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        新型現(xiàn)澆混凝土空心隔墻力學性能有限元分析及試驗研究

        2022-02-01 13:12:12鄒明洋劉玉靜
        中國新技術新產(chǎn)品 2022年21期
        關鍵詞:有限元混凝土模型

        鄒明洋 劉玉靜

        (中鐵成都規(guī)劃設計院有限責任公司,四川 成都 610000)

        0 引言

        隨著鋁模加爬架施工技術的大力發(fā)展,免抹灰、干作業(yè)等先進施工理念開始萌芽并得到初步發(fā)展[1]。為減輕自重、節(jié)約成本、縮短工期,需要尋找一種滿足要求的新型隔墻體。李大鵬等人[2]對民用建筑輕質隔墻板的標準、生產(chǎn)方法和質量檢測進行了調研,用量化評價的方法對輕質隔墻的種類進行了比較研究。彭一倫等人[3]通過研究混凝土外墻的鋁模應用,實現(xiàn)了建筑外墻免抹灰,進一步提高了其穩(wěn)定性。張浩等人[4]針對建筑外墻整體結構采用鋁合金模板施工,實現(xiàn)了混凝土結構免抹灰的目的。謝素蓉[5]采用多種單元類型建立了有限元模型,并通過擬靜力試驗研究了不同連接方式下的現(xiàn)澆PVC空腔內隔墻的抗震性能。目前,研究學者主要從減輕自重、降低成本、提高隔墻性能指標等方面進行研究,但隨著國內新技術的出現(xiàn),現(xiàn)有研究的隔墻已不能滿足新工藝的生產(chǎn)配合需求,如鋁模+外爬架的施工工藝[6]。因此該文針對新技術新工藝的生產(chǎn)配合要求,提出了一種新型現(xiàn)澆混凝土空心隔墻,通過有限元軟件ABAQUS和靜力試驗對其力學性能進行分析,為后續(xù)隔墻的應用和推廣提供科學技術支撐。

        1 ABAQUS有限元分析

        1.1 有限元模型的建立

        該文運用通用有限元軟件ABAQUS進行數(shù)值分析,共建立3個有限元模型,每個模型的長、高、厚均為2000mm×3000mm×200mm。模型的內部用鋼筋網(wǎng)進行連接,中間空心部分設置PVC管,選取的PVC管直徑分別為89mm、114mm和141mm。如圖1所示,鋼筋間距為200mm,每根PVC管間距也為200mm,混凝土保護層厚度為15mm。對3個現(xiàn)澆混凝土空心隔墻模型按0.3kPa、0.6kPa、0.9kPa、1.2kPa的荷載工況逐級施加,采用C3D8R單元進行計算。為了保證有限元計算的準確性,經(jīng)試算后,最終確定網(wǎng)格劃分大小為20mm。

        圖1 有限元模型

        1.2 有限元結果分析

        為了更好地研究現(xiàn)澆混凝土空心隔墻在何種直徑的PVC管作用下發(fā)揮的性能最優(yōu),即研究和確定現(xiàn)澆混凝土空心隔墻的最優(yōu)空心率,該文從荷載、應力、位移和PVC管直徑之間的關系進行分析與研究。

        1.2.1 不同PVC管直徑下,荷載與最大主應力之間的關系

        在不同PVC管直徑下,荷載工況與最大主應力和位移的關系如圖2所示。從圖2(a)和圖2(b)可以看出,在相同PVC管直徑下,模型的最大主應力均隨荷載的增加而增大,直徑為89mm的模型的應力最??;在相同荷載工況下,PVC管直徑為141mm的模型的應力最大,直徑為89mm和114mm的模型的應力基本相同。從圖2(c)可以看出,在相同PVC管直徑下,模型的位移均隨荷載的增加而增大;在相同荷載工況下,直徑為141mm的模型位移最大,直徑為89mm和114mm模型的位移相差較小。

        圖2 荷載工況與應力和位移的關系

        1.2.2 不同PVC管直徑與最大主應力、位移之間的關系

        不同PVC管直徑與應力、位移的關系如圖3所示。從圖3(a)和圖3(b)可以看出,在相同荷載工況下,PVC管直徑為141mm的模型的應力最大,直徑為89mm和114mm的模型的應力相差較小;在相同PVC管直徑下,模型的最大主應力隨荷載的增加而增大,直徑為89mm的模型的應力最小。從圖3(c)可以看出,在相同荷載工況下,模型的位移均隨PVC管直徑的增大而增大,直徑為89mm的模型位移最小;在相同PVC管直徑下,位移均隨荷載的增加而增大,直徑為89mm的模型位移最小。

        圖3 PVC管直徑與應力、位移的關系

        2 試驗設計

        2.1 試件的設計與制作

        設計現(xiàn)澆混凝土空心隔墻試件模型共3個,均為足尺模型,3個試件模型的尺寸、鋼筋間距、保護層厚度、PVC管的直徑和間距等參數(shù)均與ABAQUS模型保持一致。試件模型的制作在云南省工程抗震研究所完成。試件材料:混凝土采用C35,鋼筋采用HRB400,鋼筋直徑為8mm。試件墻體的信息見表1。

        表1 試驗墻體信息

        2.2 試驗加載方案

        安裝試件時,利用地錨螺栓固定試件底梁,調節(jié)電液伺服作動頭至設定高度,安裝墻體頂端荷載分配鋼梁,在分配梁中部利用作動頭施加單向水平集中荷載(將ABAQUS有限元中采用荷載換算成集中荷載)。第一階段采用荷載控制的分級加載方案,每級荷載保載60s進行裂縫觀察。第一階段加載至6kN后,進入第二階段的墻體破壞荷載試驗,采用勻速加載方案,直至墻體試件嚴重破壞,加載試驗停止。試驗加載工況見表2。

        表2 試驗加載工況

        3 試驗現(xiàn)象及結果分析

        3.1 試驗現(xiàn)象

        以試件TCQ-1為例,對整個加載過程進行分析。

        試驗加載過程中,墻體加載至6kN時,墻體平面外變形不明顯,頂部位移較小,第一階段的每級荷載施加后均進行檢查,未發(fā)現(xiàn)墻體裂縫,而墻體表面各測點的應變值也較小,說明墻體試件處于彈性工作狀態(tài)。第二階段加載采用荷載控制的勻速加載方案,荷載增加至12kN時,墻體試件底部混凝土出現(xiàn)受拉裂縫,繼續(xù)增大荷載,沿墻體高度方向不斷出現(xiàn)新裂縫,已有裂縫沿墻體寬度和厚度方向不斷擴展,逐漸形成沿墻體寬度方向的通長水平裂縫,并不斷向墻體受壓面發(fā)展。隨著荷載不斷增大,墻體平面外變形越來越明顯,逐漸向受壓側傾斜。荷載增大至22kN左右時,墻體底部兩側裂縫斜向發(fā)展。加載至24kN時,墻體破壞嚴重,底部裂縫寬度較大,并形成貫穿墻體厚度方向大部分截面的深長裂縫,墻體變形明顯,墻體平面外方向的位移角已超過1/30,并呈現(xiàn)出明顯的傾覆趨勢,停止加載。

        3.2 試驗結果分析

        3.2.1 荷載-位移數(shù)據(jù)

        試驗測得各墻體試件平面外加載全程的荷載-位移曲線如圖4所示,分級加載階段各位移測點的位移曲線如圖5所示,3片墻體的設計位移(加載至設計荷載6kN時對應的位移值)、開裂荷載(試驗墻體底部發(fā)現(xiàn)裂縫時對應的荷載值)、極限荷載(墻體嚴重破壞且有顯著傾覆趨勢時對應的荷載值)及對應極限位移結果見表3。

        表3 墻體試驗結果

        圖4 墻體試件荷載-位移曲線

        由圖4可見,墻體試件呈現(xiàn)彎曲破壞形態(tài),墻體頂部承受6kN的水平荷載時,墻體平面外的位移值較小,3片墻體均處于彈性工作狀態(tài)。隨荷載增大,墻體受拉面底部開始出現(xiàn)開裂損傷,墻體進入彈塑性工作狀態(tài)。由圖5可見,墻體底部滑移基本可忽略。試驗測得墻體的開裂荷載大于6kN,極限荷載大于20kN,極限狀態(tài)墻體的位移角超過1/30。

        圖5 分級加載階段墻體各測點位移

        3.2.2 應變數(shù)據(jù)

        利用墻體試件上部區(qū)域粘貼的電阻應變片進行應變測試,分級加載荷載工況各測點應變結果如圖6所示。

        圖6 墻體試件應變

        由圖6可見,分級加載工況階段,墻體受拉面與受壓面的應變值均不大,3片墻體的應變值均較小。當荷載增至6kN時,墻體上部區(qū)域各應變測點的應變值均未超10με,與加載至6kN時墻體未開裂的試驗現(xiàn)象吻合。

        4 結論

        該文綜合分析了ABAQUS有限元模擬的荷載、應力、位移和PVC管直徑等數(shù)據(jù),得出管徑為89mm的墻體模型在各方面的性能表現(xiàn)最佳。3片墻體試件的實測開裂荷載均大于10kN,墻體試件的極限承載力均高于20kN。墻體試件的位移角超1/30時,墻體破壞嚴重,墻體中下部出現(xiàn)多條受拉水平貫穿裂縫,但墻體的承載力并未明顯下降,這說明該次設計制作的現(xiàn)澆混凝土空心隔墻試件模型在平面外具有良好的變形能力。該文在墻體試件澆筑制作過程中發(fā)現(xiàn),采用管徑141mm的PVC管會使混凝土空心隔墻的澆筑施工難度明顯增大,因此不建議在實際工程中采用141mm直徑的PVC管。將ABAQUS有限元模擬結果和試驗研究結果進行分析比較,3片墻體模型平面外的承載力及變形能力較為接近,但直徑為89mm的PVC管比其他兩種直徑的PVC管更易購買,且成本也是三種直徑中最低的。綜合考慮,建議實際工程中優(yōu)先考慮采用直徑為89mm的PVC管。

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