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2021 年?月 第 37 卷第?期 沈阳建筑大学学报(自然科学版) Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science) 文章编号: 2095-1922(2021)00-0000-00 月份. 2021 Vol.37, No.? doi:10.11717/j.issn:2095-1922.2021.00.00 冷弯薄壁型钢轻混凝土组合墙体抗弯性能 有限元分析(2 号黑体) (——如有附标题，则为三号宋体) 李国华 1,王 权 1,董 军 1,狄彦强 2 (4 号仿宋) (1.北京建筑大学工程结构与新材料北京市高等学校工程研究中心,北京 100044; 2.中国建筑技术集团有限公司,北京 100013) (小五号宋体) 摘 要：目的(5 号黑体) 研究冷弯薄壁型钢轻混凝土组合墙体抗弯性能,为该类墙体 的设计和工程应用提供参考。方法 应用有限元软件 ABAQUS 建立精细化组合墙 体模型,在数值模拟与试验结果吻合的基础上,分析钢材屈服强度、竖肋数量、横肋 数量、轻质混凝土强度、螺钉间距等参数对冷弯薄壁型钢轻混凝土组合墙体抗弯性 能的影响。结果 随着钢材屈服强度、轻质混凝土强度的提高,竖肋数量的增加,冷弯 薄壁型钢轻混凝土组合墙体抗弯承载力明显增加;墙体的变形随着横肋数量的增多 而减小。当螺钉间距在 300 mm 以下时,减小螺钉间距对提高组合墙体抗弯承载力影 响不大,但墙体的变形随着螺钉间距的增大而增大;当螺钉间距大于 300 mm 时,减小 螺钉间距可明显提高墙体的抗弯承载力。结论 提高冷弯薄壁型钢的屈服强度和轻 质混凝土强度、适当增加竖肋数量与减小螺钉间距能显著提高冷弯薄壁型钢轻混凝 土组合墙体的抗弯性能。(5 号楷体) 关键词：冷弯薄壁型钢;轻质混凝土;组合墙体;抗弯性能;有限元(5 号宋体) 中图分类号：TU398.1 文献标志码：A (5 号黑体) Finite Element Analysis on Flexural Behavior of Cold-formed Thin-wall Steel Framing Walls Infilled with Lightweight Concrete (小2号新罗马体加粗) LI Guohua1,WANG Quan1,DONG Jun1,DI Yanqiang2（4 号新罗马体） (1.Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Structural Engineering and New Materials,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing,China,100044;2.China Building Technique Group Co.Ltd.,Beijing,China,100013) (小 5 号新罗马体) Abstract ： In order to provide references for the design and engineering application of cold-formed thin-wall steel framing walls infilled with lightweight concrete,the flexural behavior 收稿日期（小五黑）：2020-07-03（小五宋） 基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFC0702900） 作者简介：李国华（1974—），女，博士，主要从事组合结构、钢结构的抗震防灾等方面研究。 2 沈阳建筑大学学报(自然科学版) 第 34 卷 of the type of wall was studied.The finite element software ABAQUS was used to establish the refined model.On the basis of the anastomosis between the numerical simulation and the experimental results,the influence of parameters on the flexural behavior of cold-formed thin-walled steel framing walls infilled with lightweight concrete was analyzed,such as the steel yield strength,the number of vertical ribs,the number of transverse ribs,the strength of lightweight concrete and the spacing of screws.With the increase of the steel yield strength,lightweight concrete strength,the number of vertical ribs,the flexural capacity of cold-formed thin-wall steel framing walls infilled with lightweight concrete increases obviously.The deformation of the wall decreases as the number of transverse ribs increases.When the screw spacing is below 300 mm,reducing the screw spacing has little effect on improving the flexural capacity of the composite wall,but the deformation of the wall increases with the increase of the screw spacing.When the screw spacing is greater than 300mm,decreasing the screw spacing can improve the flexural capacity of the wall obviously.The results show that changing parameters can improve the flexural behavior of cold-formed thin-wall steel framing walls infilled with lightweight concrete obviously,such as increasing the yield strength of cold-formed thin-wall steel,the strength of lightweight concrete,the number of vertical ribs and reducing the screw spacing appropriately. (小5号新罗马体) Key words ： cold-formed thin-wall steel;lightweight concrete;composite walls;flexural behavior;finite element method (正文 5 号宋体)冷弯薄壁型钢结构住宅 析了不同墙面板材料、不同钢种、不同墙架 体系在澳大利亚、北美、日本等发达国家及 柱间距、不同螺钉间距等参数对组合墙体抗 地区已经得到了广泛的应用,是住宅建筑的 剪承载力的影响,提出了墙体在往复荷载下 一种重要形式。近年来,由于冷弯薄壁型钢结 的骨架曲线。刘斌等[17-18]基于 ANSYS 有限 构在结构体系、绿色装配式施工以及经济效 元软件,研究了喷涂式轻质砂浆—冷弯薄壁 益上的优势,逐渐在国内得到推广和应用。近 型钢组合墙体的建模过程,并将计算结果与 几年我国相继颁发了部分规范、规程[1-2]对 试验数据进行了对比,分析了墙体高宽比、钢 该结构体系的设计与施工做了相关的规范 材的屈服强度、立柱壁厚及立柱间距等参数 标准要求。 对组合墙体抗剪性能的影响。 冷弯薄壁型钢轻混凝土组合墙体是冷 近年来,国内外对于冷弯薄壁型钢组合 弯薄壁型钢结构住宅体系的重要构件之一, 墙体进行的试验以及理论研究主要集中在 典型的冷弯薄壁型钢结构组合墙体由 C 形 轴压、抗剪性能方面[19-22],而对于抗弯性能的 (卷边槽形截面墙架柱)和 U 形(普通槽形截面 研究较少。基于此,本课题组对冷弯薄壁型钢 顶梁和底梁)冷弯薄壁型钢构件、石膏板、 内填轻质混凝土组合墙体进行了抗弯性能 定向刨花板(OSB 板)经自攻螺钉连接而成,这 试验研究与有限元分析。三榀 1 200 mm× 类结构体系房屋施工快速,易于实现建筑工 3 000 mm 冷弯薄壁型钢轻混凝土组合墙体 业化[3-4]。目前国外学者通过对冷弯薄壁型 的足尺抗弯试验在北京建筑大学实验室进 钢轻混凝土组合墙体进行了试验研究和理 行。选取其中的冷弯薄壁型钢龙骨+纤维水 论分析,明确了墙板的立柱间距、构造方式、 泥板+聚苯颗粒轻质混凝土组合墙体进行有 螺钉间距、墙体高宽比等因素对组合墙体受 限元分析,并与试验结果进行比对分析。在验 剪性能的影响 [5-13] 。李元齐等 [14] 、石宇等 [15]、 证有限元模型合理的基础上,对组合墙体进 周天齐等 [16] 进行了冷弯薄壁型钢结构组合 行系统性的参数分析,以此来研究钢材屈服 墙体抗剪承载力试验,并且采用有限元法分 强度、竖肋数量、横肋数量、轻质混凝土强 3 第 34 卷 沈阳建筑大学学报(自然科学版) 度等因素对组合墙体抗弯承载力的影响。 1 有限元分析(一级标题,4 号宋体) 1.1 中竖肋、横肋腹板中间冲孔, 方形孔边长为 80 mm, 轻质混凝土采用聚苯颗粒轻质混凝 试件选取(二级标题,5 号黑体) 土。纤维水泥板通过 ST4.8 六角法兰面自钻 冷弯薄壁型钢龙骨参数见表 1。试验中 自攻螺钉与轻钢龙骨连接。 墙体参数及构造见图 1。冷弯薄壁型钢龙骨 表1 试件参数(小 5 号宋体) Table 1 Specimen parameters 名称(6 号宋体) 高×宽×厚/mm 卷边宽/mm 数量/个 长/mm 竖向 U 型薄壁型钢 152×75×1.0 — 2 1 200 竖向 U 型薄壁型钢 150×75×1.0 — 1 3 000 横向 U 型薄壁型钢(冲孔) 120×50×1.0 — 9 345/395/400 竖向 C 型薄壁型钢(冲孔) 150×50×1.0 10 2 3 000 竖向 C 型薄壁型钢 150×90×1.0 10 1 3 000 板为理想弹塑性体。聚苯颗粒轻质混凝土采 用文献[23]中的本构关系模型,假定为各向 同性材料。采用三维实体单元(C3D8R)模拟 聚苯颗粒轻质混凝土填料;采用壳单元(S4R) 模拟冷弯薄壁型钢龙骨和纤维水泥板;连接 件(六角法兰面自钻自攻螺钉)采用 Tie 绑定 的方法处理,使纤维水泥板与轻钢龙骨连接 在一起。根据试验装置的约束及荷载条件,墙 体一端为固定铰支座,约束支座处所有的平 动自由度;一端为滚轴支座,约束除沿着墙体 长度方向之外的所有平动自由度,在墙体上 侧施加均布荷载。 图1 Fig.1 墙体试件参数及构造(小 5 号宋体) Parameters and construction of wall specimen 1.3 有限元分析模型的验证(5 号黑体) 1.3.1 破坏模式对比(三级标题,5 号宋体) 冷 弯 薄 壁 型 钢 弹 性 模 量 为 2.06 × 试验过程中,冷弯薄壁型钢轻混凝土组 105MPa,屈服强度为 235 MPa,泊松比为 0.3。 合墙体在均布荷载作用下,当横向荷载达到 纤维水泥板长宽厚为 3 000 mm×1 200 mm 45.08 kN 时,底部面板在跨中位置出现贯通 ×10 mm,弹性模量为 5.0×103MPa,泊松比 裂缝,跨中自攻螺栓部分的纤维水泥板局部 为 0.2。聚苯颗粒轻质混凝土表观密度为 930 破坏,上部纤维水泥板被压溃,试件发生破坏。 kg/m3,按照标准方法制作、养护,留取 3 个边 有限元分析结果显示,当荷载为 46 kN 时,下 长为 100 mm 的立方体试块,试验测得立方 侧纤维水泥板跨中及自攻螺钉处应力达到 体试块的抗压强度平均值为 4.2 MPa。 4.26 MPa,纤维水泥板破坏。聚苯颗粒轻质混 1.2 有限元分析模型建立(5 号黑体) 凝土上部跨中应力达到 4.2 MPa,达到抗压强 采用有限元软件 ABAQUS 对横向均布 度,表明上部轻质混凝土已经被压坏,轻钢龙 荷载作用下的试件进行模拟分析。为减少计 骨跨中出现局部屈曲现象。有限元分析得到 算分析时间,假设冷弯薄壁型钢和纤维水泥 的破坏模式与试验现象吻合较好(见图 2、 4 沈阳建筑大学学报(自然科学版) 第 34 卷 图 3)。 图2 纤维水泥板破坏模式(小 5 号宋体) Fig.2 Failure mode of cement fiberboard 图3 Fig.3 冷弯薄壁型钢龙骨破坏模式(小 5 号宋体) Failure mode of cold-formed thin-wall steel keel 1.3.2 荷载-位移曲线对比 限元分析所得位移结果误差也均在 10% 以 将试验所得跨中、1/4 位置处的荷载-位 内。从图 5 及表 2 中可以得出,有限元分析结 移曲线与有限元分析曲线进行对比, 结果见 果与试验结果吻合较好。通过墙体试件的破 图 4。试验和有限元模拟对比结果见表 2。 由 坏模式、荷载- 位移曲线的对比分析可以验 表中数据可知, 有限元分析所得的极限荷载 证有限元模型合理。 与试验所得结果误差均在 5%以内,试验与有 图4 Fig.4 试件荷载-位移曲线对比 Comparison of load-deflection curves of specimens 2021 年?月 第 37 卷第?期 月份. 2021 Vol.37, No.? 沈阳建筑大学学报(自然科学版) Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science) 表2 极限状态下试验与有限元对比结果 Table 2 Comparison of test and FEM results in limit state 极限荷载/kN 测点位置 有限元 试验 跨中 46.8 45.08 1/4 处 46.8 45.08 荷载误差/% 极限荷载下位移/mm 位移误差/% 有限元 试验 4 590.3 566.4 4 4 579.7 546.1 6 2 组合墙体参数分析(4 号宋体) 墙体抗弯承载力由冷弯薄壁型钢龙骨、聚苯 2.1 担,当冷弯薄壁型钢的屈服强度提高时,墙体 钢材屈服强度对墙体抗弯承载力的影 响(5 号黑体) 颗粒轻质混凝土和两侧纤维水泥板共同承 的抗弯承载力也随之增加。 笔者考虑冷弯薄壁型钢的不同钢材屈 2.2 竖肋数量对墙体抗弯承载力的影响 服强度对墙体抗弯承载力的影响,分别选取 有限元参数分析中,改变组合墙体中薄 钢材的屈服强度为 235 MPa、345 MPa 和 400 壁型钢竖肋的数量,考察其对墙体抗弯性能 MPa, 得到 3 类不同钢材屈服强度条件下墙 的影响,分别考虑无中间竖肋、中间设置单竖 体的荷载-位移曲线(见图 5)。从图中可看出, 肋和双竖肋三种情况。有限元模型如图 6 所 冷弯薄壁型钢的屈服强度对墙体抗弯性能 示,荷载-位移曲线见图 7,计算结果见表 3。 的影响比较明显,承载力和刚度都发生了明 从图表中可知,随着竖肋数量的减小,其抗弯 显改变。3 种屈服强度下,墙体的抗弯承载力 承载力降低。双竖肋墙体的抗弯承载力比单 分别为 46.8 kN、51.12 kN、54 kN,采用屈服 竖肋墙体提高了 306%,单竖肋墙体的抗弯承 强度为 345 MPa 和 400 MPa 钢材的组合墙体 载力比无竖肋墙体提高了 113%。 最大承载力与屈服强度为 235 MPa 的组合 竖向冷弯薄壁型钢提供了一部分墙体 墙体相比,分别提高了约 9.2%和 15.4%。墙 抗弯承载力,随着竖肋数量的增加,有更多的 体 的 抗 弯 刚 度 分 别 为 79.3 N/mm 、 96.7 竖肋参与到墙体抗弯过程。同时竖肋的增加 N/mm 、152.8 N/mm, 采用屈服强度为 345 加强了冷弯薄壁型钢与聚苯颗粒轻质混凝 MPa 和 400 MPa 钢材的组合墙体抗弯刚度 土之间的整体性,因此其承载力显著增加。无 与屈服强度为 235 MPa 的组合墙体相比,分 竖肋时,冷弯薄壁型钢龙骨与聚苯颗粒轻质 别提高了约 21.9%和 92.7%。 混凝土的整体性较差,墙体抗弯承载力大部 分由聚苯颗粒轻质混凝土与两侧纤维水泥 板承担,由于聚苯颗粒轻质混凝土与纤维水 泥板为脆性材料,因此墙体的抗弯呈现明显 的脆性破坏,且承载力较低。当中间增设单竖 肋时,冷弯薄壁型钢龙骨与聚苯颗粒轻质混 凝土整体性较差,因此承载力虽有提高但延性 较差。当中间增设双竖肋时,冷弯薄壁型钢龙 骨能与聚苯颗粒轻质混凝土达到协同工作的 图5 不同钢材屈服强度下荷载-位移曲线 状态,因此其抗弯强度与延性都较好。由此可 Fig.5 Load-deflection curves under different 得,竖肋数量的改变对组合墙体抗弯承载力 steel yield strength 研究表明, 冷弯薄壁型钢轻混凝土组合 影响较大,并且随竖肋数量的增加而变大。 2021 年?月 第 37 卷第?期 沈阳建筑大学学报(自然科学版) Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science) 图6 Fig. 6 月份. 2021 Vol.37, No.? 有限元模型 Finite element models 结果见表 4。由图表可知,中间设置单横肋、 双横肋和三横肋三种情况墙体的抗弯承载 力随着横肋数量的增加而增加, 分别为 41.9 kN、43.5 kN、46.8 kN,然而单横肋墙体极限 荷载下的跨中位移远远大于其他两类墙体, 三横肋墙体的跨中位移比双横肋墙体的跨 中位移降低了 7%。双横肋和三横肋墙体的 荷载-位移曲线大致吻合。 横肋数量的增加加强了冷弯薄壁型钢 骨架与聚苯颗粒轻质混凝土之间的整体性, 图7 Fig. 7 不同竖肋数量下荷载-位移曲线 从而使得组合墙体能更好地协同工作,因此 Load-deflection curves under different 抗弯承载力会增加,延性减小。 2.4 amount of vertical ribs 表3 Table 3 不同竖肋数量墙体有限元分析结果 The FEM results of composite walls with different amount of vertical ribs 2.3 轻质混凝土强度等级对墙体抗弯承载 力的影响 通过调整冷弯薄壁型钢轻混凝土组合 墙体中聚苯颗粒轻质混凝土强度等级,考察 试件 竖肋数量/个 极限荷载/kN 不同轻质混凝土强度等级对墙体抗弯承载 无竖肋 0 5.4 力的影响。分别考虑轻质混凝土强度等级为 单竖肋 1 11.52 LWC3、LWC5、LWC7.5 三种情况,计算分 双竖肋 2 46.8 析结果见表 5,各试件荷载-位移曲线见图 10。 横肋数量对墙体抗弯承载力的影响 分析图表可知, 轻质混凝土强度等级为 改变组合墙体中冷弯薄壁型钢横肋的 LWC3 时的墙体抗弯承载力比轻质混凝土 数量,考察其对墙体抗弯性能的影响,分别考 强度等级为 LWC5 时的抗弯承载力降低 虑中间设置单横肋、双横肋和三横肋三种情 16.0%;轻质混凝土强度等级为 LWC7.5 时的 况。中间设置单横肋和双横肋的有限元模型 墙体抗弯承载力比轻质混凝土强度等级为 如图 8 所示,荷载-位移曲线见图 9,计算分析 LWC5 时的抗弯承载力提高 15.4%。 2021 年?月 第 37 卷第?期 月份. 2021 Vol.37, No.? 沈阳建筑大学学报(自然科学版) Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science) 图8 Fig. 8 有限元模型 Finite element models 表5 不同轻质混凝土强度等级墙体有限元分析结果 Table 5 The FEM results of composite walls with different lightweight concrete strength grades 试件 冷弯薄壁型钢轻 混凝土组合墙体 图9 Fig. 9 混凝土强度等级 极限荷载/kN LWC3 39.3 LWC5 46.8 LWC7.5 54.0 不同横肋数量下荷载-位移曲线 Load-deflection curves under different amount of transverse ribs 表4 Table 4 不同横肋数量墙体有限元分析结果 The FEM results of composite walls with different amount of transverse ribs 试件 横肋数 量/个 极限荷 载/kN 极限荷载下 位移/mm 单横肋 1 41.9 1 159.7 双横肋 2 43.5 590.3 三横肋 3 46.8 547.4 聚苯颗粒轻质混凝土是墙体抗弯承载 力的主要部件,当轻质混凝土强度增加时,墙 体的抗弯强度会有明显增加。由此可见,轻质 混凝土强度等级的改变对墙体的抗弯承载 力影响明显,并且墙体的抗弯承载力随轻质 混凝土强度等级提高而提高。 图 10 不同混凝土强度等级下荷载-位移曲线 Fig. 10 Load-deflection curves of different concrete strength grades 2.5 螺钉间距对墙体抗弯承载力的影响 通过调整冷弯薄壁型钢轻混凝土组合 墙体的自攻螺钉间距,分析螺钉间距对墙体 抗弯承载力的影响。分别考虑螺钉间距为 150 mm、200 mm、300 mm 和 400 mm。计 算分析结果见表 6,试件荷载-位移曲线见图 8 第 34 卷 沈阳建筑大学学报(自然科学版) 11。 螺钉间距为 150 mm、200 mm 及 300 mm 时,墙体的抗弯承载力分别为 46.8 kN、46.44 3 结 论(4 号宋体) (1)在对冷弯薄壁型钢轻混凝土组合墙 kN、45.72 kN,相差不大。然而螺钉间距为 体进行有限元分析时,通过与试验结果对比, 150 mm 时墙体极限荷载下的位移小于其他 表明笔者建立的有限元模型可以有效模拟 两类墙体,比螺钉间距为 200 mm 的墙体降 组合墙体的抗弯性能。 低了 16.0%,比螺钉间距为 300 mm 的墙体降 (2)通过分析可知,若想提高墙体的抗弯 低了 28.1%。当螺钉间距为 400 mm 时,墙体 承载力,可以采用屈服强度高的冷弯薄壁型 的抗弯承载力为 38.88 kN,分别比螺钉间距 钢、提高聚苯颗粒轻质混凝土强度等级。增 为 150 mm、200 mm、300 mm 三种情况低 加竖肋的数量可提高墙体的整体性,从而使 16.9%、16.3%、15.0%。 表6 Table 6 不同螺钉间距墙体有限元分析结果 The FEM results of composite walls with different screw spacing 螺钉间距 极限荷载 极限荷载下位 /mm /kN 移/mm 150 46.80 590.3 200 46.44 702.9 300 45.72 820.5 400 38.88 723.0 图 11 Fig. 11 不同螺钉间距下荷载-位移曲线 Load-deflection curves under different screw spacing 两侧纤维水泥板与冷弯薄壁型钢骨架 之间通过自攻螺钉连接,从而形成一个整体, 共同承担外荷载。当螺钉间距较小时,其整体 性不足,承载力小;当螺钉间距较为合理时,纤 维水泥板与冷弯薄壁型钢骨架协同工作性 能 较 好 , 抗 弯 承 载 力 大 。 当 间 距 超 过 300 mm 时,更多的螺钉对墙体整体性的作用不 大,因此其抗弯承载力不会明显提高。 得墙体的抗弯强度增加。对于墙高为 3 m 的 冷弯薄壁型钢轻混凝土组合墙体,双横肋足 够保证墙体的整体性。为了保证冷弯薄壁型 钢龙骨与纤维水泥板的协同性,建议设计时 螺钉间距控制在 150~300 mm。 参考文献(5 号黑体) [1] 中 南 建 筑 设 计 院 . 冷 弯 薄 壁 型 钢 结 构 技 术 规 范 :GB 50018—2002[S]. 北 京 : 中 国 计 划 出 版 社,2002.(小5号宋体) (Central-South Architectural Design Institute.Technical code for cold formed thin wall steel structure:GB 50018—2002[S].Beijing:China Planning Press,2002.) 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