填充輕聚合物的預(yù)制冷彎薄壁型鋼組合墻板抗剪性能有限元分析

陸 斐， 汪皖黔， 宋慧慧

(合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009)

0 引 言

鋼結(jié)構(gòu)住宅相較于傳統(tǒng)住宅具有模塊化生產(chǎn)、綠色節(jié)能等明顯優(yōu)勢(shì)，在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域推廣與應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)建筑可以促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)的工業(yè)化、智能化和綠色化發(fā)展。

冷彎薄壁鋼結(jié)構(gòu)是一種新型綠色節(jié)能建筑結(jié)構(gòu)形式，首先由國(guó)外引進(jìn)，后期在國(guó)內(nèi)快速發(fā)展并推廣[1-3]，有許多學(xué)者就冷彎薄壁型鋼構(gòu)件性能展開(kāi)研究[4-7]，然而此類(lèi)建筑形式仍存在保溫、隔音、防腐蝕以及防火等方面的問(wèn)題。在傳統(tǒng)空腔式冷彎薄壁型鋼墻體內(nèi)填充輕聚合物，使組合墻體在保溫隔熱、防火防震等方面獲得更好的性能，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。目前少數(shù)學(xué)者對(duì)噴涂式冷彎薄壁鋼組合墻板的壓彎和抗剪性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究[8-10]，對(duì)此類(lèi)構(gòu)件的軸壓、壓彎及受剪性能以及破壞模式和抗震性能進(jìn)行了理論分析[11，12]。但是現(xiàn)場(chǎng)組裝噴涂工序較多，工廠預(yù)制化程度低，不利于推廣與應(yīng)用。針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種填充輕聚合物的預(yù)制冷彎薄壁型鋼組合墻板，通過(guò)專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)線將輕聚合物高壓注入冷彎薄壁型鋼骨架區(qū)格中，經(jīng)蒸汽養(yǎng)護(hù)后形成預(yù)制墻板，考察其破壞特征和受力機(jī)制[13，14]。

本文通過(guò)有限元軟件，建立了文獻(xiàn)[15]中填充輕聚合物的預(yù)制冷彎薄壁型鋼組合墻板的有限元分析模型，引入初始缺陷和冷彎薄壁型鋼立柱的屈曲模態(tài)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了分析模型的準(zhǔn)確性，并對(duì)加載全過(guò)程進(jìn)行分析，研究結(jié)果可為填充輕聚合物的預(yù)制冷彎薄壁型鋼組合墻板在實(shí)際工程的推廣和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 有限元分析模型

1.1 試件概況

參考文獻(xiàn)[16]中所設(shè)計(jì)制作的6片填充輕聚合物的預(yù)制冷彎薄壁型鋼組合墻板試件，幾何尺寸與設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，設(shè)計(jì)參數(shù)為墻板厚度、輕聚合物類(lèi)型、鋼絲網(wǎng)層數(shù)和有無(wú)水泥纖維面板。

表1 試件參數(shù)

1.2 數(shù)值分析模型

本文通過(guò)ABAQUS有限元程序建立了上述6片填充輕聚合物的預(yù)制冷彎型鋼組合墻板的有限元分析模型，如圖1所示，該模型由冷彎薄壁型鋼骨架、鋼絲網(wǎng)、水泥纖維板和輕聚合物填料組成。

圖1 有限元模型示意圖

為了準(zhǔn)確模擬所填充輕聚合物對(duì)冷彎薄壁型鋼組合墻板抗剪性能的影響，墻板中的立柱和導(dǎo)軌的單元類(lèi)型采用殼體單元S4R，水泥纖維板和輕聚合物填料采用實(shí)體單元C3D8R，同時(shí)鋼絲網(wǎng)選用三維桁架單元T3D2進(jìn)行建模。在保證計(jì)算模型精度的情況下提高計(jì)算效率，立柱與導(dǎo)軌的網(wǎng)格寬度取30 mm，水泥纖維板、填料以及鋼絲網(wǎng)的網(wǎng)格寬度取20 mm。

1.3 材料模型

冷彎薄壁型鋼材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線模型選用理想彈塑性模型，如圖2(a)所示，該模型有利于提高模型計(jì)算精度并縮短模型分析時(shí)間。鋼材的彈性模量為2.16×105MPa，屈服強(qiáng)度為662 MPa，抗拉強(qiáng)度為692.5 MPa，泊松比為0.3。

輕聚合物本構(gòu)關(guān)系根據(jù)文獻(xiàn)[17]中相關(guān)EPS混凝土的研究，所選用模型應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2(b)所示，石膏基/水泥基-輕聚合物的屈服強(qiáng)度取換算成標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果平均值，分別為1.197 MPa、1.944 MPa，彈性模量分別為300.2 MPa、353.5 MPa，泊松比為0.2。

圖2 本構(gòu)關(guān)系圖

水泥纖維板的本構(gòu)關(guān)系根據(jù)文獻(xiàn)[17]等的有關(guān)研究，彈性模量為5 000 MPa，剪切模量為1 000 MPa，靜曲強(qiáng)度為17.25 MPa，泊松比為0.2。

1.4 邊界條件

模型各部分構(gòu)件表面之間的相互作用定義為“面與面接觸”，法向行為定義為“硬”接觸，切向行為采用庫(kù)侖摩擦模型，設(shè)置為“罰”，石膏基/水泥基-輕質(zhì)填料與冷彎薄壁鋼骨架的摩擦系數(shù)分別取0.45和0.6。填料與鋼絲網(wǎng)之間定義為區(qū)域約束，水泥纖維板和填料之間定義為面與面綁定約束。立柱和導(dǎo)軌之間采用Tie連接進(jìn)行模擬，鋼絲網(wǎng)由于被輕聚合物填料完全包裹，采用嵌入連接約束進(jìn)行模擬。

試驗(yàn)試件的底導(dǎo)軌通過(guò)角鋼固定于地梁，而試驗(yàn)全程底導(dǎo)軌并未發(fā)生位移，故模型中采取限制所有方向的平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度來(lái)模擬固定支座的邊界條件。頂導(dǎo)軌處設(shè)置平面外約束，以防止平面外失穩(wěn)。

試驗(yàn)過(guò)程中墻板立柱受壓且其截面厚度小于1 mm，因此建?？紤]了立柱的幾何缺陷，采用ABAQUS軟件中的特征值屈曲分析來(lái)模擬墻板立柱的初始缺陷，選取立柱的第一屈曲模態(tài)作為其初始缺陷的分布狀態(tài)。研究缺陷分布的振幅表達(dá)式為：

A=6te-2t

(1)

式中：A為初始缺陷的振幅；t為墻板立柱的厚度。

有限元分析模型的加載方式與試驗(yàn)相同，在分析步中施加30 kN的豎向荷載，并逐級(jí)增加組合墻板的水平位移幅值，通過(guò)增量迭代法求解非線性方程。

2 模擬結(jié)果

2.1 荷載-位移曲線

通過(guò)有限元分析結(jié)果處理模塊ODB歷程變量輸出，得到水平荷載作用點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水平位移和側(cè)向力，繪制各組構(gòu)件荷載-位移曲線(P-Δ曲線)，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，計(jì)算和試驗(yàn)得出的曲線吻合較好，彈性剛度與抗剪承載力計(jì)算值略大于試驗(yàn)值，該部分差值與試件制作、試驗(yàn)條件和測(cè)量精度有關(guān)。

2.2 抗剪承載力

將填充輕聚合物的預(yù)制冷彎薄壁型鋼組合墻板抗剪承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比，如圖4所示?？辜舫休d力計(jì)算值與試驗(yàn)值比值為0.857～0.975，有限元模擬計(jì)算方法可以較好預(yù)測(cè)填充輕聚合物的預(yù)制冷彎薄壁型鋼組合墻板的抗剪承載力。

圖4 試驗(yàn)與有限元模擬結(jié)果的抗剪承載力對(duì)比

3 全過(guò)程分析

為了深入研究填充輕聚合物的預(yù)制冷彎薄壁型鋼組合墻板抗剪性能和工作機(jī)制，了解其在整個(gè)加載過(guò)程中的受力形態(tài)和破壞過(guò)程，本節(jié)選取CFSLPM2、CFSLPM5兩個(gè)典型試件，在計(jì)算分析所得的P-Δ曲線上選取3個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行比較分析，如圖5所示，A點(diǎn)為墻板達(dá)到彈性階段臨界點(diǎn)，B點(diǎn)為墻板達(dá)到彈塑性階段臨界點(diǎn)，C點(diǎn)為墻板加載至下降段最終點(diǎn)。

圖5 墻板標(biāo)準(zhǔn)P-Δ曲線分析圖

3.1 彈性階段(OA段)

水平位移達(dá)到A點(diǎn)時(shí)，構(gòu)件CFSLPM2、CFSLPM5的主要應(yīng)力狀態(tài)分別如圖3(b)、圖3(e)所示，試件基本處于彈性狀態(tài)，各部位應(yīng)力值均較小。荷載-位移曲線近似直線，OA斜率為試件的彈性剛度Ks。鋼框架的損傷應(yīng)力區(qū)位于對(duì)角處。輕質(zhì)填料總體處于低壓應(yīng)力狀態(tài)，僅頂角與底角處應(yīng)力較大。

圖3 計(jì)算與試驗(yàn)的P-Δ曲線對(duì)比

3.2 彈塑性階段(AB段)

隨著側(cè)向位移的增加，構(gòu)件殘余變形不斷累積，荷載-位移曲線表現(xiàn)為非線性關(guān)系，鋼骨架邊柱和頂?shù)撞寇壍篱_(kāi)始屈服，高應(yīng)力區(qū)逐漸從末端向中部發(fā)展。當(dāng)試件進(jìn)入彈塑性階段時(shí)，輕質(zhì)填料累積損傷不斷增大。由于CFSLPM2覆蓋雙側(cè)水泥纖維板而CFSLPM5僅為雙側(cè)鋼絲網(wǎng)，前者承受剪切荷載時(shí)，平面外約束較強(qiáng)，內(nèi)部填料可視為對(duì)角支撐，表現(xiàn)出更好的對(duì)角線抗壓性能，其抗剪承載力在彈塑性階段提升更大，整體性能更優(yōu)。

3.3 下降階段(BC段)

構(gòu)件加載進(jìn)入最終階段，側(cè)向位移增加，整體應(yīng)力達(dá)到最大并且分布較為均勻，邊柱底部局部屈曲并與底導(dǎo)軌分離，C點(diǎn)的抗剪承載能力相較B點(diǎn)出現(xiàn)下降說(shuō)明組合墻板之間的連接失效，無(wú)法共同工作承擔(dān)荷載。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件建立了6片填充輕聚合物的冷彎型鋼組合墻板試件有限元模型，通過(guò)模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證，研究不同參數(shù)對(duì)組合墻板的破壞特征、抗剪性能的影響，得到下列結(jié)論：

(1) 建立了ABAQUS有限元分析模型，考慮了冷彎薄壁型鋼與輕聚合物之間的復(fù)雜接觸問(wèn)題、初始缺陷及屈曲模態(tài)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性與可靠性。

(2) 通過(guò)在典型構(gòu)件的P-Δ曲線上選取特征點(diǎn)，詳細(xì)分析每個(gè)階段以及特征點(diǎn)下構(gòu)件應(yīng)力分布狀態(tài)，獲悉其不同階段的工作機(jī)制。隨著水平位移的增加，墻板邊柱和底導(dǎo)軌率先進(jìn)入屈服階段，并不斷從末端向中部發(fā)展，輕聚合物填料在進(jìn)入彈塑性階段后損傷不斷累積，從頂?shù)撞恐饾u向中部發(fā)展，最后，墻板整體進(jìn)入塑性階段，內(nèi)部連接失效以致無(wú)法共同工作。