半内嵌式带肋外墙板抗风有限元分析

周得，贺生云

（宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021）

0 引言

随着绿色、低碳、节能环保及可持续发展理念的推广，装配式建筑迎来了迅速的发展。与传统建筑相比较，装配式建筑具有施工周期短、现场湿作业少、节约建筑材料、绿色环保、节能等优点，是目前国家大力推广的一种建造方式[1]。外墙板作为装配式建筑的主要围护结构，是绿色节能建筑材料应用的主要领域，其装配化程度决定了建筑整体的装配率，有关装配式外墙板的研究已经成为热点。虽然我国建筑工业化发展起步晚，但在国家的大力推广下发展迅速，国内已有许多学者对装配式建筑外墙板做了大量的研究[2-10]，但对于装配式外墙板的抗风及抗弯性能的研究相对较少。

本文提出一种半内嵌式带肋轻质外墙板，并利用ABAQUS有限元软件建立模型，分析其在风荷载作用下的承载能力。为半内嵌式墙板在装配式建筑中的设计及应用提供参考。

1 半内嵌式带肋墙板设计

半内嵌式带肋外墙板的外形如图1所示，墙板由轻骨料混凝土外页板及其包裹的轻钢龙骨肋梁组成，肋梁之间填充保温层。半内嵌式LSP 墙板设计尺寸为2850 mm×3350 mm×180 mm，外页板为60 mm 厚的轻骨料混凝土板，左右两边各延伸出200 mm，下端延伸出300 mm，板内设置φ6@150 的钢筋网片，通过专用连接件固定在轻钢龙骨上。上下肋梁宽分别为300 mm 和200 mm，内嵌U 形龙骨；竖向肋梁宽度均为150 mm，除边肋内嵌双C 形龙骨外，中间肋则都是单C 形龙骨，龙骨尺寸分别为U130×70 和C130×50×20×2，墙板与梁进行柔性连接。

图1 内嵌式带肋墙板

2 荷载计算

作为围护结构的预制外墙板受力相对复杂，除受地震荷载和风荷载作用外，在脱模和安装过程中还受吊装荷载。根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中全国典型城市基本风压表中的数据，除个别城市外大部分城市基本风压为0.55 kN/m2，银川市的基本风压为0.65 kN/m2，因此取基本风压为0.65 kN/m2进行分析。风荷载标准值计算如式（1）所示。

式中：βgz——高度z 处的阵风系数；

μsl——风荷载局部体型系数；

μz——风压高度变化系数；

ω0——基本风压，kN/m2。

风压高度变化系数根据地面粗糙度分为A、B、C、D 四类，B 类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇；C类指有密集建筑群的城市市区，银川市属于C 类，但考虑到房屋比较稀疏的郊区以及周边乡镇，本文按B 类计算。对于外围护墙板，依据规范其风荷载局部体型系数外墙板面取1.4，内墙板面取0.2，风荷载标准值及设计值见表1。

表1 风荷载标准值及设计值

3 有限元分析

3.1 模型建立及单元选取

利用有限元软件ABAQUS 建立模型，模拟墙板尺寸为2850 mm×3350 mm×180 mm，框架为方钢管柱和H 型钢梁，柱截面尺寸300 mm×300 mm×16 mm；梁截面尺寸H300×250×8×10；框架梁、柱及墙板采用8 节点等参减缩积分单元C3D8R，钢筋采用T3D2 桁架单元，轻钢龙骨采用S4R 壳单元，模型网格划分如图2所示。

图2 半内嵌式带肋外墙板网格划分

3.2 材料属性

框架柱和梁选用Q235B 级钢材，屈服强度fy=325 MPa，屈服应变为0.024，抗拉强度fu=375 MPa，极限应变为0.26，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，其应力-应变采用三折线模型；轻钢龙骨、钢筋的材料性能参数见表2。墙板采用的混凝土为轻骨料混凝土LC20，弹性模量为1.14×104MPa，密度为1678 kg/m3。轻骨料混凝土与普通混凝土力学性能相似，其本构关系与损伤力学模型相符合，轻骨料混凝土在受荷载作用时并非完全弹性状态，在内部应力达到屈服强度后材料处于弹塑性状态。在分析时轻骨料混凝土采用ABAQUS 中混凝土塑性损伤模型，并能够较好地模拟材料的特点，轻骨料混凝土的塑性损伤参数见表3。

表2 钢材材料的性能参数

表3 轻骨料混凝土的塑性损伤参数

3.3 相互作用和加载方式

框架梁与柱、梁与墙板之间采用Tie 连接模拟，墙板与柱之间接触定义为“表面与表面接触”，法向定义为“硬”接触，切向定义为“罚”；轻钢龙骨骨架和钢筋网内嵌到墙板中。在模型柱底端施加3 个方向的位移和转角约束，在顶端施加3 个方向的位移约束，墙板底端延伸出去的部分约束z 方向的位移。在墙板外侧面施加与板面垂直的均布荷载模拟风荷载，设置多个分析步逐级增加。

3.4 模拟结果分析

在正向风压作用下，整体模型随荷载变化的位移云图如图3所示。

图3 半内嵌式带肋外墙板位移云图

由图3 可知，在均布荷载作用下墙板中间区域的变形最大，向四周逐渐减小，墙板顶部中间处发生微小变形；通过对比整体框架墙板、轻钢龙骨骨架和钢筋网架的位移云图，墙板的最大位移发生在墙板的中间肋处，最大挠度为5.74 mm。根据CECS 261—2009《钢结构住宅设计规范》的要求，在风荷载作用下，墙板的挠度5.74 mm

半内嵌式带肋外墙板应力云图如图4所示。

图4 半内嵌式带肋外墙板应力云图

由图4 可知，应力分布主要集中在墙板中间部分和钢梁连接处，如图4（a）所示轻骨料混凝土板的整体应力较小，最大应力发生在与上部钢梁连接件处为3.93 MPa；根据图4（b）和（c），轻钢龙骨骨架与钢筋网的应力均未屈服，整体最大应力产生在轻钢龙骨骨架上，为106.1 MPa。

图5 为正、负风压作用下的荷载-挠度曲线。

由图5 可知，2种加载方式下荷载-位移曲线变化趋势基本一致，正向风压作用下，墙板受压区由面部钢筋混凝土承担，肋梁中的轻钢龙骨承担拉应力。负向风压作用下正好相反，受压区面积较小，仅由肋梁承担，容易压坏，在100 m 高度以下风荷载作用下挠度均小于16.75 mm，符合规范要求。

图5 风压、风吸荷载-挠度曲线

4 参数化分析

通过对半内嵌式带肋外墙板建立有限元模型进行分析，研究轻钢龙骨厚度对墙板抗风性能的影响。选取厚度分别为1、2、3 mm 的轻钢龙骨建立分析模型。

通过对墙板模型进行分析，绘制出墙板在水平正、负风压荷载作用下的荷载-挠度关系曲线，见图6、图7。

图6 墙板风压荷载-挠度曲线

图7 墙板风吸荷载-挠度曲线

从图6、图7 可以看出，在2种方向风压作用下，墙板承载力与轻钢龙骨厚度成正比。随着轻钢龙骨厚度的增加，两向风压荷载作用的墙板承载力均有提高，但变化相对较小，承载力提高的不明显。相同龙骨厚度的墙板在正、负风压作用下承载力差异较大，风压作用下墙板的承载力远高于风吸荷载作用下墙板的承载力，其原因是两向风压作用下受压区面积不同所导致的。

5 结论

（1）通过ABAQUS 软件对半内嵌式带肋外墙板有限元分析的结果看，均能满足基本风压为0.65 kN/m2，C 类地区建筑高度为100 m 以下高度处的风荷载标准值和设计值，且承载力大于1.5 倍的自重。

（2）在正、负方向风荷载作用下，增加轻钢龙骨厚度能减小半内嵌式带肋外墙板的挠度，提高墙板的抗风承载力。

（3）由于两方向荷载作用下墙板受压区面积不同，风压作用下墙板的承载力远高于风吸荷载作用下墙板的承载力。

（4）通过对模拟墙板荷载-挠度曲线的分析，墙板挠度均,小于CECS 261—2009 规定的值，说明墙板能够满足100 m以下建筑高度对风荷载的要求。