈服。

5)新型连接下墙体的承载力满足CECS261∶2009规定，且能满足多遇地震框架结构的弹性层间位移限值和罕遇地震下框架结构的弹塑性层间位移限值。

参考文献

[1]　武胜，张素梅.轻钢龙骨复合墙体节能设计方法与研究进展[J].钢结构，2009，24(11):1-6．

[2]　刘强．腹板开孔轻钢龙骨围护墙体抗火与隔声性能研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[3]　冯佳贤．新型轻钢龙骨组合墙体竖向极限承载力分析[D]．武汉：武汉理工大学，2010.

[4]　马玲玲．轻钢龙骨体系建筑做法、保温性能及经济性研究[D]．武汉：武汉理工大学，2008.

[5]　杨萍．轻钢龙骨内墙与钢框架新型连接的开发及性能研究[D]．沈阳：沈阳建筑大学，2014.

[6]　徐昌.不同墙板材料轻钢龙骨组合墙体抗侧性能分析[D].武汉：武汉理工大学，2010.

[7]　赵滇生，黄巧艺，郑乐.C型轻钢龙骨墙柱抗侧受力性能的数值模拟分析[J].浙江建筑，2011,28(5):13-17.

[8]　CECS261∶2009　钢结构住宅设计规范[S].

FEMANALYSISONOUT-OF-PLANEMECHANICALPERFORMANCEOFLIGHTSTEELKEELINTERIORWALLWITHNEWTYPECONNECTION

ZhangHaixia　LiGuochang　YangPing

(SchoolofCivilEngineering，ShenyangJianzhuUniversity，Shenyang110168,China)

ABSTRACT：Inordertomeettherequirementsofmechanicalandphysicalperformanceaswellasreflectingtheprefapicatedcharacteristicsoftheconnection,new-typeconnectionstructuresbetweenlightsteelkeelinteriorwallandsteelframebeamandfloorweredesignedinthispaper.Theout-of-planemechanicalperformanceoflightsteelkeelinteriorwallwiththenewtypeconnectionstructureswassimulatedbyusingthefiniteelementsoftware.Thebearingcapacity,deformationandstresschangeswereanalyzed.TheresultsshowedthatthebearingcapacityofthenewconnectioncouldmeettheprovisionofCodeforDesignofSteelStructureResidentialBuilding(CECS261∶2009).Thenewconnectionscouldaccordwiththelimitvalueofelasticinterlayerdisplacementofframestructureunderfrequentearthquake,aswellaselastoplasticinterlayerdisplacementunderrareearthquake.

KEYWORDS：lightsteelkeelinteriorwall;U-shapedconnection;bottomconnection;theout-of-planemechanicalperformance;FEManalysis

DOI:10.13206/j.gjg201602010

收稿日期：2015-10-27

*“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAJ13B05)。

第一作者：张海霞，女，1976年出生，博士，副教授。

Email:iriszhx@163.com