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1、山东大学硕士学位论文钢结构住宅节能复合墙板的理论与试验研究姓名：胡肖静申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：王彦明;侯和涛20090520山东大学硕士学位论文摘要随着我国墙体改革、建筑节能等相关政策的推行，住宅产业现代化逐渐提上日程。钢结构住宅因其节能省地、绿色环保、便于工厂化生产和标准化制作、可现场装配等优点，正日益收到人们的青睐，使用比例也越来越高。作为目前制约钢结构住宅体系发展的围护体系，就成了亟待解决的问题。与普通的墙体材料相比，复合墙板具有承载力高、保温效隔音果好等优点，成为目前发展最为迅速的一种新型建筑材料。作为围护结构应用于钢结构住宅的节能复合墙板外挂于钢框架梁或柱上，除竖向
2、自重外，墙板主要承受风荷载或地震引起的横向荷载。本文对节能复合墙板的抗弯性能进行了详细的理论和试验研究。首先，基于付宝连提出的弯曲矩形板的广义位移理论，推导出了在横向均布荷载作用下四角点支承弹性矩形薄板的挠度计算公式，解决了四点支承矩形板的挠度和内力计算问题，为节能复合墙板内力和挠度等的简化计算提供了理论基础。其次，利用通用有限元分析软件A N S Y S 建立了节能复合墙板的有限元模型，通过与文献中分析结果的对比，证明本文所选用的材料本构关系、单元类型以及破坏准则等可以较好的模拟墙板在横向均布荷载作用下弹性变形阶段的受力过程。由于墙板的具体尺寸、开洞情况及材料性质等在工程应用时可能多种多样，
3、所以本文对影响节能复合墙板抗弯刚度的因素进行分析，总结了影响墙板抗弯性能的主要因素，并对墙板的设计使用提出了建议，可作为工程应用参考。最后，为了验证上述理论分析的可靠性，本文制作了5 块足尺节能复合墙板，对横向荷载作用下墙板尺寸、洞口及配筋率对墙板的开裂荷载、抗弯极限承载力的影响，以及裂缝的分布规律和破坏形态等进行了试验研究，考察钢筋混凝土组合网架夹芯复合板在用于墙板时的抗弯性能，检验钢丝网架的连接作用是否能够保证复合墙板两片混凝土板协同一致工作。节能复合墙板的A N S Y S 分析结果与试验结果吻合较好，试验结果和非线性有限元分析结果可供钢结构住宅研究与设计人员参考。关键词：钢结构住宅，节
4、能复合墙板，挠度，抗弯性能，有限元分析，实验研究山东大学硕士学位论文A B S T R A C TG i v e nt h a tt h er e f o r mo fw a l lm a t e r i a l sa n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fe n e r g yc o n s e r v a t i o no fb u i l d i n ga r eu n d e r w a y,t h em o d e r n i z a t i o no fh o u s i n gh a sg r a d u a l l yb e e no nt
5、 h et o pa g e n d a D u et ot h ea d v a n t a g e si n c l u d i n ge n e r g ys a v i n g，l a n ds a v i n g，e c o f r i e n d l ys t e e ls t r u c t u r a lh o u s e sw h i c hc a nb ed e s i g n e ds t a n d a r d l y,b em a n u f a c t u r e di nf a c t o r i e sa n db ef a b r i c a t e di n
6、s i t e sh a v eb e e ni n c r e a s i n g l ym o r ep o p u l a ri nC h i n a H o w e v e r,t h e r ea r es t i l lm a n yd r a w b a c k so fs t e e ls t r u c t u r a lh o u s e A tp r e s e n t，t h ec l a d d i n gs y s t e mi st h em o s tu r g e n tp r o b l e mw h i c hp r e v e n t st h ef u
7、 r t h e rd e v e l o p m e n to fs t e e ls t r u c t u r a lh o u s e s C o m p o s i t ep a n e l sa r em u c hb e t t e rt h a no t h e rw a l lm a t e r i a l si nt e r m so fs t r e n g ha n di n s u l a t i o n T h e r e f o r e，i th a sb e e no nt h em o s tr a p i dg r o w t hr a t er e c e
8、 n t l y W h e nu s e di ns t e e ls t r u c t u r a lh o u s e sa sc l a d d i n gs y s t e m，c o m p o s i t ep a n e l sC a nb ef i x e do nt h es t e e lf r a m eb e a mo rc o l u m nt ob e a rt h eh o r i z o n t a ll o a d s，s u c ha sw i n dl o a d sa n de a r t h q u a k ef o r c e T h es t
9、r u c t u r a lb e h a v i o u ro fc o m p o s i t ep a n e l sa r es t u d i e db o t he x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y F i r s to fa l l，t h ee q u a t i o no fc o m p u t a t i o nf o rd e f l e c t i o no fe l a s t i cs l e n d e rp a r a l l e l o g r a mp a n e lp i n
10、 n e da tt h ef o u ra n g l e sb e a r i n gt r a n s v e ru n i f o r ml o a d si sd e r i v e df r o mt h eg e n e r a ld i s p l a c e m e n tt h e o r yo ff l e x u r a lp a r a l l e l o g r a mp a n e lp r o p o s e db yF uB a o l i a n，w h i c hC a l lb eu s e dt oc a l c u l a t eb o t ht h
11、 ed e f l e c t i o na n di n t e r n a lf o r c e so fp a r a l l e l o g r a mp a n e lp i n n e da tt h ef o u ra n g l e sa n dm a k e st h es i m p l i f i e dc a l c u l a t i o no ft h ed e f l e c t i o na n di n t e r n a lf o r c e so fc o m p o s i t ep a n e l sp o s s i b l e S e c o n
12、d，ac o m p o s i t ep a n e li sm o d e l l e db yg e n e r a l l yu s e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e-A N S Y S A c c o r d i n gt ot h er e f e r e n c e s，t h em e c h a n i c a lc o n s t i t u t i v er e l a t i o n so fm a t e r i a l s、e l e m e n tt y p e sa n dt h
13、ef a i l u r ec r i t e r i ac a nb eu s e dt om o d e lt h ee l a s t i cd e f l e c t i o no fp a n e l su n d e rt r a n s v e r s eu n i f o r ml o a d s B e c a u s eo ft h ed i v e r s i t yo fd i m e s i o na n do p e n i n go fp a n e l si nr e a l i t y，t h ei n f l u e n t i a lf a c t o r
14、 so ft h ef l e x u r a lr i g i d i t yo fc o m p o s i t ep a n e l sa r ea n a l y s e da n dt h ek e yf a c t o r sa r es u m m a r i z e d，a n ds o m es u g g e s t i o n sa b o u tp a n e ld e s i g na r ea l s op r o p o s e d F i n a l l y，e x p e r i m e n t a ls t u d yo ff i v ef u l l s
15、i z ec o m p o s i t ep a n e l si sc a r r i e do u tt of i g u r eo u tt h ee f f e c to fs i z e、o p e n i n ga n dr a t i oo fr e i n f o r c e m e n to nt h ec r a c k i n gf o r c eI I山东大学硕士学位论文a n du l t i m a t ef l e x u r a ls t r e n g t ho fc o m p o s i t ep a n e l su n d e rt r a n s
16、v e r s eu n i f o r ml o a d s，a n dt h ed i s t r i b u t i o no fc r a c k s、t h ef a i l u r es t a t ea n dt h ec o m p o s i t e n e s sa r ea l s os t u d i e d T h er e s u l t so fA N S Y Sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h o s eo fe x p e r i m e n t T h ee x p e r i m e n t a ld a
17、 t aa n dt h er e s u l t so fn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sC a nb eu s e di nt h ef u t u r er e s e a r c ha n dd e s i g n K e y w o r d s：S t e e ls t r u c t u r a lh o u s e，e n e r g y s a v i n gc o m p o s i t ep a n e l，d e f l e c t i o n，f l e x u r a la b i l i
18、 t y,f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s，e x p e r i m e n t a ls t u d yI I I原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：盘煎蛰日期：逝墨：塾关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版
19、，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：衄导师签名：垡莹至缝日期：堑圭：塑兹仰习山东大学硕士学位论文1 1 研究背景第一章绪论自7 0 年代世界能源危机产生以来，各国都十分重视节约能源的问题，兴起了世界性的节能运动。对于能源相对匮乏的我国来说，节约能源更是基本国策之一。据统计，住宅建设和使用过程中的耗能占社会总能耗的2 0 左右，而且随着居民生活水平的提高，这一比例还会提高。目前我国既有建筑的总面积为4 0 0亿平方米，其中9 5 以上
20、是高耗能建筑，单位面积的耗能相当于气候条件相近发达国家的2 -,3 倍。从1 9 8 6 年国家颁布居住建筑节能设计标准，规定必须实行节能5 0 的强制性设计标准后，收到一定的成效。但是，目前我国每年建成的房屋面积达1 6 -,2 0 亿平方米，而其中用于砌筑的红砖大量消耗着我国本已稀缺的土地资源，并且仍有5 0 以上为高耗能建筑，每年的建筑耗能在能源总消耗量中所占的比例近3 0。我国仍处在房屋建设的高峰期，如果我们不积极推进节能建筑的发展，会造成资源极大的浪费。因此，进行建筑材料及构件的改革迫在眉睫，为此必须开发和利用新的节能型和环保型住宅体系。为节约土地和可持续发展的要求，建设部颁布了建设
21、节能省地型住宅体系的政策，国内工程建设中全面淘汰各种粘土砖，绝大部分的住宅多采用框架结构或剪力墙结构，并选用质轻、保温的加气混凝土砌块作为围护墙。但加气混凝土砌块墙体自身无法满足建筑节能6 5 的要求，需要在外侧贴保温材料(使用寿命约为1 5 年)，后期维护极不方便，成本较高。节能省地的钢结构住宅因其具有重量轻、抗震性能好、无噪声与污染、材料可循环利用、得房率高3-,7、建筑节能6 5 以上、便于工厂化生产和标准化制作、可现场装配等优点，正日益受到人们的青睐，使用比例也越来越高。其中，美国、日本和欧洲等发达国家的钢结构建筑比例已经达到4 5,-5 5，有的甚至已达到7 0 左右【l】。但在中国
22、钢结构建筑所占的比例仅3 左右，即使是使用钢结构建筑最多的北京、上海和广州等大城市，钢结构建筑的比例也仅为5-7。由此可知，钢结构建筑在中国的发展空间非常大，市场前景十分广阔1 2 4 o欧美等国家的钢结构住宅主要以低层为主，日本钢结构住宅的节点处理非常繁琐，节点连接副强度一直是日本钢结构住宅体系的心病。在建设部建设节能省地型住宅体系的政策，因此国内绝大部分的钢结构住宅均为多高层，无法直接应山东大学硕士学位论文用国外成功的钢结构住宅建设经验和相应的技术，需要发展适合国情的钢结构住宅体系【硒】。自2 0 0 0 年建设部丌展钢结构住宅建筑体系及关键技术研究以来，在钢结构体系方面取得了不菲的成果，
23、国内钢结构住宅的结构体系问题已基本解决，目前制约钢结构住宅体系发展的关键因素在于围护体系(内外墙板)。我国的新型墙体材料五花八门，但是能够真正用于钢结构住宅的却寥寥无几。住宅规范要求外墙板要抵抗太阳的辐射，以及风、霜、雨、雪的冲击，内墙板要有良好的隔声降噪的性能，二者均应有良好的热惰性能。在钢结构住宅体系中，选用复合墙板是较为合适的，因为与普通的墙体材料相比，它具有更高的抗弯强度，更好的冻融性能、抗渗性能和保温效果，可以满足严寒地区对板材的耐候要求。目前国内部分厂家的墙板在试验室条件下均具有良好的性能，但在使用过程中出现了一些问题，如渗水、漏雨和隔音效果较差等，有待于进一步研究改进o】。1 2
24、 复合墙板在国内外的发展与研究现状适用于钢结构住宅的外墙主要有砌块填充墙、骨架墙板、蒸压加气混凝土板和复合墙板l。除蒸压加气混凝土砌块能满足现行建筑节能要求外，其它砌块均需在外侧增设高效保温材料与饰面，现场湿作业较多，施工效率较低，综合经济效益不高。对于轻质填充墙对混凝土结构抗震的影响，许多学者进行了大量试验研究，提出了填充墙初始层刚度、承载力、抗侧刚度和变形特征等计算方法【J 2-1 3 1。钢结构住宅墙体与结构的相互作用试验研究表明，墙体的存在能增大钢框架的抗侧刚度，而且对结构体系的抗震性能产生较大影响 1 4-1 8】。骨架外墙板主要有纤维水泥板、纤维增强硅酸钙板(F C 板)、G R
25、C 板、配筋混凝土大空心率轻质条板、水泥刨花板、木纤维增强水泥多孔墙板、植物纤维水泥板、硬质木屑水泥板、木骨架复合墙板及定向刨花板(需做处理)等【1 9 27 1，国家也出台了纤维水泥夹芯复合墙板的行业标准，以规范轻质骨架墙板的应用【2 引。骨架外墙板具有轻质高强，随意组合等优点，但现场需要进行骨架施工，施工效率不高，成本相对偏高。蒸压加气混凝土板在钢框架中应用较为广泛1 2 9 3 0 1，李国强等人对A L C 板和伊通板自身的力学性能、节点以及墙板与结构的相互作用试验研究表明，墙板与钢结构连接宜采用柔性连接、墙板对钢框架的抗侧刚度有一定贡献，而且能提高钢框架柱的平N；,I-稳定性及极限承
26、载力【3 1。3 7 1。陈以一等对A L C 板与钢框架的抗山东大学硕士学位论文剪试验研究也证明墙板对钢框架有刚度贡献【3 引，而且A L C 板的存在会对钢柱、钢梁的截面温度分布有较大的影响p 9 1。通过对加气混凝土板的试验研究，建立了板的抗弯承载力、节点连接方式与承载力以及与框架连接的抗震性能的理论模型、设计方法等，并提出了适合伊通板的配筋计算公式【4 2 1。复合墙板也可称为夹层板，分承重型与非承重型两种。承重型主要有复合剪力墙板(也称C L 体系复合墙板)、密肋复合墙板和混凝土灌芯纤维增强石膏板等；非承重型的主要有G R C 复合外墙板，纤维水泥(硅酸钙)板预制复合墙板、纤维水泥板
27、整体灌浆墙体、条式复合墙板、钢丝网架复合墙板、聚苯模块混凝土复合绝热墙体、植物纤维复合墙板和金属面夹芯板【l l】。李升才、江见鲸等对C L 体系复合墙板(简称C L 墙板)进行了系统的试验研究，提出了弯曲开裂强度的计算公式以及抗弯承载力计算公式，以确定暗柱的大小和配筋【4 3 1；用开裂强度来控制构件设计，并应使结构有足够的承载力来抗震 4 5-4 6】；轴心受压试验研究表明C L 墙板整体性较好，长细比对破坏类型影响明显，并得出了复合墙板受压承载力的强度与稳定验算公式 4 7-4 9 1：轴压力能提高C L的开裂荷载与极限承载力，并提高构件的初始刚度，但对极限变形性能的影响不大1 5 例。
28、弹塑性地震反应分析以及试验研究得出，C L 墙板与边框能很好地协同工作，抗震承载力很高，水平力的分配取决于两侧混凝土复合层的刚度l5 1】；抗震试验研究表明C L 在斜钢丝拉结作用下，能较好地共同工作，层等厚墙板的抗震性能优于不等厚墙板【5 2 5 4】；基于C L 集承重与保温与一体的特点，工程上应用较多【5 5 巧7 1。密肋复合墙板是由密布的肋梁、肋柱与内嵌的砌块形成协同工作的复合墙板，可利用简化的刚架一斜压杆模型【5 8 枷】、刚架一平面复合子结构有限元分析模型【6 l 石2 1、空间梁一平面复合子结构有限元分析模型6 3】来分析密肋复合墙板的受力性能；根据试验结果拟合出复合墙板的斜截
29、面承载力计算公式脚】。将密肋复合墙板等效为各向正交异性的复合材料，可以得出墙板的弹性常数的理论计算方法，求取墙板的刚度【6 5 舶l。数值分析知，中高层密肋复合墙板中的竖向轴力及水平弯矩主要由边框柱承担，水平剪力主要由复合墙板承担，底层边框柱按弯剪压(拉)进行截面设计，而复合墙板按剪压进行截面设计【6 引。试验研究发现，加外框密肋复合墙板主要有两种破坏模式：剪切型和弯曲型破坏。在大量试验的基础上，姚谦峰等提出了密肋复合墙板的恢复力模型和损伤模型【弛7 0 1，而阶段刚度退化损伤模型能较真实地反映墙板的损伤发展过程和发育规律，是较为合理的地震损伤模型【7 1 1。有的学者将密肋复合墙板中的内嵌砌
30、块改为聚苯板块形成预制山东大学硕士学位论文节能墙板，应用于小型住宅中【7 2-7 3 1。混凝土灌芯纤维增强石膏板的物理性质不均匀，可采用均质化理论，将墙板视为周期性复合连续体，等效为代表性体积单元(R V E)进行有限元分析计算【7 训。目前钢结构住宅的非承重型预制复合墙板应用较多的为钢丝网架复合墙板(L C C C 板)7 5-s l】，因混凝土面板的强度和模量远大于聚苯板，且配置在远离截面形心的位置，具有较大的抗弯刚度，是承受横向荷载抵抗弯曲变形的最佳结构。在用作楼板计算其抗弯刚度和构件内力时，可采用桁架理论模型1 8 2 J。试验研究表明，L C C C 板在斜钢丝的作用下协调作用，抗
31、弯刚度和极限承载力较高；混凝土板的配筋和洞I；3 对复合墙板的刚度与承载力影响较大 s 3-8 9 。国外的复合墙板可分为两大类：骨架复合墙板和混凝土预制复合墙板，钢结构住宅以低、多层为主，主要应用骨架复合墙板。骨架复合墙板主要以U、C 型钢、方钢、冷轧轻钢或木龙骨形成骨架，石膏板为内墙板，水泥纤维板、定向刨花板、防水夹板、P V C 板、蒸压轻质加气混凝土板、硬质木屑水泥板和复合板(也称夹层板)为外墙板，内外墙板间填充岩棉或其它保温材料形成的复合墙板，在欧美等国家应用较为普遍；而日本的钢结构住宅的外墙板和装饰板合二为一，它高强美观，安装精度要求较高，因而其制造和应用成本很高i 9 0-9 3
32、 1。复合板(也称夹层板)一般为三层结构，由上下两块薄而强的面板粘结厚而轻的夹芯层(简称芯层)组成。面板承受弯矩和面内的压(拉)力，而芯层保持连接面板一起工作并承受因弯矩产生的横向剪力和变形，因此复合板具有较高的抗弯承载力和刚度，以及优越的强度重量比【9 4 J。芯层通常有两种形式，一为填充的轻质聚合物(泡沫夹芯)，二为非填充的空芯(蜂窝夹芯或波纹夹芯)g s】。早在2 0 世纪4 0 年代，力学工作者就提出了复合板的各种分析与计算模型，典型的有R e i s s n e r(莱斯纳尔)理论、H o 行(霍夫)理论和普鲁卡可夫一杜庆华理论【蚓。许多学者将多种板理论加以发展以预测复合板的受力性能
33、，通常以假定的变形函数把板理论分为三类：等效单层理论、层离散理论和之字形平面位移理论。基于亚层一阶之字形理论的所提出的改进板理论和三维单元模型，可以较为准确有效地分析各种厚板或薄板【9 7】。由D i s c i u v a 提出的一阶之字形理论全部自由度仅为5 个，而与复合板的层数无关，使计算成本大大降低【9 9 嗍，改进后的高阶之字形理论很好地考虑了非对称复合板弯曲过程中产生的翘曲1 1 0 0】；之字形理论的不足是要求横向位移自由度是连续的。Y i p 和A v e f i l l 融合了层离散理论与高阶之字形理论的优点，建立了亚层单元模型l m。基于等效单层的假定，把平面内和横向位移沿
34、板厚度表示为三次和山东大学硕士学位论文二次表达式，并且横向剪力假定为厚度的三次函数，利用R e i s s n e r 厚板运动学定义，(3，2)阶板理论分析P V C 芯层和蜂窝芯层的复合板所得结果较为理想【1 0 2】。由N 个刚度高的实体层以及依顺序插入的N 1 个芯层组成的复合板结构，可用高阶板理论得出完整的实体层位移、应力和弯矩和芯层位移、横向剪力与剪切应力解答0 3 1。在工程应用中，复合板的面板与芯层连接一般为全粘结、部分粘结和层分离三种，破坏形态与受力机理也各不相同。针对不同的复合板，应用一阶或高阶板理论及有限元模型，可建立不同形状、边界条件、材料等复合板的屈曲分析方程 1 0
35、 4-1 0 7】。同单一材料板相比，复合板的组成材料并不均匀，各层的微观变形模态不协调，导致层剥离破坏。基于局部应力的奇异性分析的微观比例方法和基于在平均能量释放速率的中等比例方法两个概念，用于评价复合板的层剥离破坏【1 0 8】i求出各种芯层复合板的等效弹性常数后，可将三维复合结构简化为等效的平面各向同性厚板1 9 4 J，利用三质点模型分析3 层复合结构的整体性能和横向应力删。可利用基于代表性体积单元(R V E)的均质化方法确定带有空心芯层的复合板有效抗弯刚度 J l o】；也可用均质化方法获得蜂窝芯层的等效材料性能，微观与宏观力学求得面板的弹性性能。应用两比例渐进均质化技术建立了微观
36、力学模型，求取由正交各向异性材料组成的蜂窝复合板有效弹性性能，得出均一材料壳的有效刚度通常取决于材料的局部弹性常数2。1 1 4】。在拉、压、剪作用下，使用简单的线性(含平均应力)准则预测带聚苯板芯层复合板的芯层剪切破坏，而叶提出的层分离破坏准则可预测带P V C 芯层复合板的面板与芯层分离破坏【】。R o h a c e l l 泡沫橡胶芯层中含有直径的0 5 1 m m 碳纤维桁架连接上下面板，试验得出这种复合板比由常规芯层组成的复合板刚度高，而强度偏低【l”J。芯层中设置纤维增强聚合物圆管的复合板刚度大大增加，在边缘压力作用下的破坏模态是面板屈曲和面板与芯层的粘结破坏，面内压力作用下的破
37、坏模态是圆管断裂l 6 1。由两种玻璃纤维面板及四种芯层组成的复合板在边缘受压(压力分别作用在两面板上)试验中表现出了三种破坏模态：复合板失稳屈曲与芯层剪切破坏，复合板崩裂及面板分层并向相反方向屈曲，渐进的复合板端部压碎；决定破坏模态的最主要因素是芯层的材料特性与强度【7 1。复合板的破坏是非常复杂的，可能是各种破坏机理的共同作用，如面板微观屈曲、面板皱褶、芯层剪切和凹陷破坏等【1 1 9 m 0 1。由此提出了在面板与芯层之间插入复合层的新型复合板概念，以提高其抗冲击和滑移能力【1 2 0 1。在横向冲击荷载作用下，玻璃纤维增强面板与P V C(轻木)芯层组成的复合梁破坏机理不同，山东大学硕
38、士学位论文P V C 芯层复合梁发生芯层开裂和支座处面板受拉断裂，而轻木芯层复合梁发生面板与芯层剥离，复合梁比单一材料梁具有更高的抗冲击承载力I l2 1J。上述研究的多数复合板的面板厚度远小于芯层厚度，而刚度远大于芯层刚度，板的长度也远大于板的厚度。在北美地区已有5 0 多年历史的承重型预制混凝土保温复合外墙板(简称P C S P 板)，是由两块最小厚度5 1 m m 的钢筋混凝土面板与保温芯层通过连接键组成，承受竖向荷载、风荷载、冲击荷载和地震荷载作用，具有优越的热工性能和结构特性，且经济性较好。连接键材料主要为钢材、塑料或纤维复合材料以及实心混凝土，能传递两层混凝土板之问的横向弯曲剪力。
39、按照墙板的组合程度，P C S P 板表现为完全组合、部分组合(半刚接)和非组合三种受力性能。完全组合P C S P 板的上下混凝土面板与芯层成为一个整体协同工作，部分组合P C S P 板在起吊和安装期间，芯层和连接键有足够的刚度和承载力使其协同工作；而在使用荷载作用下，则不能保证面板与芯层协同工作。非组合P C S P 板的混凝土面板独立工作，通常是一个为结构层，而另一个为非结构层，整个墙板的厚度较大。P C S P 板从设计、加工、运输、安装、存放、质量检查与验收等方面均有成熟的理论、规范与成套技术【1 2 2 1。6 块偏心受压和6 块轴心受压的P C S P 板的足尺模型试验结果指明
40、，所有试件均为压碎破坏，开裂荷载约为极限承载力的3 8 5 5(偏压)、4 4 7 9(轴压)；随着高厚比(长细比)的增加，极限承载力非线性降低；连接两块混凝土面板的钢桁架应变均小于屈服应变，P C S P 板是完全组合板【1 2 3。1 2 4】：四点弯曲的6 块P C S P板足尺模型试验结果表明，P C S P 板的破坏模态和裂缝形式与传统的实心混凝土板极为相似，开裂荷载约为极限承载力的5 5-6 0：完全组合板的破坏要么混凝土被压碎，要么板内的钢筋屈服，而钢桁架不会破坏；P C S P 板具有良好的延性，其极限承载力和组合程度主要取决于连接键(钢桁架)的刚度【1 2 5 1。综合国内外
41、的研究资料，墙体板材向着轻质、高强、绿色、节能、经济的复合墙板发展。在荷载作用下，薄面板、厚芯层的复合板理论主要以经典板理论为分析基础并作些适当改进。承重型预制混凝土保温复合外墙板的理论与应用技术较为成熟，但设计理论偏于保守；对非承重型预制混凝土保温复合外墙板应用于钢结构住宅的研究资料不多，特别是外挂墙板(点支承)。1 3 矩形薄板弹性弯曲问题的理论解纳维叶(N a v e i rCL)首次求解了均布荷载和板中点有一集中载荷作用的四边简支矩形板的弯曲，给出了以双重三角级数表示的正确解【1 2 6。1 2 7 1。此种解法不6山东大学硕士学位论文论荷载情况如何，级数的运算都比较简单，但解答中的重
42、三角级数收敛较慢，在计算内力及反力时，有时要计算很多项。列维(L e v yM)把挠度的表达式取为单J 下弦级数1 1 2 8】。应用列维解法，可以求得一对边简支、其余一对边为任意支承的矩形薄板在受各种横向荷载时的解析解，以及它在某一边界上受分布弯矩或发生沉陷时的解答。列维解收敛快，具有实用价值，但计算过程复杂，而且只适用于必须有一对边为简支的弯曲矩形板。弗莱彻(F l e c h e rHJ)和索恩(T h o n eC J)发展了列维法，使之可用于求解任意边界条件矩形板的弯曲，但计算过程仍很复杂【1 2 9】。利兹(R i t zW)法是以最小势能原理为基础求解弹性力学问题的一种近似计算法
43、，前提是所假设的位移必须是容许的1 1 3 0】。对于较简单的边界条件问题，容许位移或许能够假设出来，计算也较简单，解有一定的精度。但是对于复杂边界条件问题，容许位移难于假设，甚至往往假设不出来，这时利兹法失效，这是利兹法的一大缺点。利用利兹法所得到是不大于真实解的下限解。叠加法是铁木辛柯(T i m o s h e n k oSP)提出的，他应用叠加法系统地求解了一系列矩形板的弯曲问题1 1 3 1 J，并给出了很多数据和图表，以供参考使用。张福范发展了叠加法【1 3 2 J，他应用这一方法，成功地求解了像悬臂矩形板这样复杂边界条件矩形板的弯曲问题1 3 3。1 3 4 1。叠加法的优点是可
44、用于求解复杂边界条件矩形板的弯曲，缺点是对于相应问题的每一叠加项都需求解一个边值问题，有多少叠加项，就需要逐一地求解多少项的边值问题，计算过程非常复杂。采用结构力学中的力法、位移法或混合法，以承受各种横向荷载的四边简支矩形薄板为基本体系，根据边界条件可以求解微分方程中的各个待定系数及未知值，从而求得薄板晟后的挠度、斜率、内力和反力【1 3 5 1 3 6 1，但求解过程是很繁琐。黄炎提出了承受任意荷重，并满足四边以及四角为任意边界条件的矩形板的横向弯曲问题的一般解【1 3 7。1 3 9 1。付宝连提出了功的互等法 1 4 0 ，它是以修正的功互等定理为理论基础、求解板壳力学和弹性力学问题的一
45、个有效方法。功的互等法求解过程为：确定所求解问题的基本系统，并求出其基本解，在实际系统和基本系统之间应用修正的功的互等定理，从而得到实际系统的位移方程；根据该位移方程，导出实际系统的执行边界条件：解此边界方程，问题得解【1 4 I。1 删。徐琪楼提出了二邻边支承二邻边自由、对边支承另一对边自由、四边支承以及三边支承一边自由的弹性矩形薄板在板面荷载、板边荷载以及自由角点作用单位集中力等任意荷载作用下的弯曲统一求解方法，所得出理论值与有限元值比较山东大学硕士学位论文吻合f 1 4 7 小0 1。文献 1 5 1 1 5 2 解决了三角点支承一角点自由和一边固定一角点或二角点支承的矩形板在任意荷载作
46、用下的弯曲。将板柱结构矩形板的弯曲分为广义静定和广义超静定二类，对于前者可以利用四边边界条件和柱支座处的位移条件直接求解，对于广义超静定弯曲需要利用叠加法求解【1 5 3 1。但应用叠加法对广义超静定弯曲板求解时，解得在均布荷载作用下矩形板的一角点反力为零，这与现实不符，该公式的适用性有待验证。李定坤提出了仅在四边中点被支承方板在均布荷载作用下弯曲的解法【1 5 引，乐金朝等解决了集中荷载作用下四直边上任意点支承矩形板的弯曲问题【1 5 5 1。从国内外众多学者的研究工作可以看出，对边支承和点支承矩形薄板弯曲特性的研究，采用了如屈服线理论能量法、叠加法和虚功原理等各种方法。点支撑矩形板的弯曲研
47、究对建筑工程和机械工程结构的设计具有重要的理论与使用价值。1 4 本文研究内容本文为节能复合墙板的理论及试验研究，主要研究节能复合外墙板在风荷载作用下的受力机理，为研究方便，将风荷载等效为横向静力均布荷载。钢结构住宅预制复合墙板通常是一个开间为一块板，板角处设置套管、螺栓或预埋件保证墙板与钢结构的柔性连接，因此墙板可简化为四角点支承的板理论模型。本文结合工程中墙板的受力特点和边界条件，根据弹性力学中的弯曲薄板理论，参考国内外的相关研究结果，建立在横向均布荷载作用下四角点支承弹性矩形薄板的挠度计算公式，进行节能复合墙板挠度和内力的简化计算。利用通用有限元程序A N S Y S 对各试验墙板进行参
48、数分析，总结各个参数对墙板抗弯承载力的影响程度。本文试验对象为5 块外形尺寸为3 0 x 2 5 m(共4 块)和3 0 x 3 6 m(共1 块)的节能复合墙板，其中开洞口的墙板有两块，分别为3 0 2 5 m(共l 块，洞口尺寸1 5 1 8 m)及3 O x 3 6 m(共l 块，洞口尺寸1 5 x 2 1 m)。这种墙板是由双向斜钢丝与上下两层钢丝网形成空间受力桁架，中间夹以7 0 m m 厚的保温隔音材料(聚苯乙烯泡沫板)为芯材，内、外侧分别浇注3 5 m m 厚的混凝土层，构成钢丝网架一混凝土板组合结构。本文拟对上述5 块墙板进行横向均布荷载作用下的抗弯试验，利用数字静态应变仪自动
49、收集荷载、应变、位移数据；对各级荷载下的裂缝开展、分布进行详细的观察、记录：对这些数据进行整理分析，研究对比8山东大学硕士学位论文各试件的裂缝开展、分布特征，开裂荷载和破坏荷载的大小；给出各试件极限破坏特征及所属破坏形式。1 5 本文的理论与应用价值由于国内目前对于该类板材的抗弯性能的试验及理论分析不全面，本文拟通过对节能复合墙板的理论和试验研究，从而为国内该类板材的研究、应用提供更多的试验和理论依据，推进国家的墙改工作及建筑节能材料的发展，对新型建材的发展有着极重要的意义。9山东大学硕士学位论文第二章四点支承弹性矩形薄板挠度计算公式点支承矩形薄板的弯曲研究对建筑结构的设计具有重要的理论与使用
50、价值。国内外众多学者采用各种方法，如屈服线理论能量法、叠加法和虚功原理对点支承矩形薄板的弯曲特性做过研究。本文基于付宝连提出的弯曲矩形板的广义位移理论，讨论在横向均布荷载作用下四角点支承矩形薄板的弯曲问题，并验证其精古J j 乙o2 1 弹性薄板的小挠度弯曲理论2 1 1 基本定义由两个平行面和垂直于这两个平行面的柱面或棱柱面所围成的物体，称为板。两个平行面称为板面，两个板面之间的距离h 称为板的厚度，平分厚度h的平面称为板的中面。若板的厚度h 远小于中面的最小尺寸b(例如h b 8-h 1)3 2 2 式邙，x=|l。y=G|氕；口为单轴受拉应力应变曲线下降段的参数值；s，为与Z 相应的混凝