裝配式鋼結(jié)構(gòu)開洞復合夾芯墻板承載力性能數(shù)值分析

完海鷹，陳誠，陳安英

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引言

我國在經(jīng)濟發(fā)展與基礎設施建設方面已取得巨大成就，當前，社會與經(jīng)濟發(fā)展要求必須轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，從粗獷式逐漸轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展。在建筑工程領域，除了滿足居住這一基本功能，我國開始以節(jié)能環(huán)保為目標開辟新的發(fā)展路徑[1]。在相關政策引導下，我國裝配式鋼結(jié)構(gòu)外掛墻板有了逐步的發(fā)展，其中最顯著的成果是，外墻體系不再只是傳統(tǒng)的現(xiàn)制材料墻體，開始出現(xiàn)保溫材料復合墻體、預制夾芯保溫復合墻板等結(jié)構(gòu)形式[2]。

目前對于墻板承載力的研究已經(jīng)非常豐富，其中主要分普通預制墻板和裝配式復合墻板兩類，而對于裝配式鋼結(jié)構(gòu)開洞復合夾心外掛墻板的研究尚為數(shù)不多。裝配式建筑的制造、生產(chǎn)過程與傳統(tǒng)的現(xiàn)場澆筑式生產(chǎn)體系不同，主要由工程制作預制構(gòu)件、運輸至裝配現(xiàn)場、進行裝配構(gòu)件的安裝等過程構(gòu)成。而這其中，涉及的工廠拆卸模具，現(xiàn)場的起吊就位等過程，對墻板自身的承載力性能都有一定要求[3]。目前，此類的分析及理論已經(jīng)有一定基礎，可得出研究板的抗彎承載力式是研究此類板的必備過程。國內(nèi)外學者研究表明，外掛復合墻板的破壞主要發(fā)生在墻板跨中部位，通過在墻板中加入鋼桁架使構(gòu)件形成疊合板的形式，能夠增強墻板的承載力性能[4]，當墻板同時承受平面外作用時，隨著作用力的增加呈非線性增加，增長速率逐漸降低[5]。開洞口的大小、位置、形式等對墻板的承載力均有一定的影響[6]，文章通過實際構(gòu)件為例，對比開洞對墻板承載力的影響。

1 復合墻板有限元模擬

1.1 模擬對象

以研究裝配式鋼結(jié)構(gòu)復合夾芯開洞墻板為主，通過有限元軟件ANSYS 對四點簡支的復合外掛墻板的承載性能進行分析，其中研究對象的基本構(gòu)造是鋼結(jié)構(gòu)住宅外墻板采用復合保溫外掛墻板，詳細模型構(gòu)造尺寸及編號見表1，其中構(gòu)造示意圖見圖1 及圖2，墻板由內(nèi)外混凝土面層和中間的保溫層組成，兩側(cè)的混凝土面層采用50 mm 厚C30 普通混凝土，中間保溫層為50 mm 厚XPS 保溫板，在墻板兩側(cè)的混凝土面層中布置有直徑為6 mm的HRB400 級鋼筋，鋼筋間距為150 mm。復合墻板兩側(cè)的內(nèi)外葉混凝土面板與中間的XPS 保溫板通過直徑為5 mm 的鋼筋桁架復合成整體墻板，鋼筋桁架貫穿中間的保溫層，兩側(cè)與混凝土面板中的鋼筋網(wǎng)片連接，錨固于混凝土面板中。復合夾心墻板剖面示意圖見圖3。

表1 模型尺寸表

圖1 QB1示意圖

圖2 QB2示意圖

圖3 墻板剖面圖

1.2 模型建立過程

復合混凝土夾芯墻板的材料特性相對于其他單一材料的外墻結(jié)構(gòu)來說比較復雜。本文所進行的試驗是在簡單應力狀態(tài)下進行的，為了使求解接近實際值在有限元分析時采用以下假定：

(1)構(gòu)件在荷載情況下屬于小變形；

(2)混凝土與內(nèi)部鋼筋間無滑移，共同受力，共同變形；

(3)忽略實際操作所造成的試驗偏差[7]；

(4)桁架筋間夾心材料XPS 受力作用較小，模擬時忽略不計[8]；

(5)鋼筋使用相對應直徑的桿單元，采用雙線性等向強化模型BISO 模擬；

(6)混凝土結(jié)構(gòu)實體模型采用多線性等向強化模型MISO 模擬；

(7)混凝土單元與鋼筋桿單元之間采用節(jié)點耦合的形式進行連接[9]。

本文通過采用分離式建模將混凝土和鋼筋分別以不同單元類型進行建模，并將混凝土與鋼筋單元之間通過共節(jié)點耦合約束的方式聯(lián)結(jié)成一個整體進行模擬。有限元軟件模擬混凝土單元通常有三角形單元、矩形單元、四面體單元、六面體單元等。有限元軟件模擬鋼筋一般可采用線性單元(只承受或傳遞軸力作用)，桿單元(可承受軸力、彎矩、剪力)。多數(shù)的論文實踐結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用以上單元有限元模擬的計算結(jié)果與實際相近。通常在研究分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部微觀機理時，采用分離式建模的結(jié)果較精確。

本文研究的混凝土復合夾心墻板采用的混凝土材料設定立方體抗壓強度標準值fcu，k=30 MPa，單軸抗壓強度標準值fck=14.3 MPa，單軸抗拉強度標準值ftk=1.43 MPa，彈性模量Ec=3×104MPa，泊松比υc=0.2，裂縫開口傳遞系數(shù)0.5，裂縫閉合傳遞系數(shù)為0.95。采用多線性等強硬化模式(MISO)，應力-應變關系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》50010-2010 中第6.2.1 規(guī)定[10]：

當εc≤ε0時，

式中：

σc——混凝土壓應變所對應的壓應力；

fc——混凝土軸心抗壓強度設計值；

ε0——混凝土壓應力設計值對壓應變；

εc——混凝土承載下的壓應變；

fcu,k——混凝土立方體抗壓強度標準值。

其中取n=2，ε0=0.002，εcu=0.0033。根據(jù)上式的混凝土本構(gòu)關系見圖4：

本文研究的混凝土復合夾心墻板采用的鋼筋為HRB400，其基本材料屬性：屈服強度fy=400 MPa、彈性模量Es=2.0×105MPa、泊松比υc=0.3。應力-應變關系如下：

本文采用雙直線模型對鋼筋的本構(gòu)關系進行模擬。

根據(jù)以上材料屬性進行設置混凝土墻板單元，并建立有限元模型見圖5。

2 模擬結(jié)果及對比分析

2.1 有限元模擬結(jié)果

通過參照實際構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式，在相應外掛節(jié)點處設置水平及垂直方向上的位移約束，并對外掛墻板外側(cè)施加均勻分布的面荷載，模擬外墻板在實際工作情況下的受力情況。有限元軟件分析的混凝土應變云圖可見圖6。

由模擬結(jié)果抽取的跨中撓度在荷載作用下?lián)隙茸兓瘮?shù)據(jù)，對三個不同結(jié)構(gòu)形式的模型之間進行對比，如圖7 所示。

圖5 有限元模型

圖6 有限元模型計算結(jié)果

通過對比可知，在加載初期，三種模型的跨中撓度均以相同趨勢增長，當荷載大于5 kN 之后，荷載-撓度曲線開始有明顯的變化差異，QB2 的斜率最大，QB1 的斜率次之，QB3 的斜率最小。當?shù)竭_曲線頂點時QB1 的荷載值為39.89 kN，QB2 的荷載值為52.24 kN，QB3 的荷載值為37.14 kN。由建模情況可知，當洞口位置切斷了連接內(nèi)外葉板的桁架筋時對板的承載力有影響，降低了約6.9%承載力性能。

圖7 有限元模型跨中撓度對比

2.2 有限元模擬對比參照試驗

有限元模擬結(jié)果有一定的局限性，故根據(jù)實際構(gòu)件情況設置2 組復合混凝土夾芯墻板進行外荷載試驗。

試驗對預制混凝土夾心保溫外掛墻板是以四點簡支的方式支撐在剛性支墩上。通過千斤頂-分配梁系統(tǒng)進行加載，模擬墻面受均布荷載工況。

極限荷載的判定采用《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法》GB/T 50152-2012[11]中的規(guī)定進行判定。即滿足以下條件之一：

(1)受拉鋼絲被拉斷或拉應變達到0.01；

(2)板面混凝土壓碎或壓應變達到0.0033；

(3)跨中撓度達到L0/50；

(4)最大裂縫寬度達到1.5 mm。

試驗過程如圖8 所示。

通過收集整理加載試驗的結(jié)果數(shù)據(jù)，并將進行模擬計算得到的數(shù)據(jù)結(jié)果提取整理后，得到如表2所示。

2.3 結(jié)果分析

由以上的結(jié)果我們可以看出有限元模擬結(jié)果相對于實際試驗偏理想化，故模擬強度均大于實際試驗，其數(shù)值偏差在5% 以內(nèi)，可推定模擬結(jié)果具有一定的可靠性。其中未開洞墻板較開洞墻板的承載力更大，可推斷這是由于開洞區(qū)域無法承擔外力，模擬開洞墻板的有效面積較小導致的。而側(cè)偏洞口相對于正中洞口墻板模型承載力較大，可分析知，當墻板開洞的位置切斷桁架筋時，對板的承載力有一定影響。

表2 有限元模型開裂荷載

圖8 墻板對比試驗

3 結(jié)論

在通過參照實際復合夾芯墻板設計圖，利用有限元計算軟件ANSYS 模擬了三種形式的夾芯外掛墻板，并以實際外掛點為邊界約束條件，模擬了三種墻板在外荷載作用下的承載力狀況，得到了以下結(jié)論：

(1)在外荷載作用下，復合夾芯墻板的跨中部位的撓度和鋼筋應力最大。

(2)開洞對墻板的承載性能有影響，當墻板開洞比率在20% 左右時，墻板承載力相對于未開裂荷載降低了約25%。

(3)在相同開洞尺寸下，開洞位置對于墻板承載力有影響，開洞居中相對于洞口偏心的承載力減低了約3%左右。

(4)由跨中撓度曲線可知，未開洞的墻板QB3剛度相對于開洞墻板QB1 和QB2 剛度更大。