完海鷹，陳誠(chéng)，陳安英

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引言

我國(guó)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面已取得巨大成就，當(dāng)前，社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求必須轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，從粗獷式逐漸轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展。在建筑工程領(lǐng)域，除了滿足居住這一基本功能，我國(guó)開始以節(jié)能環(huán)保為目標(biāo)開辟新的發(fā)展路徑[1]。在相關(guān)政策引導(dǎo)下，我國(guó)裝配式鋼結(jié)構(gòu)外掛墻板有了逐步的發(fā)展，其中最顯著的成果是，外墻體系不再只是傳統(tǒng)的現(xiàn)制材料墻體，開始出現(xiàn)保溫材料復(fù)合墻體、預(yù)制夾芯保溫復(fù)合墻板等結(jié)構(gòu)形式[2]。

目前對(duì)于墻板承載力的研究已經(jīng)非常豐富，其中主要分普通預(yù)制墻板和裝配式復(fù)合墻板兩類，而對(duì)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)開洞復(fù)合夾心外掛墻板的研究尚為數(shù)不多。裝配式建筑的制造、生產(chǎn)過程與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)澆筑式生產(chǎn)體系不同，主要由工程制作預(yù)制構(gòu)件、運(yùn)輸至裝配現(xiàn)場(chǎng)、進(jìn)行裝配構(gòu)件的安裝等過程構(gòu)成。而這其中，涉及的工廠拆卸模具，現(xiàn)場(chǎng)的起吊就位等過程，對(duì)墻板自身的承載力性能都有一定要求[3]。目前，此類的分析及理論已經(jīng)有一定基礎(chǔ)，可得出研究板的抗彎承載力式是研究此類板的必備過程。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明，外掛復(fù)合墻板的破壞主要發(fā)生在墻板跨中部位，通過在墻板中加入鋼桁架使構(gòu)件形成疊合板的形式，能夠增強(qiáng)墻板的承載力性能[4]，當(dāng)墻板同時(shí)承受平面外作用時(shí)，隨著作用力的增加呈非線性增加，增長(zhǎng)速率逐漸降低[5]。開洞口的大小、位置、形式等對(duì)墻板的承載力均有一定的影響[6]，文章通過實(shí)際構(gòu)件為例，對(duì)比開洞對(duì)墻板承載力的影響。

1 復(fù)合墻板有限元模擬

1.1 模擬對(duì)象

以研究裝配式鋼結(jié)構(gòu)復(fù)合夾芯開洞墻板為主，通過有限元軟件ANSYS 對(duì)四點(diǎn)簡(jiǎn)支的復(fù)合外掛墻板的承載性能進(jìn)行分析，其中研究對(duì)象的基本構(gòu)造是鋼結(jié)構(gòu)住宅外墻板采用復(fù)合保溫外掛墻板，詳細(xì)模型構(gòu)造尺寸及編號(hào)見表1，其中構(gòu)造示意圖見圖1 及圖2，墻板由內(nèi)外混凝土面層和中間的保溫層組成，兩側(cè)的混凝土面層采用50 mm 厚C30 普通混凝土，中間保溫層為50 mm 厚XPS 保溫板，在墻板兩側(cè)的混凝土面層中布置有直徑為6 mm的HRB400 級(jí)鋼筋，鋼筋間距為150 mm。復(fù)合墻板兩側(cè)的內(nèi)外葉混凝土面板與中間的XPS 保溫板通過直徑為5 mm 的鋼筋桁架復(fù)合成整體墻板，鋼筋桁架貫穿中間的保溫層，兩側(cè)與混凝土面板中的鋼筋網(wǎng)片連接，錨固于混凝土面板中。復(fù)合夾心墻板剖面示意圖見圖3。

表1 模型尺寸表

圖1 QB1示意圖

圖2 QB2示意圖

圖3 墻板剖面圖

1.2 模型建立過程

復(fù)合混凝土夾芯墻板的材料特性相對(duì)于其他單一材料的外墻結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜。本文所進(jìn)行的試驗(yàn)是在簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行的，為了使求解接近實(shí)際值在有限元分析時(shí)采用以下假定：

(1)構(gòu)件在荷載情況下屬于小變形；

(2)混凝土與內(nèi)部鋼筋間無(wú)滑移，共同受力，共同變形；

(3)忽略實(shí)際操作所造成的試驗(yàn)偏差[7]；

(4)桁架筋間夾心材料XPS 受力作用較小，模擬時(shí)忽略不計(jì)[8]；

(5)鋼筋使用相對(duì)應(yīng)直徑的桿單元，采用雙線性等向強(qiáng)化模型BISO 模擬；

(6)混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體模型采用多線性等向強(qiáng)化模型MISO 模擬；

(7)混凝土單元與鋼筋桿單元之間采用節(jié)點(diǎn)耦合的形式進(jìn)行連接[9]。

本文通過采用分離式建模將混凝土和鋼筋分別以不同單元類型進(jìn)行建模，并將混凝土與鋼筋單元之間通過共節(jié)點(diǎn)耦合約束的方式聯(lián)結(jié)成一個(gè)整體進(jìn)行模擬。有限元軟件模擬混凝土單元通常有三角形單元、矩形單元、四面體單元、六面體單元等。有限元軟件模擬鋼筋一般可采用線性單元(只承受或傳遞軸力作用)，桿單元(可承受軸力、彎矩、剪力)。多數(shù)的論文實(shí)踐結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用以上單元有限元模擬的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相近。通常在研究分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部微觀機(jī)理時(shí)，采用分離式建模的結(jié)果較精確。

本文研究的混凝土復(fù)合夾心墻板采用的混凝土材料設(shè)定立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu，k=30 MPa，單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=14.3 MPa，單軸抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=1.43 MPa，彈性模量Ec=3×104MPa，泊松比υc=0.2，裂縫開口傳遞系數(shù)0.5，裂縫閉合傳遞系數(shù)為0.95。采用多線性等強(qiáng)硬化模式(MISO)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》50010-2010 中第6.2.1 規(guī)定[10]：

當(dāng)εc≤ε0時(shí)，

式中：

σc——混凝土壓應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)力；

fc——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

ε0——混凝土壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值對(duì)壓應(yīng)變；

εc——混凝土承載下的壓應(yīng)變；

fcu,k——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

其中取n=2，ε0=0.002，εcu=0.0033。根據(jù)上式的混凝土本構(gòu)關(guān)系見圖4：

本文研究的混凝土復(fù)合夾心墻板采用的鋼筋為HRB400，其基本材料屬性：屈服強(qiáng)度f(wàn)y=400 MPa、彈性模量Es=2.0×105MPa、泊松比υc=0.3。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如下：

本文采用雙直線模型對(duì)鋼筋的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行模擬。

根據(jù)以上材料屬性進(jìn)行設(shè)置混凝土墻板單元，并建立有限元模型見圖5。

2 模擬結(jié)果及對(duì)比分析

2.1 有限元模擬結(jié)果

通過參照實(shí)際構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式，在相應(yīng)外掛節(jié)點(diǎn)處設(shè)置水平及垂直方向上的位移約束，并對(duì)外掛墻板外側(cè)施加均勻分布的面荷載，模擬外墻板在實(shí)際工作情況下的受力情況。有限元軟件分析的混凝土應(yīng)變?cè)茍D可見圖6。

由模擬結(jié)果抽取的跨中撓度在荷載作用下?lián)隙茸兓瘮?shù)據(jù)，對(duì)三個(gè)不同結(jié)構(gòu)形式的模型之間進(jìn)行對(duì)比，如圖7 所示。

圖5 有限元模型

圖6 有限元模型計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)比可知，在加載初期，三種模型的跨中撓度均以相同趨勢(shì)增長(zhǎng)，當(dāng)荷載大于5 kN 之后，荷載-撓度曲線開始有明顯的變化差異，QB2 的斜率最大，QB1 的斜率次之，QB3 的斜率最小。當(dāng)?shù)竭_(dá)曲線頂點(diǎn)時(shí)QB1 的荷載值為39.89 kN，QB2 的荷載值為52.24 kN，QB3 的荷載值為37.14 kN。由建模情況可知，當(dāng)洞口位置切斷了連接內(nèi)外葉板的桁架筋時(shí)對(duì)板的承載力有影響，降低了約6.9%承載力性能。

圖7 有限元模型跨中撓度對(duì)比

2.2 有限元模擬對(duì)比參照試驗(yàn)

有限元模擬結(jié)果有一定的局限性，故根據(jù)實(shí)際構(gòu)件情況設(shè)置2 組復(fù)合混凝土夾芯墻板進(jìn)行外荷載試驗(yàn)。

試驗(yàn)對(duì)預(yù)制混凝土夾心保溫外掛墻板是以四點(diǎn)簡(jiǎn)支的方式支撐在剛性支墩上。通過千斤頂-分配梁系統(tǒng)進(jìn)行加載，模擬墻面受均布荷載工況。

極限荷載的判定采用《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法》GB/T 50152-2012[11]中的規(guī)定進(jìn)行判定。即滿足以下條件之一：

(1)受拉鋼絲被拉斷或拉應(yīng)變達(dá)到0.01；

(2)板面混凝土壓碎或壓應(yīng)變達(dá)到0.0033；

(3)跨中撓度達(dá)到L0/50；

(4)最大裂縫寬度達(dá)到1.5 mm。

試驗(yàn)過程如圖8 所示。

通過收集整理加載試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)，并將進(jìn)行模擬計(jì)算得到的數(shù)據(jù)結(jié)果提取整理后，得到如表2所示。

2.3 結(jié)果分析

由以上的結(jié)果我們可以看出有限元模擬結(jié)果相對(duì)于實(shí)際試驗(yàn)偏理想化，故模擬強(qiáng)度均大于實(shí)際試驗(yàn)，其數(shù)值偏差在5% 以內(nèi)，可推定模擬結(jié)果具有一定的可靠性。其中未開洞墻板較開洞墻板的承載力更大，可推斷這是由于開洞區(qū)域無(wú)法承擔(dān)外力，模擬開洞墻板的有效面積較小導(dǎo)致的。而側(cè)偏洞口相對(duì)于正中洞口墻板模型承載力較大，可分析知，當(dāng)墻板開洞的位置切斷桁架筋時(shí)，對(duì)板的承載力有一定影響。

表2 有限元模型開裂荷載

圖8 墻板對(duì)比試驗(yàn)

3 結(jié)論

在通過參照實(shí)際復(fù)合夾芯墻板設(shè)計(jì)圖，利用有限元計(jì)算軟件ANSYS 模擬了三種形式的夾芯外掛墻板，并以實(shí)際外掛點(diǎn)為邊界約束條件，模擬了三種墻板在外荷載作用下的承載力狀況，得到了以下結(jié)論：

(1)在外荷載作用下，復(fù)合夾芯墻板的跨中部位的撓度和鋼筋應(yīng)力最大。

(2)開洞對(duì)墻板的承載性能有影響，當(dāng)墻板開洞比率在20% 左右時(shí)，墻板承載力相對(duì)于未開裂荷載降低了約25%。

(3)在相同開洞尺寸下，開洞位置對(duì)于墻板承載力有影響，開洞居中相對(duì)于洞口偏心的承載力減低了約3%左右。

(4)由跨中撓度曲線可知，未開洞的墻板QB3剛度相對(duì)于開洞墻板QB1 和QB2 剛度更大。