田樂(lè)　王育紅

摘要：對(duì)輕鋼與泡沫混凝土組合墻體應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行推廣，對(duì)6面組合墻體進(jìn)行抗剪承載力試驗(yàn)，對(duì)其水平荷載峰值、開裂荷載、極限荷載、破壞形態(tài)進(jìn)行測(cè)定，建立了輕鋼與泡沫混凝土組合墻體ABAQUS有限元計(jì)算模型，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，該模型可用于輕鋼與泡沫混凝土組合墻體抗剪承載力的計(jì)算與分析。

關(guān)鍵詞：泡沫混凝土;輕鋼;組合結(jié)構(gòu);抗剪承載力

中圖分類號(hào)：TU398.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2022）06-0111-04

Shearcapacity of lightweight steel and foam concrete composite walls finite element analysis

TIAN Le，WANG Yuhong

（Shaanxi Railway Institute， Weinan 714000， Shaanxi China

）

Abstract：In order to popularize the application of light steel and foam concrete composite wall in building structure， the shear load vertical force test of 6 side composite wall was carried out， and the horizontal load peak value， cracking load， ultimate load and failure form were measured. The ABAQUS finite element calculation model of lightweight steel and foam concrete composite wall was established， and the finite element calculation results were in good agreement with the test results. The model can be applied to the calculation and analysis of the shear capacity of light steel and foam concrete composite walls.

Key words：foam concrete; light steel; composite structure; shear capacity

對(duì)于鋼材厚度不大于6 mm的型鋼稱為輕鋼;泡沫混凝土制備過(guò)程及工序并無(wú)特殊要求，基本類同于普通混凝土[1-2]。其區(qū)別在于制備時(shí)不加粗骨料，而是在水泥漿液中加入用動(dòng)物或植物蛋白發(fā)的泡沫。澆筑完成后，因泡沫的存在而使混凝土內(nèi)部含有大量均勻的小氣孔，其密度會(huì)隨之減小且保溫隔熱性能得到增強(qiáng)。

有學(xué)者，開展泡沫混凝土的研究，對(duì)不同密度泡沫混凝土的配合比做了深入研究，并從試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了理論計(jì)算公式[3];通過(guò)添加不同比例的泡沫劑和采用固體容積計(jì)算的計(jì)算方法[4]，解決了泡沫混凝土制備時(shí)各組成材料的比例問(wèn)題;通過(guò)建立冷彎薄壁型鋼的三維模型，計(jì)算其在往復(fù)荷載下的抗剪承載力[5-6]，以此分析這種組合墻體的抗震性能;利用冷彎薄壁型鋼組合墻體足尺試件，并通過(guò)滯回和單調(diào)加載2種方式，得出了單調(diào)加載抗剪承載力高于滯回加載10%左右[7-10]。

本試驗(yàn)研究旨在解決輕鋼泡沫混凝土組合墻體破壞形態(tài)和明確破壞機(jī)理，為理論計(jì)算和工程實(shí)踐提供依據(jù)。

1試驗(yàn)簡(jiǎn)介

本次試驗(yàn)所研究的參數(shù)為泡沫混凝土密度和型鋼間距。試驗(yàn)采用足尺試驗(yàn)，具體試件如圖1所示。

本次試驗(yàn)考慮泡沫混凝土密度和型鋼間距對(duì)輕鋼與泡沫混凝土組合墻體抗剪承載力的影響。試件設(shè)計(jì)時(shí)考慮的因素主要有：泡沫混凝土密度（1 000、1 600 kg/ m³），含鋼率1.9%（型鋼間距150 mm）、1.5%（型鋼間距200 mm）、1.1%（型鋼間距300 mm）。

本批試驗(yàn)共有6個(gè)試件，具體試件參數(shù)如表1所示;泡沫混凝土配合比如表2所示;型鋼材料力學(xué)性能如表3所示。

本試驗(yàn)測(cè)定了輕鋼與泡沫混凝土組合墻體的抗剪承載力及破壞特征指標(biāo)，在上述試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了輕鋼與泡沫混凝土組合墻體抗剪承載力計(jì)算模型，并利用試驗(yàn)結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

2抗剪承載力計(jì)算模型

輕鋼與泡沫混凝土組合墻體的計(jì)算是結(jié)構(gòu)的實(shí)體計(jì)算和非線性計(jì)算，因此合理的選擇混凝土和鋼材的本構(gòu)是有限元分析的基礎(chǔ)。材料的本構(gòu)關(guān)系表

現(xiàn)為構(gòu)件在荷載作用下的變形關(guān)系，合理的本構(gòu)關(guān)系直接影響到有限元計(jì)算結(jié)果。

2.1泡沫混凝土本構(gòu)

本次計(jì)算模型的建立是基于試驗(yàn)情況，試驗(yàn)中泡沫混凝土密度為1 000、1 600 kg/m³，此2種泡沫混凝土密度相對(duì)較大，因此本次計(jì)算模型中泡沫混凝土本構(gòu)采用文獻(xiàn)[2]的受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線：

2.2鋼材本構(gòu)

2.3計(jì)算模型建立

采用ABAQUS有限元計(jì)算軟件對(duì)輕鋼與泡沫混凝土組合墻體按尺寸與實(shí)際工況進(jìn)行受力模擬。泡沫混凝土采用DC3D8 8節(jié)點(diǎn)線性實(shí)體單元;C型鋼采用DC2D4殼單元，滿足其收斂性。

此外，模型建立時(shí)做了以下幾點(diǎn)簡(jiǎn)化：

（1）鋼材分析時(shí)不考慮其強(qiáng)化階段[11]，將其簡(jiǎn)化為理想的彈塑性模型;

（2）[JP2]計(jì)算模型中沒(méi)有建立拉結(jié)條和型鋼骨架采用自攻釘連接方式的模型;而是采用了自由度耦合的連結(jié)方式，減小計(jì)算工作量，但計(jì)算結(jié)果差別很小。4E78E0F6-38A2-47F4-9428-DECEEC72753A

具體模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.4有限元計(jì)算計(jì)算結(jié)果分析

ABAQUS有限元軟件分析計(jì)算完成后，導(dǎo)出輕鋼與泡沫混凝土組合墻體應(yīng)力云圖，結(jié)果如圖3所示。

由圖3輕鋼與泡沫混凝土組合墻體有限元計(jì)算的應(yīng)力云圖和試件破壞圖可看到，計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)現(xiàn)象一致。軸向力確定時(shí)，輕鋼與泡沫混凝土組合墻體在水平荷載作用下，其中下部受力較大，上部受力較小;墻體破壞也是從中下部混凝土開裂開始，裂縫逐漸開展，混凝土退出工作，最后墻體內(nèi)型鋼屈服。

完成ABAQUS前處理后，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，整理出水平荷載峰值、開裂荷載、極限荷載，結(jié)果如表4所示。與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的正確性，為進(jìn)一步分析輕鋼與泡沫混凝土做準(zhǔn)備。

由表4可知，水平荷載峰值、開裂荷載和極限荷載模擬值均表現(xiàn)出隨型鋼間距減小、泡沫混凝土密度增大而增大，承載力不斷增大;其規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果相同。試驗(yàn)值和模擬值之比均在0.9以上，其誤差在允許范圍之內(nèi)，吻合度較高。因此，有限元計(jì)算模型可進(jìn)行實(shí)際工程理論計(jì)算。

荷載-位移曲線計(jì)算試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，試驗(yàn)曲線和模擬曲線走勢(shì)吻合度較高，試驗(yàn)曲線中均出現(xiàn)下降段，這是由于泡沫混凝土隨水平荷載增大，裂縫開展過(guò)大而退出工作導(dǎo)致;而模擬曲線中未出現(xiàn)此現(xiàn)象，主要是因?yàn)榕菽炷帘緲?gòu)研究相對(duì)不成熟，本文中選取的本構(gòu)模型并不能完全反應(yīng)實(shí)際的泡沫混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系所致。

3結(jié)語(yǔ)

本文在合理確定材料本構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上建立了輕鋼與泡沫混凝土組合墻體抗剪承載力計(jì)算模型，水平荷載峰值、開裂荷載、極限荷載計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好。本文提出的計(jì)算模型可用于輕鋼與泡沫混凝土組合輕體的計(jì)算與分析。

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