岩棉夹芯板力学性能的有限元分析

  岩棉板厂家 http://www.legousd.com 彩钢夹芯板是以彩色钢板为面板,轻质保温隔热材料为芯材,经连续成型工艺将芯材与面板粘结成整体的建筑用板材。彩钢岩棉夹芯板由于自重轻、刚度好、优良的耐火性、隔音、隔热效果好等综合性能,广泛应用于耐火等级要求较高的工业厂房及库房、恒温恒湿防静电净化厂房、保温隔热公共建筑屋顶、外墙等。
由于夹芯板在我国的生产和应用还是发展阶段,其设计、施工验收规范还不健全,在设计选用和施工方面还常存在一些问题,缺乏对其力学性能的系统性研究,使得在不同荷载、不同跨度下该如何选用板厚存在极大的困难,给设计过程造成障碍,这在一定程度上阻碍了夹芯板的应用及发展。
鉴于此现状,本文通过有限元分析了不同跨度、不同厚度的墙面及屋面LCF板的极限承载力,并通过试验来验证分析结果,提出单跨及多跨连续板的设计公式,在此基础上给出了不同厚度板的荷载-跨度选用表,给设计工作带来很大程度的简化和方便。
1试验概况

11若棉夹芯墙面板加载试验为了测定岩棉夹芯墙面板在风荷载作用下的承载力和力学性能,对夹芯板进行分级堆载破坏试验。
其中彩钢板厚度t=05mm,芯材厚度有t=50,80mm两种,板宽1.0m,跨度有单跨l=2m和三跨3l
=3×2=6m两种,每种情况下的试件个数均为3个。试验过程中,用荷载块进行均匀加载,单个荷载从表1可知,岩棉墙面板的承载力取决于板变形f=/200时相应的承载力,强度不起控制作用。
12岩棉夹芯屋面板加载试验为了测定岩棉夹芯屋面板外部对雪荷载、灰尘荷载的承载力和内部对风荷载的承载能力,对屋面板进行正向、反向两种分级堆载破坏试验。其中彩钢板厚度t=05mm,芯材厚度有t=50、80mm两种,板宽10m,跨度有单跨l=2m和三跨3l=3×2=6m两种,每种情况下的试件个数均为3个。试验过程中,用荷载块进行均匀加载单个荷载块重02kN;用百分表测量板跨中两侧及支座处挠度。正向加载时将板直接放于支座上,反向加载时,为了保证板截面在支座处均匀受力,在支座处用混凝土填补压型钢板凸缘间的空隙。表2为屋面板的试验结果。2有限元与试验结果对比分析21基本假定及计算模型
本文采用有限元软件ABAQUS进行分析,基本假定:1)钢板与芯材共同变形,故不考虑薄钢板的局部屈曲问题。2)采用各向同性材料模型模拟各向异性的岩棉。有限元计算表明:用各向异性材料模拟岩棉与各向同性材料模拟对最终板的承载力结果影响不大,故可作此简化;3)屋面板考虑风荷载及雪荷载作用,故存在正向和反向加载,而墙面板仅考虑风荷载,只存在正向加载情况。
计算模型包括单跨和三跨(跨度l=2m)、厚度为50、80mm屋面板和墙面板。材料模型为理想弹塑性模型,材料参数见表3。有限元模型根据构件的实际尺寸(见图1和图2),并进行了局部理想化处理(见图3和图4)。22有限元结果与试验对七分析表明,材料强度控制的板的极限承载力远远大于板的变形控制对应的承载力,故在此仅给出板挠度控制的极限承载力,有限元结果和试验结果见表4、表5。根据有限元计算结果和试验值的比较及与试验现象的分析,可得到以下几个结论:
1)因为支座处负弯矩的存在,对竖向挠度有减小作用,理论上三跨应该比单跨的承载力高,但大部分三跨试验结果接近或低于单跨,主要是因为三跨中的芯材不连续、有接头,剪力承载力极低,因此破坏基本出现在端部剪应力最大处。
2)岩棉系各向异性材料,这里用各向同性材料模拟,且取顺纹向抗压弹性模量作为杨氏模量是合理的,因在实际使用时岩棉是沿跨度方向纹路布置的,故在受荷时主要是顺纹向受拉压。3)由试验可知板的承载力主要受l/200控制,有限元分析也发现当板的最大挠度达到l/200时,钢板和芯材都没有达到屈服,故采用弹性阶段模拟。
3承载力设计公式
31计算简化模型及分析
单跨夹芯板则可以简化为一个简支梁,由结构力学知识可知位移计算公式(]:
=要+习器+承山
(1)式中,El为钢板和芯材组合截面的抗弯刚度;GA为组合截面的抗剪刚度;K为剪应力不均匀系数。
通过有限元模拟发现,芯材发生了很大的剪切变形,因为芯材的剪切模量小而剪应力大,故剪切变形很大,则在这里剪切变形不能忽略;由板的受力情况,可以忽略轴力的影响;在均布荷载作用下跨中挠度由式(1)积分得到:
sg4,Ko2
f=3着用+数(2)式中,E/和GA本应取复合材料(钢板和岩棉芯材)组合梁的抗弯刚度和抗剪刚度,由于其计算过程较为复杂,这里提出一种简便的方法对式(2)进行简化。由于芯材的抗弯刚度很小,所以只考虑钢板的抗弯刚度,整个板的弯曲变形由钢板来控制;钢板虽然很薄不能承受很大的剪力,但由于褶皱的存在,其剪切模量也大,所以认为抗剪由钢板和芯材共同完成;:
而且从试验中可以看出,破坏之前钢板和芯材之间的连接没有被破坏,可以认为钢板和芯材一致变形则可以计算芯材的剪切变形以代替整个板的剪切变形。
由于剪力由钢板和芯材共同来承担,故引进一个剪力分配系数β,其定义为:截面总剪力分配给芯材的比例(这里假设该系数沿跨度方向不因截面改变而变化)。设板受到的面荷载为g,则公式(2)被修正为:
384E18G4式中,E钢板的弹性模量;I为钢板的惯性矩;K为剪应力不均匀系数,对于矩形取6/5;β为剪力分配系数,将在后面给出;G为芯材的剪切模量A为芯材面积。
32设计公式及参数说明
该夹芯板的极限承载力是由挠度(而非强度)来控制的,在正常使用时要求挠度不能大于跨度的1/200,故可提出夹芯板的正常使用的承载力设计公1)上述公式为单跨设计公式,三跨(多跨)理论值应该比单跨高,但试验表明,三跨(多跨)由于芯材不连续导致承载力下降故也可采用上述公式作为设计公式;其中y为结构安全系数,在此取值y=
1.15。
2)其中β的取值是非常重要的,也是相当困难的。本文中采用有限元模拟结果近似得到β并通过非线性拟合给出公式仅作参考。β值见表6。由表6可知,墙面板和屋面板的分配系数存在明显的区别,这是由于它们采用的钢板褶皱程度不同。为了简化计算,对于墙面板取平均值为β=
07887,对于屋面板取平均值为β=0.5857。根据试验,芯材岩棉G=2.30MPa,钢板E=
187600MPa。为验证上述设计公式(4)的适用性,下面将简支梁公式计算值,设计公式计算值和试验值进行对比,见表7。从表7看出,简支梁理论(忽略剪切及轴向变形的计算值比试验值大好几倍,如果采用此公式设计,则过高地估计板的承载力,使得设计不安全,而修正后的公式和试验值比较接近,且比试验值稍小,考虑了一定的安全系数,作为设计公式是合适的。
另外,利用设计公式(4)可直接给出跨度一荷载选用表,可以更方便设计时选用,见表8和表9。还可以使塑性铰离开梁面出现在隅撑上,增强节点的延性,实现对耗能构件以外的其他构件的保护,同时也实现了“强节点弱构件”的抗震设防目标。图4所示连接形式要使用高强度螺栓,以保证节点为刚性连接。这种节点形式在试验研究中表现出很好的延性,同时有利于隅撑的平面外稳定,保证隅撑有效的耗能,但是采用高强螺栓连接的方式造价相对较高。隅撑与钢管混凝土柱的连接节点采用加强环式刚性节点,这是钢管混凝土结构梁柱连接节点形式中研究最成熟、应用最多的刚性节点。4结论
1)在地震作用下,钢管混凝土隅撑耗能框架支撑体系通过隅撑屈服可以耗散大量的地震能量,一般荷载作用下结构表现出比较好的刚度,即:通过合理的设计隅撑,结构的强度、刚度和耗能能力可以较好地匹配。2)杆件截面相同时,双隅撑框架比弯曲型偏心支撑框架更易于耗散地震能量;杆件截面相同时,剪切型偏心支撑框架比同截面的单、双隅撑框架具有较高的层间刚度。
3)结构拟采用隅撑支撑时,当框架的跨度较大,采用双隅撑框架结构较单隅撑框架结构能获得更好的刚度,耗钢量也较低。主撑杆按拉杆设计时,隅撑支撑应设计为双隅撑形式。
4如果结构采用同截面的隅撑构件,则顶层的反复受力性能不及其他层。设计时可以适当地削弱顶层的隅撑。
5)文中设计的隅撑与梁柱的连接节点,可以满足“强节点弱构件”的抗震设防要求,同时使隅撑中出现的塑性铰离开梁面,对梁形成保护。

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