王子恒， 陳旭東， 牛 旺, 楊 森, 楊柳枝, 盛 龍

(1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230601;2.安徽晶宮綠建集團(tuán)有限公司,安徽 阜陽(yáng) 236001)

0 引 言

目前對(duì)于夾芯墻板的連接件、墻板的受彎性能和抗火性能研究較多，但是對(duì)于夾芯保溫墻板的軸心受壓性能的研究較少。Benayoune[1-3]等對(duì)不同高厚比夾芯墻板進(jìn)行了軸心受壓、偏心受壓和彎曲荷載作用下的撓度和極限荷載進(jìn)行試驗(yàn)研究和有限元分析。

ABAQUS具有豐富的材料庫(kù)和可視化功能，完全可以勝任夾芯保溫墻板的軸心受壓的模擬工作[2]。

利用ABAQUS建立軸心受壓墻板的有限元模型，并且與文獻(xiàn)[2]對(duì)比，驗(yàn)證模型及各類參數(shù)的正確性和合理性。而后用該模型對(duì)夾心墻板進(jìn)行參數(shù)分析。

1 計(jì)算模型和參數(shù)

1.1 部件、材料賦予和裝配

按照參考文獻(xiàn)[2]，建立部件尺寸和材料參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)構(gòu)件的尺寸

H為試件的高度；B為試件的寬度；t為試件的總厚度；t1為一側(cè)混凝土的厚度；

t2為夾心層保溫板的厚度；c為混凝土保護(hù)層厚度。

按照實(shí)際尺寸創(chuàng)建以上部件，內(nèi)、外墻板均采用實(shí)體單元，分布鋼筋和鋼筋采用桁架單元。因?yàn)樵谠囼?yàn)中夾心層的保溫板不參與受力，所以沒(méi)有建立夾心層的部件，將其在從模擬中排除。

混凝土和鋼筋的參數(shù)見表2和表3。

表2 混凝土參數(shù)

表3 分布鋼筋和桁架鋼筋材料參數(shù)

在ABAQUS中輸入混凝土和鋼筋的材料參數(shù)?；炷敛捎盟苄該p傷模型，鋼筋選用兩折線模型[3]。

在裝配步中將內(nèi)外墻板、分布鋼筋和桁架鋼筋按照試驗(yàn)分布進(jìn)行裝配。

1.2 分析步設(shè)置

先選用屈曲分析，將屈曲分析的第一階模態(tài)按照一定比例做為初始缺陷再進(jìn)行分析[4]。

1.3 相互作用、荷載和邊界條件

將分布鋼筋和桁架鋼筋內(nèi)置到混凝土里。將內(nèi)、外墻板上下面分別耦合在上下平面的中心。

在上部耦合點(diǎn)施加集中荷載，在初始分析步中設(shè)置邊界條件，均設(shè)置在耦合點(diǎn)。上部設(shè)置為U1=U2=UR3=0,下部設(shè)置為U1=U2=U3=UR3=0，與試驗(yàn)條件相同。

2 模擬結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比

2.1 承載力對(duì)比

實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值模擬值對(duì)比結(jié)果見表4。

表4 實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值模擬值對(duì)比

誤差=(試驗(yàn)值-模擬值)/試驗(yàn)值100%。

2.2 荷載位移曲線對(duì)比

試驗(yàn)值與數(shù)值模擬值的荷載-位移曲線對(duì)比見圖1。

圖1 試驗(yàn)值與數(shù)值模擬荷載位移曲線對(duì)比

圖2 數(shù)值模擬承載力

圖3 數(shù)值模擬變形值

圖4 規(guī)范設(shè)計(jì)承載力和數(shù)值模擬承載力對(duì)比

2.3 試驗(yàn)誤差分析

根據(jù)荷載-位移曲線顯示：數(shù)值模擬的荷載與試驗(yàn)的荷載幾乎一致，但是數(shù)值模擬的位移卻普遍小于試驗(yàn)的位移，可能的原因如下：1、雖然試驗(yàn)開始之前對(duì)墻板進(jìn)行了定位安裝，但是仍不可避免的出現(xiàn)誤差；2、墻板在制作、運(yùn)輸和安裝過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn);3、墻板的初始缺陷是隨機(jī)的、分散的，可能出現(xiàn)在各個(gè)過(guò)程和各個(gè)部位，在數(shù)值模擬過(guò)程中引入的初始缺陷在承載力和側(cè)向位移上有一定程度的體現(xiàn)，卻很難精確地表達(dá)和復(fù)現(xiàn)。

根據(jù)試驗(yàn)的承載力和數(shù)值模擬的承載力對(duì)比發(fā)現(xiàn)，誤差在10%以內(nèi)，此模型和模擬過(guò)程中的假設(shè)和精度滿足實(shí)際工程要求，可以用此模型對(duì)夾心墻板進(jìn)行參數(shù)分析。

3 參數(shù)分析

因?yàn)橐呀?jīng)對(duì)高厚比進(jìn)行過(guò)對(duì)比研究分析，高厚比越大，軸向受壓承載力越小，側(cè)向位移越大；并且通過(guò)改變夾芯保溫墻板的厚度改變整個(gè)墻板的厚度對(duì)于極限承載力和荷載-位移曲線的影響幾乎是微不足道的，所以保持夾心面層的厚度為50mm不變。將進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)(C30、C35、C40)，混凝土面層的厚度(t=30mm、40mm、50mm)以及鋼筋的直徑(d=6mm、8mm、10mm)進(jìn)行數(shù)值模擬，以分析各類參數(shù)對(duì)軸心受壓墻板的極限承載力以及荷載-位移曲線的影響。

3.1 有限元模型的建立

材料按照規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)值選取混凝土和鋼筋的材料參數(shù)(表5，表6)。

表5 混凝土材料參數(shù)

表6 鋼筋材料參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

圖2和圖3分別為數(shù)值模擬出的承載力和變形值。

表7和表8分別為模擬出的承載力和變形的極限值。

表7 數(shù)值模擬的承載力(kN)

表8 數(shù)值模擬的變形極限值(mm)

增大混凝土面層厚度、提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)和增大鋼筋直徑都可以提高夾心墻板的受壓承載力，從墻板軸心受壓承載力計(jì)算公式就可以得出結(jié)論。加大混凝土面層厚度對(duì)于提高墻板軸心受壓承載力效果最為顯著，提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)次之，增大鋼筋直徑的提升效果最低。

增大混凝土強(qiáng)度等級(jí)、降低鋼筋直徑和減小混凝土面層的厚度會(huì)使得墻板中部的側(cè)向位移增大。增大混凝土面層的厚度會(huì)降低墻板的高厚比，使得墻板的破壞形態(tài)由屈曲破壞向受壓破壞過(guò)渡，在混凝土面層厚度為60mm時(shí)，模擬過(guò)程中出現(xiàn)少量豎向裂縫，墻板長(zhǎng)度方向的位移增大可以說(shuō)明這一點(diǎn)。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以根據(jù)其他條件選擇出滿足荷載和位移條件的最優(yōu)解。

4 理論計(jì)算與對(duì)比分析

利用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》[6]中的軸心受壓構(gòu)件承載力計(jì)算公式計(jì)算夾心墻板軸心受壓承載力，計(jì)算結(jié)果見表9。

表9 承載力計(jì)算理論值

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中6.2.15節(jié)，組合墻板軸心受壓的承載力可按下式計(jì)算：

N為墻板軸心受壓承載力；0.9為可靠度的調(diào)整系數(shù)；φ為鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》表6.2.15選用；Ac為混凝土受壓面積，總面積減去鋼筋面積；fc為混凝土受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；As′為受壓鋼筋的面積；fy′為受壓鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

圖4為規(guī)范設(shè)計(jì)承載力和數(shù)值模擬承載力對(duì)比。

數(shù)值模擬承載力與規(guī)范設(shè)計(jì)承載力吻合較好，并且趨勢(shì)一致。說(shuō)明可以用現(xiàn)行的規(guī)范來(lái)計(jì)算夾心墻板軸心受壓承載力。

5 結(jié) 論

在對(duì)已有試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和合理性的基礎(chǔ)上，對(duì)影響墻板軸心受壓承載力的3個(gè)影響因素分別進(jìn)行3組取值，共27組模型進(jìn)行模擬，并進(jìn)行對(duì)比分析。得出以下結(jié)論：

1)提高混凝土面層厚度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)和鋼筋直徑都可以提高墻板軸心受壓承載力，提高混凝土面層厚度對(duì)于提高承載力效果最為顯著，提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)次之，增大鋼筋直徑效果最低；

2)減小混凝土面層厚度、增大混凝土強(qiáng)度等級(jí)和減小鋼筋直徑會(huì)使得墻板的最大側(cè)向位移增大；

3)數(shù)值模擬值滿足驗(yàn)算，并且大于規(guī)范設(shè)計(jì)承載力，說(shuō)明夾心墻板安全、可靠、經(jīng)濟(jì)；