肖力光，李紀良

吉林建筑大學 材料科學與工程學院,長春 130118

0 引言

建筑作為能源消耗的三大巨頭之一,其能源消耗占全國能源消耗總量的21.10 %[1],因此實現(xiàn)建筑節(jié)能成為亟待解決的問題.秸稈作為一種新型的建筑材料,具有很好的保溫隔熱性能[2].本文研究的秸稈生態(tài)夾芯外掛墻板是帶有保溫材料的鋼絲網(wǎng)架和秸稈水泥基材料澆筑在一起形成的一種“三明治”結構的復合墻板，具有保溫隔熱、經(jīng)濟節(jié)能、耐久性好、抗震性能好等優(yōu)點[3].其中,內外葉墻板是由水泥、秸稈纖維、礦物摻合料及細骨料等組成的秸稈水泥基材料拌合而成,保溫層采用EPS聚苯乙烯泡沫苯板,連接件采用鋼絲.

本文采用有限元軟件ANSYS對秸稈生態(tài)夾芯外掛墻板進行非線性靜力分析,以研究秸稈生態(tài)夾芯外掛墻板在位移荷載作用下的力學性能,并分析了鋼絲網(wǎng)片和斜向鋼絲含量的變化對秸稈生態(tài)夾芯外掛墻板力學性能的影響,為該墻板的進一步研究提供參考.

1 墻板模型介紹

本論文中秸稈生態(tài)夾芯外掛墻板主要用于農村城鎮(zhèn)低層(1～2層)的裝配式鋼結構建筑中,作為非承重墻板.外掛墻板的平面尺寸及厚度見表1.

表1 模型墻板尺寸Table 1 Model wall panel size

秸稈內外葉墻板是由水泥、秸稈纖維、硅藻土、粉煤灰等礦物摻合料及細骨料等組成的秸稈水泥基材料制備而成,其抗壓強度為21 MPa;保溫材料采用EPS聚苯乙烯泡沫苯板,其厚度根據(jù)GB 50176-2016《民用建筑熱工設計規(guī)范》公式確定[4].鋼絲網(wǎng)片及斜向鋼絲均采用HPB 300,其屈服強度fy=270 N/mm2,采用不同的直徑,分別為? 6 mm,? 4 mm,鋼絲網(wǎng)片間距為200 mm×200 mm,斜向鋼絲跨度400 mm;斜向鋼絲與秸稈內外葉墻板內的鋼絲網(wǎng)片連接成外掛墻板的鋼絲骨架,秸稈生態(tài)外掛墻板的內、外葉墻板及鋼絲骨架模型見圖1.

(a) 墻板模型(a) Model drawing of wallboard

2 有限元分析

2.1 基本假定

采用ANSYS進行分析時,為了與實際模型相符,簡化計算與基本假定如下:

(1) 不考慮聚苯乙烯泡沫保溫層的作用,其力學作用忽略不計;

(2) 鋼絲和混凝土分離式建模,假定鋼絲與混凝土之間連接良好,共同受力,不考慮鋼絲和混凝土之間的粘結滑移作用;

(3) 材料各向同性.

2.2 計算模型描述

本文ANSYS建模方式采用分離式建模,鋼絲和內外葉墻板采用不同的單元來處理.采用Solid 65單元模擬上下兩層內、外葉墻板,模擬鋼絲單元有l(wèi)ink單元或者beam單元,link單元不能承受彎曲,而beam單元可以承受彎曲,可根據(jù)實際情況選擇合理單元,本文模型采用beam 188單元進行模擬,整體模型效果見圖2.

圖2 外掛墻板整體模型Fig.2 Overall model drawing of external wall panel

在模型中,內、外葉墻板的本構模型采用多線性隨動強化模型,采用W-W破壞準則,利用tb,concr命令定義參數(shù),鋼絲的本構關系采用雙線性隨動強化模型.網(wǎng)絡劃分中,本文采用共用節(jié)點的方式進行Solid 65單元和beam 188單元的劃分,Solid 65單元采用六面體網(wǎng)絡劃分方法,單元尺寸設置為30 mm,鋼絲的單元尺寸設置為20 mm.

2.3 計算模型加載

對于ANSYS求混凝土的極限荷載有兩種加載方式：一種是力加載,另一種是位移加載.本文采用位移加載的方式,相對于力加載,位移加載直接算得應變,根據(jù)材料的應力-應變曲線可得到彈性模量,進而得到力,不用反復更新彈性模量,求解效率大大提高.

本文在復合墻板的正中加一個大的位移,根據(jù)底部固定節(jié)點的反力從而得到加載復合墻板上的荷載,然后施加邊界條件,墻板一端限制x,y,z軸3個方向的位移,另一端限制y軸方向的位移.

在求解器控制中,本文模擬中打開自動時間步控制、大變形開關[5],采用力的收斂準則為5 %,平均子步數(shù)為200.

3 鋼絲網(wǎng)片和斜向鋼絲含量變化對復合墻板力學性能的影響

鋼絲含量變化分為兩種情況:一種是鋼絲間距的不同,另一種是鋼絲直徑的不同.本次模擬在鋼絲同等屈服強度下,直徑分別為6 mm和4 mm;斜向鋼絲在跨度400 mm下,分別采用雙排和四排布置.

3.1 鋼絲直徑的變化對復合墻板力學性能的影響

如圖3～圖8所示,在位移荷載的作用下,內、外葉墻板發(fā)生了向下的彎曲變形,跨中變形最大,跨中均出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象.鋼絲直徑4 mm墻板中鋼絲網(wǎng)格與斜向鋼絲連接處靠近約束的地方出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象,鋼絲直徑6 mm墻板跨中出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象,但內墻版應力分布較均勻.

從鋼絲的等效應力云圖可以看出,鋼絲直徑4mm的墻板鋼絲得到充分利用,達到了屈服強度,而鋼絲直徑6 mm的墻板最終應力為189.532 MPa,出現(xiàn)在夾芯層下墻板跨中鋼絲網(wǎng)格與斜向鋼絲連接處,這是由于當墻板達到極限荷載的時候夾芯層下墻板達到極限抗拉強度產生裂縫,墻板發(fā)生斷裂而不收斂,鋼絲未達到屈服.為解決鋼絲穿刺造成應力集中現(xiàn)象可在墻板四角處設置墊板減少應力集中現(xiàn)象.

(a)

圖4 鋼絲網(wǎng)架(直徑4 mm)等效應力云圖Fig.4 Equivalent stressneutrogram of wiremesh frame(diameter 4 mm)

圖5 內外葉墻板(直徑4 mm)位移云圖Fig.5 Displacement cloud map of inner andouter panel(diameter 4 mm)

(a)

圖7 鋼絲網(wǎng)架(直徑6 mm)等效應力云圖Fig.7 Equivalent stress neutrogram of wiremesh frame(diameter 6 mm)

圖8 內外葉墻板(直徑6 mm)位移云圖Fig.8 Displacement cloud map of inner andouter panel(diameter 6 mm)

如圖9、圖10所示,鋼絲直徑4 mm在變形量為0 mm～1.76 mm時和鋼絲直徑6 mm在變形量為0 mm～1.96 mm時墻板的位移與荷載成線性關系,力隨變形量的增加而增加,再隨著變形量的增加,力迅速下降,墻板剛度下降,墻板產生裂縫而斷裂.通過圖11裂縫圖可以看出,夾芯層下墻板產生裂縫,墻板因達到抗拉強度產生裂縫而破壞不收斂.因此,可以得出鋼絲直徑4 mm的墻板所承受的極限荷載為3.42 kN,鋼絲直徑6 mm的墻板所承受的極限荷載為6.16 kN.

圖9 外掛墻板荷載-位移曲線(直徑4 mm)Fig.9 Load-displacement curve ofexternal wallboard(diameter 4 mm)

圖10 外掛墻板荷載-位移曲線(直徑6 mm)Fig.10 Load-displacement curve ofexternal wallboard(diameter 6 mm)

圖11 外掛墻板(鋼絲直徑6 mm)裂縫Fig.11 Crack diagram of externalwallboard(steel wire diameter 6 mm)

3.2 斜向鋼絲含量變化對復合墻板力學性能的影響

如圖12～圖14所示,同等鋼絲直徑4 mm下,斜向鋼絲由原兩排布置改為四排,可以看出無明顯應力集中現(xiàn)象,四排布置可以使墻板在位移荷載作用下應力分布更均勻,鋼絲網(wǎng)格和斜向鋼絲連接處應力分布較均勻應力集中現(xiàn)象不明顯,鋼絲得到充分利用,達到其屈服強度,破環(huán)源于夾芯層下墻板達到抗拉強度產生裂縫而不收斂.由荷載-位移曲線看出,墻板所承受的極限荷載為6.64 kN,比同鋼絲直徑、斜向鋼絲兩排布置高出3.22 kN,因此可以看出斜向鋼絲含量變化對外掛墻板力學性能有較大影響,不僅減小了內外墻板應力集中現(xiàn)象,增加了墻板的剛度,而且斜向鋼絲所起的作用更大,內外葉墻板和鋼絲兩者協(xié)同工作性能更明顯.

(a)

圖13 鋼絲等效應力圖(斜向鋼絲四排)Fig.13 Effect diagram of steel wire(four rows of diagonal steel wire)

圖14 外掛墻板荷載-位移曲線(斜向鋼絲四排)Fig.14 Load-displacement curve of external wallboard(four rows of diagonal steel wire)

4 結論

采用ANSYS有限元軟件對秸稈生態(tài)夾芯外掛墻板進行了非線性有限元分析,分析了秸稈外掛墻板在位移荷載作用下,鋼絲網(wǎng)片和斜向鋼絲含量的變化對秸稈生態(tài)夾芯外掛墻板力學性能的影響,根據(jù)上述模擬,可以得出以下結論:

(1) 同等屈服強度和斜向鋼絲布置下,鋼絲直徑4 mm的墻板所承受的極限荷載為3.42 kN,鋼絲直徑6 mm的墻板所承受的極限荷載為6.16 kN,建議在墻板四角處加墊板減少鋼絲穿刺造成的應力集中現(xiàn)象.

(2) 同等屈服強度和鋼絲直徑下,增加斜向鋼絲含量,墻板所承受極限荷載為6.64 kN,極限荷載較原極限荷載增加了3.22 kN.不僅減少了墻板內的應力集中現(xiàn)象,增加了墻板的剛度,而且使內外葉墻板與鋼絲兩者之間協(xié)同工作性能更好.

(3) 本文模型的受力性能和破壞機理與實際基本吻合,揭示了墻板的力學性能及鋼絲骨架的應力分布,為秸稈夾芯外掛墻板制作提供參考.