1、第 53 卷 第 5 期2023 年 3 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.5Mar.2023 DOI:10.19701/j.jzjg.20201351国家自然科学基金-河南联合基金项目(U1804137),国家重点研发计划项目(2017YFC1501204),中国博士后科学基金项目(2020M672236)。第第一一作作者者:李可,博士,副教授,主要从事结构工程加固方面研究,Email:irwinlike 。通通信信作作者者:王新玲,博士,教授,主要从事结构工程方向的教学和研究工作,Email:wxlwzn 。轻钢龙骨防火外墙及其与钢框架连接的平面外受
2、力性能分析李 可1,王 琳1,汤万里2,王新玲1(1 郑州大学土木工程学院,郑州 450001;2 成都基准方中建筑设计有限公司郑州分公司,郑州 450003)摘要:针对轻钢龙骨防火外墙在 L 形角钢连接、异形角钢连接两种连接方式下的平面外受力性能进行了试验研究。然后采用有限元软件 ABAQUS 对试件进行模拟分析,模拟结果与试验结果吻合良好,验证了有限元模型的有效性。进而考虑竖向轻钢龙骨间距及布置方式、横向轻钢龙骨厚度、异形角钢连接件个数、L 形角钢与型钢梁连接自攻螺钉个数、L 形角钢厚度六个因素的影响,对轻钢龙骨防火外墙及其与钢框架连接的平面外受力性能进行有限元模拟分析。结果表明:增加异形
3、角钢连接件个数或 L 形角钢的自攻螺钉个数可提高墙体平面外极限承载力和刚度及连接件平面外刚度,且提高效果最为显著;减小龙骨间距能提高墙体平面外极限承载力及刚度;增加横向轻钢龙骨厚度能提高墙体平面外极限承载力和连接件平面外刚度;增加 L 形角钢厚度可明显提高墙体及连接件平面外刚度。关键词:轻钢龙骨;防火外墙;平面外受力性能;连接件;自攻螺钉 中图分类号:TU333 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)05-0127-09引用本文 李可,王琳,汤万里,等.轻钢龙骨防火外墙及其与钢框架连接的平面外受力性能分析J.建筑结构,2023,53(5):127-135.LI Ke,WANG
4、Lin,TANG Wanli,et al.Analysis on out-of-plane mechanical behaviors of lightweight steel keel fireproof exterior wall and its connection with steel frameJ.Building Structure,2023,53(5):127-135.Analysis on out-of-plane mechanical behaviors of lightweight steel keel fireproof exterior wall and its conn
5、ection with steel frame LI Ke1,WANG Lin1,TANG Wanli2,WANG Xinling1(1 School of Civil Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China;2 Chengdu JZFZ Architectural Design Co.,Ltd.,Zhengzhou Branch,Zhengzhou 450003,China)Abstract:The experimental study on the out-of-plane mechanical behaviors o
6、f lightweight steel keel fireproof exterior walls was carried out under the two connection modes of L-shaped angle iron connection and special-shaped angle iron connection.Then,the finite element software ABAQUS was used to simulate and analyze the specimens.The simulation results were in good agree
7、ment with experimental results,and the validity of the finite element model was verified.Furthermore,considering the influences of six factors including the spacing and arrangement of the vertical lightweight steel keels,thickness of transverse lightweight steel keel,the number of special-shaped ang
8、le iron joints,the number of self-tapping screws connecting the L-shaped angle iron and the steel beam,and the thickness of the L-shaped angle iron,the finite element simulation analyses of the out-of-plane mechanical behaviors of lightweight steel keel fireproof exterior wall and its connection wit
9、h the steel frame were carried out.The results show that increasing the number of special-shaped angle iron joints or the number of self-tapping screws of L-shaped angle iron can improve the out-of-plane bearing capacity and stiffness of the wall and the out-of-plane stiffness of the joint,and the e
10、ffect is the most significant.Reducing the keel spacing can improve the out-of-plane bearing capacity and stiffness of the wall.Increasing the thickness of transverse lightweight steel keel can improve the out-of-plane bearing capacity of the wall and the out-of-plane stiffness of the joint.Increasi
11、ng the L-shaped angle iron thickness can obviously improve the out-of-plane stiffness of the wall and joint.Keywords:lightweight steel keel;exterior wall;out-of-plane mechanical behavior;joint;self-tapping screw 建 筑 结 构2023 年0引言 轻钢龙骨装配式结构因其自重轻,抗震性能好,绿色环保等优点,成为当前装配式结构体系的主要结构形式之一1-2。轻钢龙骨墙体经过合理设计后,不仅能满
12、足承载力要求,且具有良好的保温隔热性能。而这些围护墙体欲与钢结构主体结构较好地协同工作,便要保证墙体自身及其与钢框架的连接满足抗风及抗震性能的要求,故国内外学者对轻钢龙骨墙体及其与钢框架的连接性能进行研究。董军等3对不同的轻钢龙骨外覆板材与龙骨连接性能进行试验研究,结果表明,试件承载力主要由自攻螺栓孔边板的承压强度控制。Sebastian等4对不同形式的 L 形角钢连接节点及螺栓连接节点进行试验研究,分析其破坏模式,发现在弯矩和剪力作用下,L 形连接节点的破坏主要是连接面的剥离引起的。哈尔滨工业大学魏光耀、耿悦、王玉银等5-7设计了采用燕尾钉和长螺杆连接的钢框架-轻钢龙骨墙连接节点,进行试验验
13、证和有限元分析,观察并分析了连接节点在模拟风压力或风吸力作用下的破坏模式及可靠性,发现采用长螺杆连接方式更可靠。杨萍等8-9设计了采用 U 形连接件、自攻螺钉、膨胀螺栓等将轻钢龙骨墙体与钢梁或者地面连接的新型连接方式,通过有限元分析,得出该种连接方式能够满足钢结构住宅设计规范(CECS 261:2009)10关于内墙的要求,且竖向龙骨先于 U 形连接件破坏。石敬斌等11对腹板开孔的轻钢龙骨在均布荷载作用下的抗弯性能进行试验和有限元分析,发现轻钢龙骨厚度是影响其抗弯承载力的主要因素。尽管国内许多专家学者对预制装配式轻钢龙骨体系进行了研究,但仍很有限,且墙板性能仍难以满足装配式结构的多样化需求,尤
14、其是防火需求。因此,本课题组研发了轻钢龙骨防火墙板,不仅具有上述轻钢龙骨围护结构的优点,而且防火性能好。为探明轻钢龙骨防火外墙的抗风性能,本文对轻钢龙骨防火外墙平面外受力性能进行试验研究和有限元模拟分析,为该新型墙体的推广应用提供理论基础和技术支持。1试验概况1.1 试件设计 轻钢龙骨防火墙板由冷弯薄壁型钢、酚醛防火板、氯氧镁石膏板组合而成,内部填充硅酸铝棉,其横截面示意图如图 1 所示。墙板竖向轻钢龙骨与上下两端横向轻钢龙骨之间用自攻螺钉铆接,酚醛防火板与轻钢龙骨及氯氧镁石膏板之间通过结构密封胶粘接。墙板宽度为 1 200mm,长度为 3 110mm。如图 1 所示,墙板中 C 形轻钢龙骨(
15、即冷弯薄壁型钢)尺寸为 hbct=89mm41mm8mm0.8mm(h、b、c、t 分别为钢骨的截面高度、翼缘宽度、卷边宽度、卷边厚度),C 形轻钢龙骨腹板间距 d 为240mm,酚醛防火板厚度均为 4mm。为研究不同连接方式下墙体的平面外受力性能,设计不同连接方式的两块墙板试件 QB1、QB2:试件 QB1 为 L 形角钢连接,试件 QB2 为异形角钢连接,每块墙板上下端与外框架箱形钢梁(钢梁截面为 15015088)间用 L 形或异形角钢连接件通过自攻螺钉连接,其各自尺寸、自攻螺钉位置及连接示意图如图 2、3 所示,试件设计参数如表 1 所示。其中钢梁材质为 Q235普通碳素钢,角钢材质均
16、为 Q345 普通碳素钢。由材性试验测得的试验材料的材性如表 2 所示。图 1 墙板尺寸图图 2 L 形角钢示意图821第 53 卷 第 5 期 李 可,等.轻钢龙骨防火外墙及其与钢框架连接的平面外受力性能分析图 3 异形角钢示意图表 1 试件设计参数试件编号墙板尺寸/mm连接件类型QB13 1101 200107L 形角钢QB23 1101 200107异形角钢表 2 材料参数钢材弹性模量 E/MPa屈服强度/MPa泊松比Q235210 0002350.3Q345210 0003450.3冷弯薄壁型钢171 000293.70.31酚醛防火板34 500391.20.291.2 试验加载及应变片布置 本试验通过静力堆载模拟风吸力的方式,对单块墙板单元采用每袋 10kg 的碎石袋进行逐级均布堆载,每级堆载 15 袋并均匀铺开,防止碎石袋受力堆积起拱,每级荷载 0.402kN/m2,试件 QB1共有 8 级荷载(最大为 3.216kN/m2),试件 QB2 共有 10 级荷载(最大为 4.020kN/m2),加载装置如图 4 所示。图 4 试件加载示意图在墙板跨中位置、墙板两端、L 形角
