專利名稱：不銹鋼夾芯板抗彎承載力確定方法及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種夾芯板抗彎承載力確定方法及應(yīng)用，尤其涉及一種不銹鋼夾芯板 抗彎承載力確定方法及應(yīng)用。
背景技術(shù)：
不銹鋼絕熱用夾芯板是由上下兩塊強(qiáng)度較大的薄外層表板(承載層，彩鋼板)和 輕而質(zhì)軟的中間層(芯層，新型的秸稈等)通過粘結(jié)劑粘結(jié)或者澆注而成的。它具有明顯 的組合優(yōu)點(diǎn)，使其成為墻板與屋面板的理想應(yīng)用材料。金屬面層對(duì)芯層具有保護(hù)作用，使其 避免受機(jī)械損傷，防止風(fēng)化，隔離水與蒸汽，；而芯層可以將兩個(gè)面層連接成整體，共同承受 荷載，當(dāng)面層在荷載作用下發(fā)生屈曲時(shí)，芯層還可以支撐面層，增加面層抵抗屈曲的能力， 芯層還具有絕熱、隔音等作用?？煞謩e適用于不同的建筑需要，包括工業(yè)廠房、公共建筑、倉(cāng) 庫(kù)、組合房屋、凈化工程等多個(gè)建筑領(lǐng)域?，F(xiàn)有技術(shù)對(duì)于不銹鋼夾芯板抗彎承載力確定仍然 停留在實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)公式之上，不能得出精確的結(jié)論，由此，導(dǎo)致不能進(jìn)行精確的抗彎承載力 確定，大大制約了不銹鋼夾芯板的使用和推廣。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種不銹鋼夾芯板抗彎承載力確定方法及應(yīng)用， 克服現(xiàn)有技術(shù)中不能精確地進(jìn)行抗彎承載力確定的技術(shù)問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種不銹鋼夾芯板抗彎承載力確定方法，所述不銹鋼 夾芯板的面板為不銹鋼板，所述不銹鋼夾芯板的芯板為中間層通過粘結(jié)劑粘結(jié)或者澆注而 成，不銹鋼夾芯板抗彎承載力確定方法包括如下步驟采集不銹鋼夾芯板的相關(guān)參數(shù)采集不銹鋼夾芯板的跨度、不銹鋼夾芯板的寬度、 不銹鋼夾芯板芯板的剛度、不銹鋼夾芯板面板剛度、不銹鋼夾芯板芯材的有效截面面積、不 銹鋼夾芯板芯材的有效剪切模量、不銹鋼夾芯板面材的彈性模量、不銹鋼夾芯板芯材的彈 性模量、不銹鋼夾芯板面板厚度、不銹鋼夾芯板芯板的厚度。確定不銹鋼夾芯板的撓度不銹鋼夾芯板的撓度的確定包括集中荷載下的撓度和 均布荷載下的撓度，不銹鋼夾芯板集中荷載下的撓度采用以下公式獲取 不銹鋼夾芯板均布荷載下的撓度采用以下公式獲取 其中w表示夾芯板的總撓度；P表示夾芯板面板的荷載值；L表示夾芯板的跨度； E1表示面材的彈性模量J1表示上下金屬面對(duì)夾芯板中和軸的慣性矩；Arff表示夾芯板的有 效截面積；Grff表示夾芯板的有效剪切模量；k表示的是剪應(yīng)力不均勻系數(shù)，對(duì)于常見板型可以取為1.2。β表示夾芯板的剪力分配系數(shù)，
取值見表1.表1 系數(shù)RpR^RyR4取值表 確定所述不銹鋼夾芯板的抗彎承載力確定所述不銹鋼夾芯板的抗彎承載力由 荷載與抗抗彎承載力的關(guān)系確定不銹鋼夾芯板的抗彎承載力。本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是所述不銹鋼夾芯板包括墻面板和屋面板。本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是所述不銹鋼夾芯板的芯材為巖棉通過粘結(jié)劑粘結(jié)或 者澆注而成。本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是所述不銹鋼夾芯板的芯材為聚氨酯通過粘結(jié)劑粘結(jié) 或者澆注而成。本發(fā)明的技術(shù)方案是將不銹鋼秸桿夾芯板抗彎承載力確定方法應(yīng)用于不銹鋼秸 桿夾芯板構(gòu)件的承載力確定。本發(fā)明的技術(shù)效果是提供一種不銹鋼夾芯板抗彎承載力確定方法，通過確定不 銹鋼夾芯板集中荷載下的撓度和均布荷載下的撓度，然后精確確定不銹鋼夾芯板的抗彎承 載力。本發(fā)明對(duì)不銹鋼夾芯板的抗彎承載力精確地確定，可以更加精確地評(píng)估不銹鋼夾芯 板的安全性能，從而推進(jìn)了不銹鋼夾芯板的應(yīng)用。
圖1為本發(fā)明的流程圖。
圖2為本發(fā)明平面不銹鋼夾芯板剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明淺壓型不銹鋼夾芯板剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明深壓型不銹鋼夾芯板剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明夾芯板的力、應(yīng)力及變形一種示意圖。
圖6為本發(fā)明夾芯板的力、應(yīng)力及變形另一種示意圖。
圖7為本發(fā)明均布荷載下的平面夾芯板結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8為本發(fā)明壓型不銹鋼夾芯板的力及變形示意圖。
圖9為本發(fā)明壓型不銹鋼夾芯板分成夾層部分和翼緣結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10為本發(fā)明夾芯板在集中荷載下的受力示意圖。
圖11為本發(fā)明不銹鋼面巖棉墻面夾芯板剪力分配系數(shù)隨板厚變化曲線圖。
圖12為本發(fā)明不銹鋼面巖棉墻面夾芯板剪力分配系數(shù)隨面板厚度的變化曲線圖。圖13為本發(fā)明不銹鋼面聚氨酯墻面夾芯板剪力分配系數(shù)隨著板厚的變化曲線 圖。圖14為本發(fā)明不銹鋼面聚氨酯墻面夾芯板剪力分配系數(shù)隨面板厚度的關(guān)系曲線 圖。圖15為本發(fā)明COHESIVE單元應(yīng)力圖。圖16為本發(fā)明COHESIVE單元圖。圖17為本發(fā)明COHESIVE單元的線彈性-線性軟化本構(gòu)模型。圖18為本發(fā)明不銹鋼巖棉屋面夾芯板剪力分配系數(shù)與板厚度關(guān)系曲線圖。圖19為本發(fā)明不銹鋼巖棉屋面夾芯板剪力分配系數(shù)與面板厚度關(guān)系曲線圖。圖20為本發(fā)明不銹鋼玻璃絲棉屋面夾芯板剪力分配系數(shù)與板厚度關(guān)系曲線圖。圖21為本發(fā)明不銹鋼玻璃絲棉屋面夾芯板剪力分配系數(shù)與面板厚度關(guān)系曲線 圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)一步說明。如圖1所示，本發(fā)明的具體實(shí)施方式
是提供一種不銹鋼夾芯板抗彎承載力確定 方法，所述不銹鋼夾芯板的面板為不銹鋼板，所述不銹鋼夾芯板的芯板為中間層通過粘結(jié) 劑粘結(jié)或者澆注而成。本發(fā)明中，具體不銹鋼夾芯板所述不銹鋼夾芯板包括墻面板和屋面 板。不銹鋼夾芯板抗彎承載力確定方法包括如下步驟步驟100 采集不銹鋼夾芯板的相關(guān)參數(shù)采集不銹鋼夾芯板的跨度、不銹鋼夾芯 板的寬度、不銹鋼夾芯板芯板的剛度、不銹鋼夾芯板面板剛度、不銹鋼夾芯板芯材的有效截 面面積、不銹鋼夾芯板芯材的有效剪切模量、不銹鋼夾芯板面材的彈性模量、不銹鋼夾芯板 芯材的彈性模量、不銹鋼夾芯板面板厚度、不銹鋼夾芯板芯板的厚度。步驟200 確定不銹鋼夾芯板的撓度不銹鋼夾芯板的撓度的確定包括集中荷載 下的撓度和均布荷載下的撓度，不銹鋼夾芯板集中荷載下的撓度采用以下公式獲取 不銹鋼夾芯板均布荷載下的撓度采用以下公式獲取 其中各標(biāo)號(hào)與上述一樣。對(duì)于剪力分配系數(shù)的確認(rèn)，本發(fā)明通過建立模型進(jìn)行進(jìn)一步分析得出。具體過程 如下一、對(duì)夾芯板剛度的近似處理。
6
芯材與面板牢固粘結(jié)在一起，協(xié)同變形，并且若夾芯板的抗彎剛度為K，則如果將 夾芯板看作是復(fù)合梁的話，由于夾芯板由上下面板和芯材組成，根據(jù)材料力學(xué)剛度的計(jì)算 公式，則其對(duì)中心軸0-0抗彎剛度為 第一項(xiàng)為面板本身的剛度；第二項(xiàng)為面板相對(duì)于0-0的剛度；第三項(xiàng)為芯材本身 的剛度。在實(shí)際應(yīng)用中，公式(3)中的第二項(xiàng)起主要作用。第一，第三項(xiàng)的值一般比較小， 可以忽略?shī)A芯板本身剛度對(duì)整體剛度的貢獻(xiàn)。第三項(xiàng)與第二項(xiàng)的比值，對(duì)于普通軟質(zhì)芯材， 比如聚氨酯、EPS(聚苯乙烯)、巖棉、玻璃絲棉等其比值均小于1%，即可以忽略芯材本身剛 度的影響。由于不銹鋼夾芯板的芯材厚度不一，不銹鋼夾芯板包括淺壓型不銹鋼夾芯板、平 面不銹鋼夾芯板和深壓型不銹鋼夾芯板，一般屋面板為了防水一般采用深壓型的夾芯板， 而墻面板一般采用的是平面夾芯板或者淺壓型夾芯板。對(duì)于淺壓型、深壓型、平面不銹鋼夾芯板，其剛度可以表示為
(4)二、對(duì)不銹鋼夾芯板有效截面面積和有效剪切模量的近似處理。(一 )平面不銹鋼夾芯板。如圖2所示，平面不銹鋼夾芯板有效芯材厚度和芯材厚度近似相等，即有如下關(guān)系 ( 二)淺壓型不銹鋼夾芯板。如圖3所示，淺壓型不銹鋼夾芯板有效芯材厚度和芯材厚度近似相等，即有如下 關(guān)系
(6)(三)深壓型不銹鋼夾芯板。如圖4所示，深壓型不銹鋼夾芯板的有效芯材厚度和有效剪切模量等同芯材厚 度，芯材剪切模量關(guān)系如下 對(duì)于普通的屋面壓型夾芯板，d可以取為8. 0mm。三、材料力學(xué)中關(guān)于力和變形之間的關(guān)系在材料力學(xué)中，荷載和變形的關(guān)系可以表示如下。各種力和變形之間的關(guān)系表 四、平面不銹鋼夾芯板的撓度計(jì)算。將不銹鋼夾芯板的變形從兩個(gè)部分分別考慮，一是夾芯板的彎曲變形；另外一個(gè) 就是夾芯板的剪切變形。并將兩部分的變形相加可以得到夾芯板的總變形。對(duì)于平面不銹 鋼夾芯板，可以忽略由面板本身的抗彎剛度所帶來(lái)的剪力分配的因素，即可以假定剪力完 全由芯材承擔(dān)。對(duì)于軟質(zhì)芯材，可以假定彎矩完全由面板承擔(dān)；由上表可知，力和變形存在著如下的關(guān)系，其示意圖如圖5、圖6 : 圖5、圖6中，Y1為總的應(yīng)變，Y2為由彎曲引起的應(yīng)變，、為剪切應(yīng)變。由圖5、 圖6可以看出剪應(yīng)力幾乎全部由芯材承擔(dān)，即剪力由芯材承擔(dān)；而彎矩由面板的正應(yīng)力提{共。由彎矩，剪力和均布力之間的微分關(guān)系由材料力學(xué)可以得到如下等式 將等式(8)和等式(9)帶入等式(10)和(11)可得如下關(guān)系式 提取出關(guān)于Y和w的項(xiàng)可以得到 在實(shí)際情況下，通常彎矩和剪力是比較容易取得的。所以可以對(duì)等式(14)和等式
(16)
(15)進(jìn)行積分。得到如下的關(guān)系式 M V'
Γ π wr ----H-
剛￡
ν
·
(17)對(duì)于均布荷載的夾芯板如圖7c其中η =x/L，因此可以得到 M = ~—(η-η2) 2由等式(16)可以得至IJ
8 /_\
19)
/V
80101] 邊界條件為當(dāng)η = 0或者1的時(shí)候，Wl = 0 ；因此可以算得m =-l/12，n = Ot 因此可以得到
0098]
0099] 將等式(20)進(jìn)行兩次積分，m和n為常數(shù)項(xiàng)，可以得到
0100]
0102]
0103]
0104]
0105]
0106]
0107]
0108]
0109]
0110]
0111]
0112]
0113]
0114]
0115]
0116]
0117]
0118] 0119]
由剪切引起的變形為
對(duì)其進(jìn)行兩次積分得
(24)
界限條件為當(dāng)η = 0和1時(shí)，W2 = 0。可得m = -0. 5，n = 0，因此其值為
(25)
2AeffGeff
所以?shī)A芯板的總變形為 可知當(dāng)η = 0. 5的時(shí)候，w可以取得最大值
由等式(6)可以將上式化為
原抗彎承載力公式需要改為 卜 Spbl4 | Kfipbl2
其中=E1——金屬面板的彈性模量；單位MPa ；
I1——上下鋼板相對(duì)于中性軸的慣性矩；單位MIa 上下鋼板對(duì)夾芯板中和軸的慣性矩I1近似計(jì)算公式
其中，Au*上鋼板的界截面面積；Ad為下鋼板的截面面積；D。為夾芯板厚；d為屋 面板上鋼板形心軸到底面的距離，常見屋面板取為8. 0575mm。芯材本身的慣性矩I2近似計(jì)算公式 其中，b為夾芯板寬度；D為夾芯板厚度；d為屋面板上鋼板形心軸到底面的距離， 常見屋面板取為8. 0575mm。五、壓型不銹鋼夾芯板的撓度計(jì)算。(一 )壓型不銹鋼夾芯板在均布荷載下的撓度計(jì)算。當(dāng)夾芯板所用的面板為壓型鋼板的時(shí)候，需要考慮面板本身的抗彎剛度。圖8給 出了在這種情況下的力和變形的情況。與圖5不同的是它考慮了面板本身所承擔(dān)的彎矩Mfi 和Mf2，還有面板本身所承受的剪力Vfi和VF2。由等式(8)和等式(9)所得到的力和變形的關(guān)系沒有改變。而且還有了如下的關(guān) 系Mfi = -KfiW “ = E1IfiW" Mf2 = -KF2w" = E1If2W"(32)Vfi = -KF1w “ ‘ =E1IfiW" ‘ VF1 = -KF2W〃 ‘ =E1IfiW" ‘ (33)其中，Kfi為上面板的剛度，Ifi為上面板本身慣性矩；Kf2為下面板的剛度，If2為下 面板的慣性矩。由于上下鋼板力與變形的比值是相同的，所以可以有如下關(guān)系式Md = Mfi+Mf2 M = MD+MC (34)Vd = VF1+VF2 V = VD+VC (35)Kd = KF1+KF2 K = KD+KC (36)上面的等式，將夾芯板分成了夾層部分和翼緣的部分，如圖9所示。這種假設(shè)在實(shí) 際的應(yīng)用中是比較實(shí)用的。從等式(8)、等式(9)、等式(32)和等式(33)，結(jié)合等式(34)、等式(35)和等式
3-36)可以得到以下兩個(gè)微分方程AeffGYr-KDw〃 ‘ =V (37)
Kc -KDw “ =M(38)
將V'=-p帶入，并且小區(qū)γ可以得到一個(gè)關(guān)于w的四階微分方程
其中L是夾芯板的跨度；α，δ和λ 2的取值分別如下 類似的，在等式(37)和等式(38)中消去w可得 當(dāng)夾芯板的彎矩和剪力已知的時(shí)候，等式(39)和(41)的解為
其中％和Yp是與荷載有關(guān)的積分特解。因?yàn)榻獗仨殱M足等式(8)，可以得到如 下的關(guān)系式 因此等式(42)和(43)的積分常數(shù)項(xiàng)系數(shù)變?yōu)榱怂膫€(gè)，并且這些積分常數(shù)項(xiàng)系數(shù) 可以由邊界條件得到，對(duì)于簡(jiǎn)支夾芯板，邊界條件為w(0) =0 w〃 (0) = 0 w (L) = 0 w〃 (L) = 0 (45)對(duì)于均布荷載，由公式(18)、公式(19)可得如下關(guān)系 將等式(46)帶入式子(39)可以得到，得到公式(8)中的特解為 將等式(46)帶入等式(41)中可以得到，公式(43)中的特解為 將邊界條件(45)帶入等式(42)和等式(43)可以得到 可以解得如下關(guān)系式 因此最終的解為 跨中撓度可以取到最大值，將η = 0. 5帶入等式(48)可以得至Ij
可以看出，上式計(jì)算很繁瑣，實(shí)際工程中應(yīng)用性并不強(qiáng)。因此下面基于相同的理論 對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化。由圖9可以看出，可以將壓型夾芯板分為兩部分，一部分是壓型鋼板本身的剛度 所承擔(dān)的剪力和彎矩。另外一部分，是夾層部分，即由芯材所承擔(dān)的剪力以及由面板的軸力 及芯材本身所承擔(dān)的彎矩。假設(shè)兩個(gè)部分是獨(dú)立的，但是在接觸點(diǎn)又是協(xié)同變形的。在這 里引入了兩個(gè)系數(shù)，即夾層部分的彎矩分配系數(shù)ε，和夾層的剪力分配系數(shù)(近似等于芯 材的剪力分配系數(shù))β。因此由等式(8)和等式(9)可以得到如下關(guān)系
0168]Mc = Kc( γ ‘ -w" ) (53)
0169]Md = -KDw “(54)
0170]Vd = -KDw “ ‘(55)
0171]Vc = AeffGeff γ (56)
0172]由等式(34)和(35)可以得到如下等式
0173]
0183]
0184]
0185]
0186]
0174] 由等式(53) (54)可以得到如下等式
0175] 0176]
0177]并可以得到如下關(guān)系
0178]Kc(y ‘ -w〃 ) = ε M AeffGeff γ = βν (60)
0179]由等式(10)及等式(11)可得
0180]Kc(y “ -w" ‘ )/ ε = AeffGeff γ / β (61)
0181]
0182]提出關(guān)于w和Y的項(xiàng)可以得到如下關(guān)系
由彎曲和剪力引起的撓度分別如下
0187] 對(duì)于均布荷載，可以得到其力矩與剪力分別如下0204]因此公式(72)可以轉(zhuǎn)化為下面等式
0206]對(duì)于淺壓型夾芯板由等式(6)可得
0189] 將等式(66)帶入等式(65)，并進(jìn)行兩次積分可以得到如下等式 sPL“
0192]對(duì)于簡(jiǎn)支夾芯板，當(dāng)η = O或者1的時(shí)候，W1 = 0，W2 = 0 ；得到如下等式
0195]所以總的變形計(jì)算公式如下
0196]
0197]因此當(dāng)η = 0. 5的時(shí)候，跨中撓度可以取到最大值
(72)
0199]對(duì)于芯材的剪力分配系數(shù)β可以用有限元的方法確定，并引入了剪應(yīng)力不均勻 分配系數(shù)k，及公式(72)中β取為ki3，其中β的具體計(jì)算方法為
0201]其中，F(xiàn)為支座附近夾芯材料截面的平均剪應(yīng)力，A為夾芯材料截面的面積，Q為該 處的總的剪力值而由實(shí)際情況中夾芯板的剪應(yīng)力沿著板厚的分布并不是均勻分布的，可以 取一剪應(yīng)力不均勻分配系數(shù)k，對(duì)于矩形截面可以近似取為1. 2。
0202]對(duì)于夾芯部分的彎矩分配系數(shù)可以做如下變換
0208] Kc為夾芯板的夾層部分的抗彎剛度。
(88)對(duì)于荷載左端的參考點(diǎn)其值為
(89)將荷載兩端的剪切變形和彎曲變形分別相加可以得到在荷載左端和右端的變形 的表達(dá)式
(90)
(91)其中
(92)對(duì)于荷載在跨中位置的情況?？梢运愕么藭r(shí)彎矩的最大值最大值出現(xiàn)在跨中位 置，因此可以由公式(90)或者(91)結(jié)合等式(92)進(jìn)行計(jì)算
(93) 由等式(74)可以得到 并且等式(94)是偏于保守的同均布荷載情況，引入一個(gè)剪力不均勻分配系數(shù)k，將剪力分配系數(shù)β變?yōu)閗i3。 則公式(93)可以簡(jiǎn)化為如下的形式
95)六、不銹鋼夾芯板作為墻面板的剪力分配系數(shù)。對(duì)于不銹鋼墻面板并沒有明顯的表板，芯材剝離情況，故其可以不考慮粘結(jié)損傷。 可以分別建立巖棉和玻璃絲棉的有限元模型分別進(jìn)行研究。(一 )建立不銹鋼面墻面板模型假設(shè)抗彎試驗(yàn)中，夾芯板面板與芯材處于線彈性階段。面板與芯材并無(wú)滑移，完全 保證共同工作，采用的是面板與芯材TIE約束到一起。支座用與面板以相同的材質(zhì)來(lái)建立， 以保持與板的一致性。其寬度為50mm，兩個(gè)鋼片間的距離為1950mm。面板采用的是三維殼 單元，采用S4R(4節(jié)點(diǎn)減縮積分)模型。芯材為三維實(shí)體單元，采用C3D8R(8節(jié)點(diǎn)減縮積 分)模型。分析步采用的是static general，在夾芯板的上鋼板施加均布荷載，支座約束為 簡(jiǎn)支。巖棉材料性能參數(shù)由材料性能性試驗(yàn)得到，具體設(shè)置如下。(1)對(duì)于薄板采用各向同性，主要考慮的是軸向受拉，故其參數(shù)采用順紋向拉伸彈
(2)對(duì)于厚板采用的是各向異性，主要考慮的是軸向順紋受拉，寬度方向逆紋受 壓，橫向?yàn)轫樇y受壓，具體的參數(shù)由材料性能實(shí)驗(yàn)得到，具體參數(shù)設(shè)定為E1 = 8. 326MPa, E2 = 0. 238MPa, E3 = 3. 29MPa, V1 = V2 = V3 = 0. 13，G1 = 0. 35MPa,G2 = 1. 56MPa, G3 = 0. 35MPa玻璃絲棉材料性能參數(shù)由材料性能實(shí)驗(yàn)得到，具體設(shè)置如下(1)對(duì)于薄板采用各向同性，主要考慮的是軸向受拉，故其參數(shù)采用順紋向拉伸彈 性模量:E = 7. 7MPa, ν = 0. 13(2)對(duì)于厚板采用的是各向異性，主要考慮的是軸向順紋受拉，寬度方向逆紋受 壓，橫向?yàn)轫樇y受壓，具體的參數(shù)由材料性能實(shí)驗(yàn)得到，具體參數(shù)設(shè)定為=E1 = 7. 7MPa,E2 = 0. 06MPa, E3 = 1. 59MPa, V1 = v2 = v3 = 0. 13，G1 = 0. 23MPa, G2 = 1. 5MPa, G3 = 0. 23MPa。對(duì)于各向異性材料1方向?yàn)檠匕彘L(zhǎng)的方向；2方向?yàn)檠匕鍖挾鹊姆较颍?方向?yàn)檠?板厚度的方向。巖棉沿板寬度方向?yàn)槟婕y向放置，沿板長(zhǎng)和厚度方向?yàn)轫樇y向放置。( 二)不銹鋼夾芯板作為墻面板的剪力分配系數(shù)確定。1、不銹鋼巖棉夾芯板作為墻面板的剪力分配系數(shù)確定由于夾芯板的變形很大，往往設(shè)計(jì)中采用f = L/200作為極限設(shè)計(jì)指標(biāo)，即使用狀 態(tài)限制，分析中為了得到剪力分配系數(shù)值與板厚和面板厚度的關(guān)系，模型共采用了 50、60、 70、80、90、IOOmm六種板厚，和0. 4、0. 5、0. 6、0. 7mm四種面板厚度進(jìn)行分析，共建立了 48個(gè) 有限元模型。模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果如表2。由表2可以看出，理論計(jì)算結(jié)果與有限元模 擬結(jié)果相比誤差比較小基本控制在10%以內(nèi)，故其具有一定的適用性。而且實(shí)驗(yàn)值與理論 計(jì)算值的誤差控制在了 9. 3%且計(jì)算結(jié)果偏于保守，所以計(jì)算結(jié)果符合要求。表2巖棉墻面板模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比 為了研究剪力分配系數(shù)與不銹鋼巖棉夾芯板厚度和面板的厚度的關(guān)系，圖11、圖 12給出了剪力分配系數(shù)與不銹鋼巖棉夾芯板板厚和面板厚度的關(guān)系曲線。由上圖可以看出 剪力分配系數(shù)隨著板厚的變化近似成二次關(guān)系，并且變化值比較大。隨面板的厚度近似成 其中，D為夾芯板厚，d為面板厚度。2、不銹鋼玻璃絲棉夾芯板作為墻面板的剪力分配系數(shù)確定。玻璃絲棉墻面板的模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表3所示。表3玻璃絲棉墻面板模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比 由表3可以看出，理論計(jì)算結(jié)果與有限元模擬結(jié)果相比誤差比較小基本控制在 10%以內(nèi)，故其具有適用性。而且實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值的誤差控制在了 0. 9%且計(jì)算結(jié)果偏 于保守，所以計(jì)算結(jié)果符合要求。為了研究剪力分配系數(shù)與板厚和面板的厚度之間的關(guān)系，圖13為不銹鋼玻璃絲 棉夾芯板剪力分配系數(shù)與板厚關(guān)系曲線圖，圖14為不銹鋼玻璃絲棉夾芯板剪力分配系數(shù) 與板厚關(guān)系曲線圖。不銹鋼-玻璃絲棉墻面板剪力分配系數(shù)關(guān)于板厚的關(guān)系曲線可以取為二次，關(guān)于 面板厚度的關(guān)系取為一次。不銹鋼-玻璃絲棉墻面板的剪力分配系數(shù)的線性回歸結(jié)果如下 二、不銹鋼夾心板作為屋面板的剪力分配系數(shù)。(一 )建立不銹鋼面屋面板模型。假設(shè)抗彎試驗(yàn)中，夾芯板面板與芯材處于線彈性階段。支座用與面板相同的材 質(zhì)建立，以保持與板的一致性，其寬度為50mm，兩個(gè)鋼片間的距離為1950mm，每跨長(zhǎng)為 1950mm，對(duì)于屋面板可以看出其面板與芯材的粘結(jié)并不理想，特別是下層鋼板與芯材幾乎 完全剝離。所以需要對(duì)其粘結(jié)損傷進(jìn)行考慮，而不能簡(jiǎn)單的TIE到一起。巖棉材料性能參數(shù)由材料性能性試驗(yàn)得到，具體設(shè)置如下。(1)對(duì)于薄板采用各向同性，主要考慮的是軸向受拉，故其參數(shù)采用順紋向拉伸彈 性模量:E = 8. 326MPa, ν = 0. 13
(2)對(duì)于厚板采用的是各向異性，主要考慮的是軸向順紋受拉，寬度方向逆紋受 壓，橫向?yàn)轫樇y受壓，具體的參數(shù)由材料性能實(shí)驗(yàn)得到，具體參數(shù)設(shè)定為 玻璃絲棉材料性能參數(shù)由材料性能實(shí)驗(yàn)得到，具體設(shè)置如下(1)對(duì)于薄板采用各向同性，主要考慮的是軸向受拉，故其參數(shù)采用順紋向拉伸彈 性模量:E = 7. 7MPa, ν = 0. 13(2)對(duì)于厚板采用的是各向異性，主要考慮的是軸向順紋受拉，寬度方向逆紋受 壓，橫向?yàn)轫樇y受壓，具體的參數(shù)由材料性能實(shí)驗(yàn)得到，具體參數(shù)設(shè)定為=E1 = 7. 7MPa,E2 = 0. 06MPa, E3 = 1. 59MPa, V1 = v2 = v3 = 0. 13，G1 = 0. 23MPa, G2 = 1. 5MPa, G3 = 0. 23MPa。對(duì)于各向異性材料1方向?yàn)檠匕彘L(zhǎng)的方向；2方向?yàn)檠匕鍖挾鹊姆较颍?方向?yàn)檠?板厚度的方向。巖棉沿板寬度方向?yàn)槟婕y向放置，沿板長(zhǎng)和厚度方向?yàn)轫樇y向放置。粘結(jié)損傷可以用COHESIVE單元進(jìn)行模擬。采用厚度可以設(shè)置為0. 0001米，以符合 實(shí)際情況。其采用各向同性模型，彈性模量取為9MPa采用三維實(shí)體單元，即采用COHESIVE 的八節(jié)點(diǎn)線性單元。(二)粘結(jié)單元本構(gòu)關(guān)系。為了對(duì)粘結(jié)層進(jìn)行模擬，在面板與芯層之間加入一個(gè)新的區(qū)域，建立一種新的單 元。在ABAQUS中，稱這種單元為COHESIVE單元，這個(gè)新的區(qū)域可以看作是一層樹脂層所過 剩的區(qū)域。但又與單純的樹脂區(qū)域不同，它的主要作用是連接上下兩個(gè)單層。其上下兩個(gè) 表面由COHESIVE牽弓丨力連接，這個(gè)COHESIVEtraction與上下表面的間距有關(guān)，這個(gè)關(guān)系稱 為“COHESIVE law”或者是“Traction-s印erationlaw”。粘結(jié)面上的作用力分為三種，一 種是法向的正應(yīng)力tn，另外兩個(gè)是切向的剪應(yīng)力％和tt，圖15為COHESIVE單元應(yīng)力圖、圖 16為COHESIVE單元圖，圖17為COHESIVE單元的線彈性-線性軟化本構(gòu)模型。設(shè)碎= 是圖17中曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積，稱其為臨界應(yīng)變能釋放率。 即⑷鴣=碎 圖17為COHESIVE單元的線彈性_線性軟化本構(gòu)模型，假設(shè)粘結(jié)區(qū)域有一個(gè)厚度 Tc,即為模型中所建Part的厚度(其值為0. 0001m)。那么所對(duì)應(yīng)的三個(gè)應(yīng)變就是
時(shí)，為損傷軟化區(qū)域，此時(shí)有 20 其中，D是損傷系數(shù)，0彡D彡1。當(dāng)D = 0時(shí)，表示材料沒有屈服或剛開始屈服； 當(dāng)D = 1時(shí)，表示材料破壞，失去承載能力。當(dāng)δ > δ_時(shí)，材料已經(jīng)失去了承載能力，相當(dāng)于粘結(jié)區(qū)域破壞，夾芯板發(fā)生分層。圖17中0點(diǎn)還未承擔(dān)荷載，1點(diǎn)處于彈性區(qū)，2點(diǎn)屈服，3點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)入軟化區(qū)，4點(diǎn) 則剛剛破壞，5點(diǎn)已經(jīng)破壞分層。由于層合板分層往往不是由某種單一的開裂模式所導(dǎo)致，單獨(dú)考慮某一種開裂模 式都不能對(duì)分層進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，所以必須考慮混合模式的開裂準(zhǔn)則。在模型中我采用的 是B-K開裂準(zhǔn)則，即 其中& = &+‘& = 611+‘對(duì)于聚氨酯復(fù)合材料，指數(shù)η =2。當(dāng)給定了 Gcn，Gcs, n后，材料的臨界應(yīng)變釋放率Ge就是GS/GT確定的函數(shù)。( 二)不銹鋼夾芯板作為屋面板的剪力分配系數(shù)確定。本模型中采用的是下層面板和芯材間加入一層COHESIVE實(shí)體單元，來(lái)模擬粘結(jié)。 通過驗(yàn)證，其比較復(fù)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。共建立了六種厚度(50，60，70，80，90，100mm)和四種面板 厚度(0.4，0.5，0.6，0.7mm)共48個(gè)有限元模型來(lái)研究。表4為不銹鋼巖棉屋面夾芯板模 擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比。表4不銹鋼巖棉屋面夾芯板模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比 由表4可以看出，理論計(jì)算結(jié)果與有限元模擬結(jié)果相比誤差比較小基本控制在 10 %以內(nèi)，故其具有一定的適用性。而且實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值的誤差控制在了 4. 0 %且計(jì)算 結(jié)果偏于保守，所以計(jì)算結(jié)果符合要求。圖18為本發(fā)明不銹鋼巖棉屋面夾芯板剪力分配系數(shù)與板厚度的關(guān)系曲線圖，圖 19為本發(fā)明不銹鋼巖棉屋面夾芯板剪力分配系數(shù)與面板厚度的關(guān)系曲線圖。從圖18和圖 19可以看出剪力分配系數(shù)隨著板厚的變化近似成二次關(guān)系，并且變化值比較大。隨著面板 的厚度近似成線性關(guān)系，變化值比較小。為了保持一致性，不銹鋼-巖棉屋面板剪力分配系 數(shù)關(guān)于板厚的關(guān)系曲線取為二次，關(guān)于面板厚度的關(guān)系近似取為一次。其剪力分配系數(shù)的 擬合結(jié)果如下
不銹鋼玻璃絲棉屋面夾芯板模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表5所示。表5不銹鋼玻璃絲棉屋面夾芯板模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比 由表5可以看出，除了個(gè)別值外，理論計(jì)算結(jié)果與有限元模擬結(jié)果相比誤差比較 小基本控制在10%以內(nèi)，故其具有一定的適用性。而且實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值的誤差控制在 了 1.3%且計(jì)算結(jié)果偏于保守，所以計(jì)算結(jié)果符合要求。圖20為不銹鋼玻璃絲棉屋面夾芯板剪力分配系數(shù)與板厚度的關(guān)系曲線，圖21不 銹鋼玻璃絲棉屋面夾芯板剪力分配系數(shù)與面板厚度的關(guān)系曲線圖。將不銹鋼-玻璃棉屋面 板剪力分配系數(shù)關(guān)于板厚的關(guān)系曲線取為二次，關(guān)于面板厚度的關(guān)系近似可以取為一次。 其曲線擬合的結(jié)果如下 綜上所述
取值見表丄·表1 系數(shù)RpRyRy R4取值表 步驟300 確定所述不銹鋼夾芯板的抗彎承載力由荷載與抗抗彎承載力的關(guān)系 確定不銹鋼夾芯板的抗彎承載力。
由于夾芯板的撓度與撓度允許值有如下關(guān)系wmax彡[f][f]參見國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑用金屬面絕熱夾芯板》(GB/T 23932-2009)中撓度的限 值。則集中荷載確定 局部荷載的確定 對(duì)于淺壓型和平面型夾芯板(墻面板)Aeff ^ Ac ；Geff ^ G其中Ac為芯材的截面面積；G為芯材的剪切模量。對(duì)于深壓型夾芯板(屋面板)Geff = Gc (Dc+d) /Dc ；Aeff = Ac (Dc+d) /Dc其中Dc為夾芯板芯板厚度；d取為8. 0mm。從而確定不銹鋼夾芯板的抗彎承載力。本發(fā)明不銹鋼夾芯板抗彎承載力確定方法，通過確定不銹鋼夾芯板集中荷載下的 撓度和均布荷載下的撓度，然后精確確定不銹鋼夾芯板的抗彎承載力。本發(fā)明對(duì)不銹鋼夾 芯板的抗彎承載力精確地確定，可以更加精確地評(píng)估不銹鋼夾芯板的安全性能，從而推進(jìn) 了不銹鋼夾芯板的應(yīng)用。本發(fā)明的具體實(shí)施方式
是將不銹鋼夾芯板抗彎承載力確定方法應(yīng)用于不銹鋼秸 桿夾芯板構(gòu)件的承載力確定。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定 本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說，在 不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的 保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種不銹鋼夾芯板抗彎承載力確定方法，其特征在于，所述不銹鋼夾芯板的面板為不銹鋼板，所述不銹鋼夾芯板的芯板為中間層通過粘結(jié)劑粘結(jié)或者澆注而成，不銹鋼夾芯板抗彎承載力確定方法包括如下步驟采集不銹鋼夾芯板的相關(guān)參數(shù)采集不銹鋼夾芯板的跨度、不銹鋼夾芯板的寬度、不銹鋼夾芯板芯板的剛度、不銹鋼夾芯板面板剛度、不銹鋼夾芯板芯材的有效截面面積、不銹鋼夾芯板芯材的有效剪切模量、不銹鋼夾芯板面材的彈性模量、不銹鋼夾芯板芯材的彈性模量、不銹鋼夾芯板面板厚度、不銹鋼夾芯板芯板的厚度。確定不銹鋼夾芯板的撓度不銹鋼夾芯板的撓度的確定包括集中荷載下的撓度和均布荷載下的撓度，不銹鋼夾芯板集中荷載下的撓度采用以下公式獲取 <mrow><msub> <mi>w</mi> <mi>max</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <msup><mi>Pl</mi><mn>3</mn> </msup> <mrow><mn>48</mn><msub> <mi>E</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>I</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac> <mi>kβPL</mi> <mrow><mn>4</mn><msub> <mi>A</mi> <mi>eff</mi></msub><msub> <mi>G</mi> <mi>eff</mi></msub> </mrow></mfrac> </mrow>不銹鋼夾芯板均布荷載下的撓度采用以下公式獲取 <mrow><mi>w</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>5</mn><mi>p</mi><msup> <mi>l</mi> <mn>4</mn></msup> </mrow> <mrow><mn>384</mn><msub> <mi>E</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>I</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac> <mrow><mi>kβp</mi><msup> <mi>l</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow> <mrow><mn>8</mn><msub> <mi>A</mi> <mi>eff</mi></msub><msub> <mi>G</mi> <mi>eff</mi></msub> </mrow></mfrac> </mrow>其中w表示夾芯板的總撓度；P表示夾芯板面板的荷載值；L表示夾芯板的跨度；E1表示面材的彈性模量；I1表示上下金屬面對(duì)夾芯板中和軸的慣性矩；Aeff表示夾芯板的有效截面積；Geff表示夾芯板的有效剪切模量；k表示的是剪應(yīng)力不均勻系數(shù)，對(duì)于常見板型可以取為1.2。β表示夾芯板的剪力分配系數(shù)，R1、R2、R3、R4取值見表1.表1系數(shù)R1、R2、R3、R4取值表確定所述不銹鋼夾芯板的抗彎承載力確定所述不銹鋼夾芯板的抗彎承載力由荷載與抗抗彎承載力的關(guān)系確定不銹鋼夾芯板的抗彎承載力。FSA00000189234800013.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不銹鋼夾芯板抗彎承載力確定方法，其特征在于，所述不銹 鋼夾芯板包括墻面板和屋面板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的不銹鋼夾芯板抗彎承載力確定方法，其特征在于，所述不銹鋼夾芯板的芯材為巖棉通過粘結(jié)劑粘結(jié)或者澆注而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的不銹鋼夾芯板抗彎承載力確定方法，其特征在于，所述不 銹鋼夾芯板的芯材為聚氨酯通過粘結(jié)劑粘結(jié)或者澆注而成。
5.一種應(yīng)用不銹鋼夾芯板抗彎承載力確定方法的不銹鋼夾芯板，其特征在于，將不銹 鋼秸桿夾芯板抗彎承載力確定方法應(yīng)用于不銹鋼秸桿夾芯板。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種不銹鋼夾芯板抗彎承載力確定方法，所述不銹鋼夾芯板的面板為不銹鋼板，所述不銹鋼夾芯板的芯板為中間層通過粘結(jié)劑粘結(jié)或者澆注而成，不銹鋼夾芯板抗彎承載力確定方法包括如下步驟采集不銹鋼夾芯板的相關(guān)參數(shù)，確定不銹鋼夾芯板的撓度，確定所述不銹鋼夾芯板的抗彎承載力。本發(fā)明不銹鋼夾芯板抗彎承載力確定方法，通過確定不銹鋼夾芯板集中荷載下的撓度和均布荷載下的撓度，然后精確確定不銹鋼夾芯板的抗彎承載力。本發(fā)明對(duì)不銹鋼夾芯板的抗彎承載力精確地確定，可以更加精確地評(píng)估不銹鋼夾芯板的安全性能，從而推進(jìn)了不銹鋼夾芯板的應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01N3/20GK101900653SQ201010215449
公開日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者宋新武, 查曉雄 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院