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合肥工业大学王静峰教授团队: 冷弯薄壁型钢填充轻聚合物组合墙体受力性能研究

合肥工业大学王静峰教授团队: 冷弯薄壁型钢填充轻聚合物组合墙体受力性能研究

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【摘要】:
工程结构的可持续发展主要取决于所选用结构构件的绿色低碳特性。本文研究了一种新型、绿色、可装配的冷弯薄壁型钢组合墙体,即在冷弯薄壁型钢骨架中填充轻质EPS复合浆料形成新型组合墙体

Sustainable Structures

 
 

 

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摘要

 
 

 

本文做了什么?

 

工程结构的可持续发展主要取决于所选用结构构件的绿色低碳特性。本文研究了一种新型、绿色、可装配的冷弯薄壁型钢组合墙体,即在冷弯薄壁型钢骨架中填充轻质EPS复合浆料形成新型组合墙体。然而,目前对于这种墙体性能和机理研究尚不充分,限制其应用和推广。本文回顾了课题组对这种新型墙体力学性能系列试验研究,包括轴压性能、受弯性能和滞回性能等试验,对典型失效模式和试验结果进行了介绍和讨论。这项工作将为乡村振兴的当前实践和未来探索提供了科学参考。

 

背景

 

为什么要做这个?

 

乡村振兴战略的实施是党的十九大做出的重要决策部署,为了统筹谋划、科学推动乡村振兴战略。建设乡村宜居型农房,提高农村居民居住水平,成为乡村振兴的关键环节。脱贫攻坚战略实现了农村困难群体住房困难问题的任务,取得了良好的成绩,但同时也从侧面反应了传统农村住宅的诸多问题,如:工业化建造落后、居住舒适度欠佳、抵抗灾害能力差。在中央实施乡村振兴战略的大背景下,提出农村住房建设应坚持“经济适用、安全可靠、舒适健康、环境优良和建造迅速”的五大基本原则,并提出以绿色装配式农房为抓手推进乡村振兴战略实施,倡导推进“绿色装配式农房”的发展。

 

冷弯薄壁型钢填充轻聚合物组合墙体是在常用冷弯薄壁型钢体系上发展起来的。轻聚合物浆料可实现一些工业废弃物再利用,具有一定承载力与良好的保温性能,改善了冷弯薄壁型钢墙体的空心特性,提高了其隔声、保温及防火性能,更加适合我国北方集中供暖地区,降低供暖损耗。同时,轻聚合物的填充以实现从现场喷涂到工厂预制灌浆的转化,大大减少了现场湿作业,提高了生产效率及现场装配率,可实现建筑一体化设计和施工。冷弯薄壁型钢填充轻聚合物组合墙体结构在新农村建设中具有广阔的应用前景,且已在安徽、浙江等地区工程示范和应用推广。

 

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图1 冷弯薄壁型钢填充轻聚合物组合墙体在美丽乡村应用

 

方案

 

填充轻聚合物冷弯薄壁型钢组合墙体是什么样子?

 

冷弯薄壁型钢填充轻聚合物组合墙体是在冷弯薄壁型钢墙体的空心区格内填充轻聚合物浆料而形成组合墙体,主要由冷弯薄壁型钢骨架、轻聚合物浆料、面板/面层部分组成。轻聚合物浆料在工厂通过专用灌浆设备完成,避免了现场喷涂湿作业,提高施工效率,减少环境污染。轻聚合物浆料根据胶凝材料不同,分为石膏基和水泥基两种类型。

 

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图2 填充轻聚合物的冷弯薄壁型钢组合墙体的构造

 

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图3 冷弯薄壁型钢填充轻聚合物组合墙体的制作流程

 

力学性能

 

1.轴压性能

 

对于无面板的试件,在轴压作用下,组合墙体破坏模式主要包括墙体立柱畸变屈曲、填料开裂和压溃。有面板的墙体试件显示出相似的失效模式,除了自攻螺钉连接松动,以及墙体面板开裂和脱落,此外还发现面板可以延迟立柱屈曲。

 

与无填充轻聚合物浆料的冷弯薄壁型钢墙体相比,组合墙体表现出良好的轴压性能。研究表明,填充水泥基复合浆料组合墙体的极限荷载比石膏基复合浆料组合墙体大56%~70%。研究表明,有面板组合墙体具有明显的承载优越,尤其是采用有筋扩张网组合墙体。

 

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图4 墙体轴压试验破坏模式

 

2.受弯性能

墙体在平面外均布荷载作用下,主要失效模式包括:墙体边立柱中间部位屈曲/断裂、自攻螺钉周围的墙板破坏、连接失效、顶部墙板的压碎以及面板的贯通裂缝。根据荷载-挠度曲线可以发现,所有试件经历了线弹性、屈服和极限破坏三个阶段;曲线形状对称。研究表明,试件抗弯承载力是自重的9.69-13.14倍。

 

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图5 墙体受弯试验破坏模式

 

3.滞回性能

 

冷弯薄壁型钢填充轻聚合物组合墙体的主要破坏模式为面板开裂,自攻螺钉与龙骨分离,面板开裂、脱落,角部填料破碎,立柱屈曲。填充材料对冷弯薄壁型钢骨架的支撑作用可抑制轻钢骨架变形,延缓墙体立柱屈曲的发生。斜向交叉钢带在拉压反复作用下发生屈曲松弛。水泥基复合浆料对冷弯薄壁型钢骨架的支撑作用强于石膏基复合浆料。墙体洞口边缘有较强的应力集中,洞口边缘立柱易屈曲,角部填料及面板易开裂,因此在墙体设计时应对洞口边缘进行构造加强。

 

随着荷载增加,滞回曲线呈现出明显的捏缩现象。与冷弯薄壁型钢墙体相比,这种组合墙体表现出良好的刚度和承载力。轻聚合物和冷弯薄壁型钢骨架可以协同工作,共同抵抗外力。X形支撑和面板可以一定程度上提高组合墙体的承载力和刚度,有筋扩张网提高效果更好。相反,墙体开孔会明显降低组合墙体的刚度和承载力。同时,组合墙体表现出较好的延性和耗能能力。

 

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图6 组合墙体滞回试验的破坏模式

 

结语

 

以废脱硫石膏或水泥和EPS为基本原料制备的轻聚合物浆料具有很大潜力,可以作为一种可持续材料。

 

冷弯薄壁型钢填充轻聚合物组合墙体结构的可靠性不仅取决于舒适性、隔热性和耐火性的要求,还取决于在长期自然条件下的安全性。因此,本文研究了组合墙体在各种荷载作用下的力学性能,对其影响因素进行了考虑和讨论。对比分析表明,此类组合墙体具有良好的轴压、平面外弯曲和滞回性能。研究表明,填充材料与冷弯薄壁型钢骨架相结合可以很好的协同工作,提高组合墙体的力学性能。

 

然而,现有体系研究的系统性还有待进一步深入,如轻聚合物浆料、面层等与冷弯薄壁型钢骨架连接构造、界面机理等内容,以及基于性态控制的抗震设计方法。此外,轻聚合物浆料的阻燃处理和生产方法对力学、物理性能影响也是值得探讨。

 

本文研究特别感谢合肥国瑞集成建筑科技有限公司仇多宏、程佳等大力支持;本文工程应用图片由该企业提供。

 

本文已在《Sustainable Structures》 (SUST; Sustain. Struct.)发表。《Sustainable Structures》是一本专注于可持续发展结构研究的英文国际期刊。目前期刊编委30余名,来自全球17个国家或地区。引用信息如下:

 

Wanqian Wang, Jingfeng Wang, Lei Guo. Mechanical behavior analysis of LEM-infilled cold-formed steel walls [J]. Sustainable Structures, 2022, 2(1): 000013.  https://doi.org/10.54113/j.sust.2022.000013.

 

原文下载:http://www.sustain-dpl.com/picnews.asp?id=155(也可点击文末“阅读原文查看”)

 

作者简介

王静峰

 

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王静峰博士于2005年获得同济大学博士学位,现为合肥工业大学土木与水利工程学院院长,教授,博导,教育部新世纪优秀人才、安徽省学术和技术带头人。长期从事钢结构与组合结构、智能建造与建筑工业化、工程结构抗震与防灾等方面研究。

 

汪皖黔

 

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汪皖黔博士于2012年获合肥工业大学学士学位,现为合肥工业大学结构工程专业博士生,研究方向主要为装配式钢结构,乡村振兴战略中的模块化绿色农房,冷弯薄壁结构设计理论与应用。

 

郭磊

 

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郭磊博士于2012年获合肥工业大学学士学位,现为合肥工业大学结构工程专业博士生,研究方向主要为装配式钢结构抗震。

期刊名称:Sustainable Structures

简      称:SUST

简      写:Sustain. Struct.

期刊刊号:ISSN: 2789-3111 (Print); ISSN: 2789-312X (Online)

期刊主页:http://www.sustain-dpl.com/picnews.asp?id=155