羅 燁 鈳

(浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江 紹興 312000)

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偏心荷載作用下隱框保溫墻體有限元模型的建立★

羅 燁 鈳

(浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江 紹興 312000)

應(yīng)用ANSYS 結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，對(duì)偏心荷載作用下的4個(gè)隱框保溫墻體進(jìn)行了分析，探討了墻板中鋼筋應(yīng)力的變化及墻板受壓承載力，通過(guò)比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了該墻板有限元分析方法的可行性。

隱框保溫墻體，有限元模型，受壓承載力，偏心荷載

隱框保溫墻體是一種新型環(huán)保型保溫墻體。該墻體由環(huán)保型廢棄塑料改性砌塊組砌并在墻體預(yù)留孔洞中澆筑鋼筋混凝土隱形框架形成整體。針對(duì)前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)ANSYS結(jié)構(gòu)有限元分析軟件建立有限元結(jié)構(gòu)分析模型，研究了偏壓荷載作用下的墻體承載力以及鋼筋應(yīng)變情況，通過(guò)比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果，對(duì)該墻板的有限元計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：本文提出的偏心荷載作用下隱框保溫墻體有限元模型的計(jì)算結(jié)果可靠度較高，可以滿足工程要求。

1 有限元模型的建立

1.1 建模過(guò)程的確定

由于模型計(jì)算結(jié)果的精度和墻體的組成、材料本構(gòu)模型、邊界處理方式、材料間相互作用、塊材間組合方式、有限元模型建立方法有很大關(guān)系。同時(shí)為了能夠分析模型在加載過(guò)程中的破壞模式，鋼筋應(yīng)變等重要數(shù)據(jù)，如何建模以及模型建立過(guò)程中如何確定參數(shù)是關(guān)鍵[1，2]。

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，墻體內(nèi)混凝土、鋼筋以及砌塊之間的尺寸關(guān)系，建?？紤]自底向上的先建立點(diǎn),再由點(diǎn)連成線,然后由線組合成面,最后由面組合成體的分離式有限元模型。這樣建模工作量雖大，但能夠明確知道有限元模型中各個(gè)單元位置，利于模型加載后的數(shù)據(jù)分析，能夠清晰了解結(jié)構(gòu)內(nèi)各個(gè)部位內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變情況。

在具體建立墻體模型時(shí)，考慮模型內(nèi)混凝土和塊材用Solid65單元，用Link8單元建立混凝土柱中鋼筋模型，其節(jié)點(diǎn)和混凝土單元共用，使得二者變形協(xié)調(diào)，這樣可直觀地獲得鋼筋的應(yīng)力。同時(shí)試樣上下加載鋼板采用Solid45單元。試樣的有限元分析模型和單元?jiǎng)澐秩鐖D1所示。

1.2 墻板中不同材料的本構(gòu)模型

(1)

混凝土強(qiáng)度準(zhǔn)則按照William-Warnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則，能較好反映混凝土在三軸應(yīng)力狀態(tài)下的破壞特性。

2)砌塊本構(gòu)模型，砌塊在單軸應(yīng)力下的本構(gòu)關(guān)系見(jiàn)式(2)[5]。

σ砌=0.056 9ε砌0.673 4

(2)

其中,σ砌為砌塊的應(yīng)力，MPa；ε砌為砌塊的應(yīng)變，×10-5。砌塊的破壞準(zhǔn)則同混凝土。

混凝土與砌塊的連接一律考慮為固結(jié)，二者在有限元分析時(shí)規(guī)定材料開(kāi)裂面的抗剪等修正系數(shù)、材料閉合面的抗剪等修正系數(shù)等，均考慮對(duì)裂縫的處理。這樣使模型計(jì)算較簡(jiǎn)單，省時(shí)，易收斂，可較好模擬開(kāi)裂前后的三維應(yīng)力狀況。

3)鋼筋的本構(gòu)模型。鋼筋本構(gòu)關(guān)系根據(jù)文獻(xiàn)[6]提供的二折線模型，鋼筋牌號(hào)為HPB300級(jí)的鋼，假定其拉、壓屈服強(qiáng)度相等。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試樣

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了四片相同高度和相同配筋的墻體試樣，外形尺寸為600 mm×125 mm×900 mm，高厚比為7.2，墻體內(nèi)隱框混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20，其中再生ABS工程塑料摻量均為5%，施壓偏心距分別為200 mm，150 mm，100 mm，50 mm。用于測(cè)試不同偏心距對(duì)墻體的變形、承載力等性能的影響，各試樣編號(hào)為WP1～WP4，配筋情況見(jiàn)圖2，與試樣澆筑一體的上下鋼筋混凝土梁為荷載分配梁。

2.2 材料的物理力學(xué)性能

試樣中鋼筋為HPB300級(jí)鋼筋，直徑為6，實(shí)測(cè)截面面積為31.27 mm2，屈服強(qiáng)度f(wàn)y=341.31 MPa，極限強(qiáng)度f(wàn)u=543.02 MPa，屈服應(yīng)變0.163%，延伸率12.31%。砌塊彈性模量1 105 N/mm2，含水率為14.1%，干容重為620 kg/m3，立方體抗壓強(qiáng)度為2.01 N/mm2，棱柱體抗壓強(qiáng)度為1.56 N/mm2[6]。混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C20，具體指標(biāo)如表1所示[7]。

表1 混凝土強(qiáng)度指標(biāo)

3 偏心荷載下墻體有限元分析

應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件程序?qū)w模型進(jìn)行分析。根據(jù)設(shè)計(jì)，在模型頂部設(shè)定偏心位置施加豎向偏心荷載；墻頂平面外側(cè)向位移作約束，墻底固接；采用力的收斂準(zhǔn)則、增量法進(jìn)行加載[8]。

3.1 模型的極限荷載

表2 結(jié)果比對(duì)

表2所列的是試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析的對(duì)比情況?？梢?jiàn)有限元分析模型的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果很接近，比如試樣WP1的對(duì)比結(jié)果幾乎相同，而即使WP3的比對(duì)差距最大，但也能滿足工程要求。

3.2 荷載—位移分析

為了驗(yàn)證墻體有限元模型分析結(jié)果精度的合理性，選取了模型上端中部作為分析對(duì)象，研究其應(yīng)變—荷載關(guān)系曲線，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖3。從圖3來(lái)看，有限元模型與試驗(yàn)結(jié)果的吻合度較理想。

3.3 試樣鋼筋的應(yīng)變分析

在分析試樣豎向荷載—位移曲線基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步驗(yàn)證墻體有限元計(jì)算模型，選取了模型內(nèi)上部鋼筋作為分析對(duì)象，研究其應(yīng)變—荷載關(guān)系曲線，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖4。從圖4來(lái)看，有限元模型與試驗(yàn)結(jié)果的吻合度十分理想。

4 結(jié)語(yǔ)

該墻體有限元數(shù)值模型是以自底向上方式建立的，通過(guò)細(xì)致建模綜合分析，有限元計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合理想，有限元計(jì)算模型具有較高可信度，滿足工程精度要求，可以在精細(xì)分析各項(xiàng)參數(shù)和試驗(yàn)因素條件下進(jìn)行擴(kuò)展計(jì)算和分析。通過(guò)既有試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證有限元結(jié)構(gòu)分析模型并反向指導(dǎo)試驗(yàn)研究的開(kāi)展，是一條繼續(xù)研究隱框保溫墻體的有效途徑。

[1] 曾 攀.有限元分析及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2] 江見(jiàn)鯨，陸新征.混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析[M].第2版.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[3] 余志武，丁發(fā)興.混凝土受壓力學(xué)性能統(tǒng)一計(jì)算方法[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2003，24(4)：41-46.

[4] 丁發(fā)興，余志武.混凝土單軸力學(xué)性能統(tǒng)一計(jì)算方法[EB/OL].北京：中國(guó)科技論文在線，2006-06-13.

[5] 王秀芬.加氣混凝土性能及優(yōu)化的試驗(yàn)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

[6] JGJ/T 17—2008,蒸壓加氣混凝土建筑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].

[7] GB 50010—2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[8] 王新敏，李義強(qiáng)，許宏偉.ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元與應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，2011.

Establishment of concealed multi-ribbed frame and thermal insulation wall’s finite element model under eccentric loading★

Luo Yeke

(CivilEngineeringDepartment,ZhejiangIndustryPolytechnicCollege,Shaoxing312000,China)

ANSYS is adopted to carry out FEM analysis for 4 concealed multi-ribbed frame and thermal insulation walls under eccentric loading. The vertical bearing capacity and the development process of reinforcement strain are studied. The simulated results have been compared with the test results and the feasibility of FEM method is validated.

concealed multi-ribbed frame and thermal insulation wall， FEM， bearing capacity， eccentric load

2016-11-27 ★:浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y201225574)

羅燁鈳(1982- )，男，講師

1009-6825(2017)04-0041-03

TU311.41

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