冷彎薄壁U型鋼—稻草板組合墻體軸壓力學(xué)性能有限元分析★

何 欣 李明芮 劉相麟 段玉鑫 劉丹彤 張秀華

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著科技的進(jìn)步，人們對于衣食住行等各方面的要求水平也在不斷上升。其中人類對于建筑的要求也從最原始的僅滿足于居住需求提升為要求舒適性、功能性更好的高品質(zhì)建筑。這就要求推出新型的建筑材料來滿足各種新型的使用用途。因此，近年來學(xué)者們開始了關(guān)于環(huán)保材料應(yīng)用到建筑領(lǐng)域的研究。稻草板這種新型的建筑材料正是由此而生的。冷彎薄壁型鋼—稻草板結(jié)構(gòu)是一種新型的組合結(jié)構(gòu)，結(jié)合冷彎薄壁型鋼輕質(zhì)高強便于加工及紙面稻草板綠色環(huán)保消耗農(nóng)業(yè)廢物等特點，可優(yōu)化單純鋼材易失穩(wěn)、農(nóng)作物廢料難以處理等問題[1-5]。本文以冷彎薄壁U型鋼—稻草板組合墻體為試驗對象，通過ABAQUS分析軟件進(jìn)行建模，研究墻體受軸向均布荷載作用下，墻體高厚比、鋼墻架柱壁厚對墻體穩(wěn)定承載力影響，為其在實際工程中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 有限元建模

冷彎薄壁U型鋼—稻草板組合墻體，由冷彎薄壁U型鋼與稻草板通過自攻螺釘連接組裝而成，稻草板的厚度為58 mm。

1.1 試件設(shè)計

利用有限元ABAQUS對不同高厚比、不同型鋼厚度的組合墻體進(jìn)行模擬分析，研究其對墻體穩(wěn)定承載力的影響，U型鋼截面尺寸80 mm×40 mm×2.5 mm組合墻體厚t=196 mm，組合墻體具體參數(shù)見表1。

表1 組合墻體尺寸參數(shù)

1.2 材料參數(shù)

本試驗稻草板及冷彎薄壁U型鋼的材料屬性是根據(jù)相關(guān)材性試驗數(shù)據(jù)所得到的，如表2所示。

表2 材料參數(shù)

1.3 有限元模型

創(chuàng)建稻草板及冷彎薄壁U型鋼的三維部件，并為其創(chuàng)建截面屬性，選擇均質(zhì)實體，賦予所繪制部件材料屬性。將各部件進(jìn)行組裝，為組合墻體選取C3D8R(八節(jié)點線性六面體單元)單元，并為其劃分網(wǎng)格，如圖1所示。模型頂端設(shè)置參考點RP-1，耦合參考點與墻體上表面加載區(qū)域的Z方向自由度，使其與參考點有相同的Z方向位移，以模擬千斤頂豎向加載。約束參考點及上表面除Z方向外其他方向的自由度(U1，U2)；約束墻體下端的所有方向自由度，有限元模型采用力加載進(jìn)行控制，每級加載10 kN。

2 計算結(jié)果及分析

有限元試驗結(jié)果見表3。

表3 組合墻體穩(wěn)定承載力

2.1 組合墻體高厚比對穩(wěn)定承載力影響

依據(jù)WU-1～WU-4試件結(jié)果數(shù)據(jù)繪制荷載—位移對比曲線如圖2所示。對表3和曲線的數(shù)據(jù)分析可知，墻體的穩(wěn)定承載力會隨墻體高厚比的增加而呈現(xiàn)整體降低的趨勢，高厚比增加1倍，穩(wěn)定承載力降低了31.9%。說明當(dāng)高厚比增加到一定限度后會對組合墻體的整體承載能力以及穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

說明當(dāng)開洞率增加到一定限度后會對組合墻體的整體承載能力以及穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

2.2 墻架柱壁厚對墻體穩(wěn)定承載力影響

依據(jù)WU-2,WU-5和WU-6試件試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析型鋼厚度對鋼—稻草板組合墻體承載力的影響，達(dá)到極限承載力時應(yīng)力分布如圖3所示，荷載—位移曲線如圖4所示。

不改變稻草板尺寸、高厚比等其他因素，僅將U型鋼壁厚調(diào)整為2.5 mm,2 mm,1.5 mm，WU-2較WU-5型鋼有效截面積增大了24.2%，穩(wěn)定承載力提升了25%，WU-5較WU-6型鋼有效截面積增加32.5%，穩(wěn)定承載力提升了33.3%，因此可認(rèn)為冷彎薄壁U型鋼厚度的增加，穩(wěn)定承載力也會顯著增長。

3 結(jié)語

1)組合墻體高厚比越大，稻草板對墻架柱的支撐作用越小，組合墻體越容易失穩(wěn)，組合墻體的承載力越低。

2)冷彎薄壁U型鋼墻架柱壁厚的增加其實代表著截面性能的提高，截面面積、截面慣性距等都隨之增長，因此承載能力也隨之增加。