基于ABAQUS的墻板受壓數(shù)值模擬*

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.安徽晶宮綠建集團有限公司,安徽 阜陽 236001)

0 引 言

目前對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，但是對于夾芯保溫墻板的軸心受壓性能的研究較少。Benayoune[1-3]等對不同高厚比夾芯墻板進行了軸心受壓、偏心受壓和彎曲荷載作用下的撓度和極限荷載進行試驗研究和有限元分析。

ABAQUS具有豐富的材料庫和可視化功能，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[2]對比，驗證模型及各類參數(shù)的正確性和合理性。而后用該模型對夾心墻板進行參數(shù)分析。

1 計算模型和參數(shù)

1.1 部件、材料賦予和裝配

按照參考文獻[2]，建立部件尺寸和材料參數(shù)見表1。

表1 試驗構(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為混凝土保護層厚度。

按照實際尺寸創(chuàng)建以上部件，內(nèi)、外墻板均采用實體單元，分布鋼筋和鋼筋采用桁架單元。因為在試驗中夾心層的保溫板不參與受力，所以沒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分布進行裝配。

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。上部設(shè)置為U1=U2=UR3=0,下部設(shè)置為U1=U2=U3=UR3=0，與試驗條件相同。

2 模擬結(jié)果與試驗對比

2.1 承載力對比

實驗值與數(shù)值模擬值對比結(jié)果見表4。

表4 實驗值與數(shù)值模擬值對比

誤差=(試驗值-模擬值)/試驗值100%。

2.2 荷載位移曲線對比

試驗值與數(shù)值模擬值的荷載-位移曲線對比見圖1。

圖1 試驗值與數(shù)值模擬荷載位移曲線對比

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)計承載力和數(shù)值模擬承載力對比

2.3 試驗誤差分析

根據(jù)荷載-位移曲線顯示：數(shù)值模擬的荷載與試驗的荷載幾乎一致，但是數(shù)值模擬的位移卻普遍小于試驗的位移，可能的原因如下：1、雖然試驗開始之前對墻板進行了定位安裝，但是仍不可避免的出現(xiàn)誤差；2、墻板在制作、運輸和安裝過程中可能會出現(xiàn);3、墻板的初始缺陷是隨機的、分散的，可能出現(xiàn)在各個過程和各個部位，在數(shù)值模擬過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)，卻很難精確地表達和復(fù)現(xiàn)。

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

3 參數(shù)分析

因為已經(jīng)對高厚比進行過對比研究分析，高厚比越大，軸向受壓承載力越小，側(cè)向位移越大；并且通過改變夾芯保溫墻板的厚度改變整個墻板的厚度對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。將進行混凝土抗壓強度等級(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)進行數(shù)值模擬，以分析各類參數(shù)對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、提高混凝土強度等級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算公式就可以得出結(jié)論。加大混凝土面層厚度對于提高墻板軸心受壓承載力效果最為顯著，提高混凝土強度等級次之，增大鋼筋直徑的提升效果最低。

增大混凝土強度等級、降低鋼筋直徑和減小混凝土面層的厚度會使得墻板中部的側(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渡，在混凝土面層厚度為60mm時，模擬過程中出現(xiàn)少量豎向裂縫，墻板長度方向的位移增大可以說明這一點。

在實際工程應(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 理論計算與對比分析

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

表9 承載力計算理論值

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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為混凝土受壓強度設(shè)計值；As′為受壓鋼筋的面積；fy′為受壓鋼筋的抗拉強度設(shè)計值。

圖4為規(guī)范設(shè)計承載力和數(shù)值模擬承載力對比。

數(shù)值模擬承載力與規(guī)范設(shè)計承載力吻合較好，并且趨勢一致。說明可以用現(xiàn)行的規(guī)范來計算夾心墻板軸心受壓承載力。

5 結(jié) 論

在對已有試驗進行數(shù)值模擬，驗證模型的準(zhǔn)確性和合理性的基礎(chǔ)上，對影響墻板軸心受壓承載力的3個影響因素分別進行3組取值，共27組模型進行模擬，并進行對比分析。得出以下結(jié)論：

1)提高混凝土面層厚度、混凝土強度等級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于提高承載力效果最為顯著，提高混凝土強度等級次之，增大鋼筋直徑效果最低；

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

3)數(shù)值模擬值滿足驗算，并且大于規(guī)范設(shè)計承載力，說明夾心墻板安全、可靠、經(jīng)濟；