輕鋼與泡沫混凝土組合墻體抗剪承載力有限元分析

田樂　王育紅

摘要：對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6面組合墻體進(jìn)行抗剪承載力試驗，對其水平荷載峰值、開裂荷載、極限荷載、破壞形態(tài)進(jìn)行測定，建立了輕鋼與泡沫混凝土組合墻體ABAQUS有限元計算模型，有限元計算結(jié)果與試驗結(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：TU398.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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;泡沫混凝土制備過程及工序并無特殊要求，基本類同于普通混凝土[1-2]。其區(qū)別在于制備時不加粗骨料，而是在水泥漿液中加入用動物或植物蛋白發(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，對不同密度泡沫混凝土的配合比做了深入研究，并從試驗數(shù)據(jù)得到了理論計算公式[3];通過添加不同比例的泡沫劑和采用固體容積計算的計算方法[4]，解決了泡沫混凝土制備時各組成材料的比例問題;通過建立冷彎薄壁型鋼的三維模型，計算其在往復(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，為理論計算和工程實踐提供依據(jù)。

1試驗簡介

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

本次試驗考慮泡沫混凝土密度和型鋼間距對輕鋼與泡沫混凝土組合墻體抗剪承載力的影響。試件設(shè)計時考慮的因素主要有：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）。

本批試驗共有6個試件，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。

本試驗測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算模型，并利用試驗結(jié)果與模型計算結(jié)果進(jìn)行對比驗證。

2抗剪承載力計算模型

輕鋼與泡沫混凝土組合墻體的計算是結(jié)構(gòu)的實體計算和非線性計算，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算結(jié)果。

2.1泡沫混凝土本構(gòu)

本次計算模型的建立是基于試驗情況，試驗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較大，因此本次計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計算模型建立

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

此外，模型建立時做了以下幾點簡化：

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

（2）[JP2]計算模型中沒有建立拉結(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，減小計算工作量，但計算結(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有限元計算計算結(jié)果分析

ABAQUS有限元軟件分析計算完成后，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算的應(yīng)力云圖和試件破壞圖可看到，計算結(jié)果和試驗現(xiàn)象一致。軸向力確定時，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，對計算結(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。與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證模型的正確性，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)律與試驗結(jié)果相同。試驗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，有限元計算模型可進(jìn)行實際工程理論計算。

荷載-位移曲線計算試驗對比，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，試驗曲線和模擬曲線走勢吻合度較高，試驗曲線中均出現(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，主要是因為泡沫混凝土本構(gòu)研究相對不成熟，本文中選取的本構(gòu)模型并不能完全反應(yīng)實際的泡沫混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系所致。

3結(jié)語

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算模型，水平荷載峰值、開裂荷載、極限荷載計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較好。本文提出的計算模型可用于輕鋼與泡沫混凝土組合輕體的計算與分析。

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