某新型钢丝骨架复合保温墙板的力学性能分析
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【摘要】钢结构建筑是建筑产業化发展的必然趋势，随着钢结构建筑的快速发展，开发新型节能墙板来代替传统墙体符合当前社会发展的趋势。本文利用ANSYS有限元软件对某新型墙板进行有限元分析，结果表明该新型墙板具有良好的力学性能，能够满足实际工程受力要求。
【中图分类号】TU502+.6 【文献标志码】A 【文章编号】1003-1324（2012）-03-0084-03
1.前言
从建筑的发展方向和国外的发展状况来看，钢结构建筑是建筑产業化发展的必然趋势，它将带动我国建筑产業的发展，使我国建筑逐步达到标准化、工業化和现代化。随着钢结构建筑的快速发展，开发新型节能外维护墙板及内墙板来代替传统墙体符合当前社会发展的趋势。
近年来国内外相继开发出一系列不同类型的新型墙体材料，如非粘土砖系列、新型建筑砌块、新式复合墙板等。在众多新型建筑墙体材料中，复合板材体系以其优异的工作性能、低廉的造价成为发展最为迅速的一种新型建筑材料。虽然国内外已开发出多种复合墙板，但都存在各种各样的问题，如国内现阶段使用的钢丝网架聚苯乙烯板抹水泥砂浆，由于仅依靠墙体内的外伸钢筋挑着保温板外的水泥砂浆抹灰保护层的重量，易发生钢筋变形抹灰层下坠，使水泥砂浆抹灰层开裂，导致雨水进入保温层，加速了苯板的光老化和氧老化，使保温层破坏；因苯板内有斜插钢丝（每平方米200根斜插钢丝），以及在苯板与墙体之间有间距600mm的外伸钢筋中6固定苯板，大大降低保温效果。另一种常用的外粘苯板保温效果是当前所有保温技术中最好的，但仍存在诸多问题，如防火性能差；高层建筑保温层的抗风压特别是抵抗负风压不安全；用于外粘苯板的胶和塑料胀钉是高分子材料，随着时间的推移将老化变脆，因而耐久年限有限；施工质量的控制难度大等缺点。
2.新型钢丝骨架轻质复合墙板的基本构造
山东建筑大学与山东深科保温板墙开发有限公司参照现行规范标准开发出一种新型的钢丝骨架轻质复合墙板这一新型墙板。该墙板是在工厂制作的一种三维空间钢丝骨架夹芯板。该板一般构造表现为用内外两层细石混凝土板与钢丝骨架连接成一个整体，然后在两片混凝土板之间填充聚氨酯保温材料。其中钢丝骨架是由双向正交正放的单片桁架组成的一空间网架结构。两片混凝土层均为工厂预制，外墙板的内、外侧混凝土板的厚度分别为20mm和1330mm，混凝土标号为C40。其构造图如图1所示。
外墙板与框架结构的连接采用下托上挂式，即在框架梁和柱上预埋钢板并焊接外挑的槽钢，并将位于槽钢处的骨架钢筋与槽钢焊接。其中框架梁上的预埋件间距为750mm，框架柱上的预埋件间距为750mm。
为保证墙板生产的标准化和方便墙板的选用，我们对这种新型墙板进行了力学性能分析。外墙面板平面尺寸的板高取3种规格计算，分别为3000mm，3600mmd及4200mm，其板宽也取3种规格计算，分别为3300mm，4200mm及6600mm，即共计算了9种尺寸规格。由于建筑物外墙大部分带有窗户，本文根据工程中的实际情况和墙板的构造，经过反复验算，规定了各种规格墙板中窗户的最大开口尺寸和窗户边缘到墙板边缘的最小尺寸，并规定了窗框固定点的最少个数。经试算，在墙板上开设窗户将在很大程度上破坏墙板的力学性能，在墙板的实际生产过程中为保证产品综合成本最低，规定每种规格的墙板不论是否带有窗户都采用相同的结构形式，所以本文仅对设有窗户的各规格外墙板进行了计算分析。考虑到墙板实际的受力状况和受力特点，本文重点研究了墙板承受《建筑结构荷载规范》规定的最大设计风荷载和承受1.3倍的最大设计风荷载（见表1）两种情况下墙板的力学性能。由于该钢丝骨架轻质复合墙板结构受力复杂，用传统的解析方法已无法得到较精确的解，本文直接选用ANSYS分析软件来模拟墙板的实际受力状况进行计算分析。
3.钢丝骨架轻质复合墙板的有限元分析
3.1有限元模型的建立
对于该钢丝骨架轻质复合墙板的有限元模型采用分离式+整体式。在建模时假定钢筋与混凝土之间粘结良好，两者无相对滑移。且在墙板的受力性能进行分析时，不考虑中间发泡聚氨酯的作用。钢丝骨架采用PIPE20杆单元划分网格，木柱采用BEAMl88梁单元划分网格，与混凝土单元SOLID65在节点处合并。混凝土中的细钢丝通过在混凝土单元SOLID65中输入配筋率来考虑。支撑模拟实际情况，在模型中约束周边支承槽钢处的主筋端节点的3个移动自由度，以及下表面槽钢范围内节点的竖向移动自用度。
3.2计算结果及分析
针对9上述种板型以及每种板型各自对应的两种风荷载工况进行了有限元计算分析。根据对各种计算组合情况下的整体变形，混凝土开裂状况，各组成构件的应力水平，约束反力进行分析比较（见表2、3、4、5、6），从而对该外墙板的综合力学性能进行分析和评价。
（1）变形结果及分析
由表2数据可以看出，各种板型的最小矢跨比为1/5776，最大矢跨比为1/2006，说明该板的刚度较大，变形很小，可充分满足正常使用要求。对照表1和表2的数据可以看出，每种板型所对应的两种工况的位移之比基本等于相应的风荷载之比，说明每种板型的变形与风载基本呈线性变化，即每种板型的整体刚度基本未发生变化。可知在这两种荷载工况下墙板大部分处于线性状态，墙板中的混凝土大部分应未开裂，钢筋应力应较小。说明墙板均具有较大的安全储备。
（2）混凝土开裂和主应力结果及分析
计算结果显示，混凝土开裂区域集中在周边槽钢支承部位的小范围内，且仅为第1主应力造成的拉裂，而且支座区的局部开裂位于外层板中。这是由于支座区存在集中支反力，局部区域内存在应力集中现象。因此开裂区存在于支座区。又由于在支座处存在负弯矩，此时支座处的墙板外层受拉内层受压，因此仅在外层出现开裂。
查看内层板的第1主应力S1的彩色云图可以看出，板中混凝土的应力值均较低，仅在支承处和4个窗角局部区域应力值较高。查看外层板的第3主应力s3的彩色云图可以看出，此时板中压应力分布较均匀，但在4个窗角处和局部边角处的应力值较大。
表3中所有混凝土最大拉应力s1的数值均大于混凝土的抗拉强度值，即1.71N/mm2，故各种板型在两种工况下均存在不同程度的局部拉裂现象。表4中所有混凝土最大压应力S3的数值均小于混凝土的抗压强度值，即19.1N/mm2，故各种板型在两种工况下均不会出现混凝土压碎现象。对照表3、表4和表1数据可以看出，对于板宽小于4200mm的6种板型，其每种板型在两种工况下的混凝土最大拉应力S1之比基本等于相应的风荷载之比；最大压应力S3之比也基本等于相应的风荷载之比。说明混凝土的局部开裂基本上没有影响混凝土的承载能力，此时板的刚度基本没有退化现象。
而对于板宽为6600mm的3种板型，其每种板型在两种工况下的混凝土最大拉应力S1之比小于相应的风荷载之比；混凝土最大压应力S3之比小于相应的风荷载之比，说明此时混凝土的局部开裂相对较严重，降低了混凝土的承载能力，板的刚度退化明显。
（3）骨架钢筋应力结果及分析
表5中各种板型及所对应的两种风载工况下的骨架钢筋最大VonMiss应力。计算结果显示，骨架钢筋应力呈双向分布，而且支承周围应力水平较高。特别是对于4.2m×6.6m的板，其支座处应力最高已达313.466N/mm2，接近钢丝的强度设计值320N/mm2，建议加强。
（4）木柱应力结果及分析
表6中的各种板型及所对应的在两种风载工况下的木柱的最大VonMiss应力的数值均远小于木柱的材料的抗压强度34.8N/mm2。
4.结束语
通过以上论述可看出，钢丝骨架轻质复合墙板具有良好的力学受力性能，各种板型的墙板均能承受该墙板设定使用范围内的风荷载。墙板在规定风荷载作用下的挠度非常小，满足正常使用极限状态的要求。
相信随着钢结构建筑的快速发展，该墙板应具有广阔的发展前景。