钢网夹芯岩棉复合板力学性能分析和结构优化

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结构材料和保温材料合二为一是复合化墙体发展的必然趋势。钢网夹芯岩棉复合板以钢丝及斜丝组成的三维空间体系作为固定件和骨架起控制尺寸作用,使复合板达到整体稳定。本文运用理论计算和试验研究相结合的方法来研究该板的力学性能。
1力学性能分析
钢网夹芯岩棉复合板结构示意见图1。
由于该板在受力情况下两侧钢丝与抹面砂浆共同工作,与传统的钢筋混凝土一样可利用平截面变形假定进行分析。但首先假设受拉区砂浆开裂后全部拉力由钢丝负担,对承受横向荷载的板材可视为单向板。该板的抗弯试验结果表明:板在受横向荷载情况下的破坏是由受拉层钢丝是否达到屈服强度控制的,属于典型的“少筋梁”破坏。图2、图3分别为板材开裂前瞬间和破坏时瞬间的截面应力应变分布图。
受拉区砂浆开裂前瞬间弯矩M=Mcr时,受拉砂浆边缘应变s达到极限拉应变Enu,为方便起见,受拉区砂浆应力应变分布用矩形来代替,则03=ft、8u=0.0002。应用平截面假定及V=0和2W=0联立方程得到下式:
Mr=C(ho-Ye)+0,'As'(ho-a')+ftbr(0.5t-a)
式中C=fb(A(2Xnl'-12)-A2(xn2t'-xu,2+
1’3/3)]为受压区砂浆的合力,它可由其受压应力应变曲线积分经计算得到,而A=8u/o(h-Xn)。由于破坏时纵向受拉钢丝大都已达到屈服强度而纵向受压钢丝还远远未屈服,由W=0得到中和轴高度Xn,求解砂浆受压区合力离其边缘作用点的位置Yc,并代入2M=
0便得到砂浆破坏时瞬间的开裂弯矩Mu:
V=0:C+Q’As'=0sAs
2M=0:Mu=C(ho-Yc)+Q。'As'(ho-a')
抗弯试验和理论计算结果如表1所示。
受弯构件除作用有弯矩外,还同时有剪力作用,主应力轨迹线除在支座及荷载处受集中力局部影响外,当主拉应力Op>ft时,受剪跨段将出现垂直于某一主拉应力轨迹线的斜裂缝,而配置箍筋和弯筋(斜丝)是提高抗剪强度的有效方法。但一般情况下,只要配筋符合要求,抗弯强度是足够的。
而最薄弱的部位是斜丝。弯起钢筋的抗剪强度可按下式计算:
Vw=B×As#×fsu× sina式中Aw为与斜裂缝相交的配置在同一弯起平面内的弯起钢筋的总截面积;B是应力不均匀系数,一般取B=0.8;fw、a则分别为斜丝的计算强度和斜丝与板轴的夹角。分布筋h虽在一般情况下不受力,但它有抵抗温度变化或收缩引起的内部应力、分散集中荷载、固定受力筋且便于施工时涂抹砂浆和其它饰材、承担长边方向实际存在的一些弯矩作用。
以承受竖向荷载为主的该板属抗压或抗拉构件,依受力情况的不同可分为:轴向、单向偏心及双向偏心三种受力情况。轴向受力的构件主要由砂浆负担,但纵向钢丝可承受可能不大的弯矩且能防止突然脆性破坏。由于受拉情况与受压相似,故这里只分析受压受力情况的力学分析。据轴力平衡方程可得轴向受压构件的截面强度计算公式:
N≤Wu=d中fekMc+fk1As+fk2As')
式中p为纵向弯曲系数,与构件的长细比lo/b有关,如板材尺寸为2440mm×1220mm×110mm,其值经查表得:
④=0.255。则:
Nu= 23.5×(1220×60-2×122.72)+216×2×122.72
=1767.447 kNN≤W≤0.255×1767.447=450.7kN该板材轴向试验受压极限承载力平均值为445.5kN,两者基本相符。
其偏心受压计算公式为:
N=C+0%'As'-QAs Ne=C(ho-Y2)+Q'As'(ho-a')
其中e=i+0.5h-a且l=1+f/eo在长期荷载效应组合条件下,典型屋面板的挠度计算公式为:
f=5MKL2/48BL BL=MKB/[ML(0-1)+M,]
B.=EsAsho-/(9/Tn叶QEVE)
式中BL、Bs为长期、短期刚度,0是刚度降低系数,开裂截面内力臂系数几常取为0.87,=qxy(0.2+6a4)是压区砂浆平均应变综合系数,P为应力不均匀系数E[0.4,1.0]。
经过计算(计算数据见表2组类八即C4)可得到f=18.4
mm<F]=L/200=20mm。而上述屋面板的最大裂缝宽度为:(受弯时αr=2.1)
Wmat=r 9os(2.7c+0.11d/pet)/Es
=0.138mm<[w上0.3mm下面分析斜丝的作用。该板钢网空间结构是由斜丝(联系钢丝)与两侧网片凸焊而成的,由于焊接强度较高、焊点接触面积不大且外围与水泥砂浆固定,凸焊焊点可视为理想铰。单片桁架的受力分析见图4。
利用结构力学中的结点法计算各构件的内力。由于桁左右对称,只需计算左半平面的内力分布。计算程序为:
(1)计算初值:
FR1=-Y/sinaFL1=Xcsca-FR1
FUl=(FR1-FL1)csa FD1=-FRIcosa
(2)计算迭代式:(i=2~40)
FRi=-FL(i-1)FLi=Xcxa-FRiFUi=(FRi-FLi)csa-FU(i-1)
FDi= Fo(i-1)-[FL(i-1)-FAiJcosa计算结果为:Rmcar、QL.mar、QUmar和nmar分别为190、180、82、180MPa。这样可求出斜丝与纵向受力丝间凸焊在下限量为15%时的单点凸点强度应不小于20~27N。
斜丝通常据受压构件达到临界状态发生弯曲时(对虚轴所产生的横向剪力来分析其受力,采用稳定极限承载力作为稳定设计的标准准则。在确定了临界应力Q,并计入分项系数rR后,即可得到实际轴心压杆的稳定性计算公式。
实际应用中的斜丝计算长度为0.5L,考虑偏心取为0.6L。
o=N/A≤(0x/fy)×(fy/rR)=9即N/A0Sf
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