輕鋼泡沫混凝土剪力墻抗壓能力研究

裴亞楠

（新疆應用職業(yè)技術(shù)學院，新疆 奎屯 833200）

0 引言

輕鋼泡沫混凝土是一種綠色、環(huán)保、質(zhì)量輕和保溫性能好的新型建筑材料，輕鋼泡沫混凝土澆筑的剪力墻與傳統(tǒng)鋼筋混凝土剪力墻相比，存在更高的韌性、保溫性、環(huán)保性和重量輕等特性。但是因該材料成分中存在泡沫和一些非加強結(jié)構(gòu)等材料，可能會對混凝土構(gòu)件承載力造成影響，因此，本文將對輕鋼泡沫混凝土剪力墻的抗壓能力進行研究，以期為同仁提供參考幫助。

1 試件設計

為得到真實科學的試驗數(shù)據(jù)，本文將使用輕鋼泡沫混凝土制成一個高度為3000mm、寬度為2100mm、厚度為180mm的剪力墻進行力學分析。試件參數(shù)見表1。

表1 墻體試件

試驗剪力墻主要由輕鋼泡沫混凝土和輕鋼骨架制作而成。使用規(guī)格為100mm×50mm×20mm×2.5mm，強度等級為Q345的冷彎薄壁C型鋼作為剪力墻構(gòu)件的輕鋼立柱，使用同等級規(guī)格為50mm×2.5mm的扁鋼作為剪力墻橫向拉條，使用自攻螺釘連接立柱與拉條使其形成剪力墻墻體的輕鋼骨架。泡沫混凝土的填充密度控制在900kg/m3，制成上述規(guī)格的剪力墻模型試件，見圖1。

圖1 剪力墻結(jié)構(gòu)尺寸

2 有限元分析

2.1 本構(gòu)關(guān)系

2.1.1 冷彎薄壁型鋼

通過ABAQUS 對上述剪力墻結(jié)構(gòu)設計中冷彎薄壁型鋼進行彈塑性模型構(gòu)建，通過此模型的方式充分體現(xiàn)出此鋼材的力學性能。當模型屈服后所產(chǎn)生的應力與應變關(guān)系可參照王英濤等人提出的計算方法[1]得出。關(guān)系表達式為：

式中：σs——拉桿的應力；

εs——拉桿的應變；

Es——拉桿的彈性模量；

fy——拉桿的屈服強度；

εy——拉桿的屈服應變。

2.1.2 泡沫混凝土

以常規(guī)混凝土本構(gòu)模型為基礎(chǔ)設計輕鋼泡沫混凝土的本構(gòu)模型。引用王博群所提出的本構(gòu)關(guān)系，進行泡沫混凝土的本構(gòu)模型構(gòu)建[2]。通過塑性損傷模型對本構(gòu)模型進行有限元分析，在考慮到混凝土材料不同情況下的拉、壓狀態(tài)性能的差異和塑性發(fā)展，將剪力墻的本構(gòu)方程設計為：

式中：σ——本構(gòu)模型本構(gòu)曲線的y軸坐標；

ε——本構(gòu)模型本構(gòu)曲線的x軸坐標。

當σ=0且ε=0時不存在應力條件。參照普通混凝土剪力墻的設置，得出泡沫混凝土剪力墻的塑性損傷模型以及塑性參數(shù)，見表2。

表2 泡沫混凝土剪力墻在ABAQUS中模擬的塑性參數(shù)

2.2 軸向荷載的確定

以建筑結(jié)構(gòu)的軸壓比作為參數(shù)變量，對輕鋼泡沫混凝土剪力墻受到縱向承載力時出現(xiàn)的變形進行分析。通過該方法模擬在地震作用下輕鋼泡沫混凝土剪力墻的受力環(huán)境。剪力墻軸壓比計算公式為：

式中：fc——輕鋼泡沫混凝土的軸向抗壓強度設計值；

Ac——輕鋼泡沫混凝土軸向抗壓強度面積；

fs1——剪力墻輕鋼端立柱下軸向抗壓強度設計值；

As1——剪力墻輕鋼端立柱下軸向抗壓強度面積；

fs2——剪力墻輕鋼中立柱下軸向抗壓強度設計值；

As2——剪力墻輕鋼中立柱下軸向抗壓強度面積；

N——軸向壓力值。

2.3 軸心受壓承載力的計算

2.3.1 立柱計算

根據(jù)《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB 50018-2002）獲取立柱長度系數(shù)“μ”建議值[3、4]，由此得出的立柱軸心受壓的承載力計算公式為：

式中：N——試驗獲得輕鋼泡沫混凝土剪力墻立柱的縱向承載力；

f——使用鋼材的抗拉、抗壓以及抗彎強度的設計值；

Ae——剪力墻立柱的有效截面面積；

φ——立柱的穩(wěn)定系數(shù)。

使用MATLAB 進行迭代計算，獲得剪力墻組合墻體立柱的有效截面面積和構(gòu)件受壓后的穩(wěn)定系數(shù)，在《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中可查詢到長細比“λ”的值。因受壓墻體實際軸心所受壓力板的約束很大，所以本文將按立柱繞y軸的彎曲破壞進行計算，彎曲屈曲下λ為λy，即：

式中：L——長度，在本文中可取構(gòu)件的幾何長度；

iy——構(gòu)件i的毛截面對其y軸的回轉(zhuǎn)半徑。

對軸心受壓墻體Q1 進行計算并得出λy的實際數(shù)值，然后將其代入式（5），從而得出剪力墻結(jié)構(gòu)立柱的長度系數(shù)值，在充分考慮到安全儲備條件問題后，給出剪力墻Q1 立柱計算長度系數(shù)的建議值。因軸心受壓輕鋼泡沫混凝土剪力墻的立柱破壞模式為局部屈曲，并且腹板與兩側(cè)翼緣屬于共同屈曲，所以認為立柱的全水平截面均為有效面積，式（4）中Ae的值應當取立柱的全截面面積“A”。將鋼結(jié)構(gòu)框架的螺釘間距分別調(diào)整為400mm、300mm和200mm，對填充混凝土形成剪力墻所獲得的立柱長度系數(shù)進行擬合，從而得到螺釘間距“l(fā)”，l對剪力墻結(jié)構(gòu)立柱計算長度系數(shù)的影響為：

因輕鋼泡沫混凝土剪力墻鋼結(jié)構(gòu)中，拉條鋼對結(jié)構(gòu)立柱的承載力影響較小，因此將不考慮拉條進行計算。將長度系數(shù)建議值代入式（5）中，得出剪力墻結(jié)構(gòu)立柱長細比λ的值，進而由式（1）得到剪力墻結(jié)構(gòu)立柱的承載力，剪力墻中結(jié)構(gòu)立柱的各項數(shù)據(jù)見表3。

表3 剪力墻結(jié)構(gòu)立柱的各項數(shù)值

2.3.2 不同參數(shù)設計下剪力墻結(jié)構(gòu)立柱的承載力設計建議

考慮到μ的值在不同參數(shù)設計下需要反復計算和套用，對建筑工程結(jié)構(gòu)設計而言十分不便。因此在考慮到是否使用泡沫混凝土、拉條和自攻螺釘間距等影響因素后，添加修正系數(shù)“C1、C2、C3”進行計算，進而得到新的剪力墻結(jié)構(gòu)立柱縱向承載力計算式：

式中：C1——輕鋼泡沫混凝土剪力墻在樓宇結(jié)構(gòu)中受上層壓力板影響承載力的放大系數(shù)；

C2——澆筑泡沫混凝土后對墻體立柱的承載力影響放大系數(shù)；

C3——自攻螺釘?shù)拈g距對剪力墻結(jié)構(gòu)立柱承載力影響的放大系數(shù)。

C1與C2可視為在得出承載力試驗值的基礎(chǔ)上給出的安全儲備建議值。以承載力試驗得出不同螺釘間距的承載力試驗值為基礎(chǔ)進行擬合，進而獲得不同螺釘間距在輕鋼結(jié)構(gòu)中的放大系數(shù)值，則C3的計算式為：

剪力墻輕鋼立柱結(jié)構(gòu)承載力的計算值與試驗值數(shù)據(jù)見表4。

表4 剪力墻結(jié)構(gòu)立柱承載力的試驗值與計算值比較

3 有限元模型

3.1 單元類型及網(wǎng)格劃分

通過S4R殼體單元對C型冷彎薄壁鋼進行有限元模擬，網(wǎng)格規(guī)格為25mm×25mm；使用C3D8R單元對泡沫混凝土剪力墻進行有限元模擬，網(wǎng)格規(guī)格為邊長50mm的六面體網(wǎng)格。

3.2 邊界條件及荷載施加

為進一步加強模型驗證得出數(shù)據(jù)的精確度，探究輕鋼泡沫混凝土制成剪力墻的抗震性能，將結(jié)合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）給出的鋼筋混凝土剪力墻一級抗震軸壓比限制進行計算，即本文按一級抗震標準進行設計時，單面剪力墻軸壓比限值將取0.35來進行分析計算[5-8]。依照公式（3）和最后受力計算得出不同軸壓比下輕鋼泡沫混凝土剪力墻的軸向壓力設計值，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建3個有限元模型，數(shù)據(jù)見表5。

表5 有限元模型參數(shù)

剪力墻模型的頂面與底面分別采用Y-1鋼梁和Y-2地梁通過接觸綁定的方式對其進行約束。在進行模擬時需要將模型墻體與地梁完全固定，即需要將輕鋼泡沫混凝土剪力墻模型與地梁底部6個自由度全部給予約束，進而模擬實際建筑施工結(jié)構(gòu)部件的一體性，避免墻體松動造成模擬時剪力墻結(jié)構(gòu)受力不均勻產(chǎn)生的誤差數(shù)據(jù)。在ABAQUS軟件上模擬時需要將剪力墻頂面與底面分別參照實際模型參考點Y-1和Y-2進行耦合約束，將試驗所涉及的邊界條件以及計算所涉及的三種不同軸向壓力施加在參考點上。

模擬計算共分為2個分析階段：第一階段，主要需要控制剪力墻頂部加載梁的豎向荷載，即對參考點Y-1施加三種不同的軸向壓力；第二階段，控制試驗整體結(jié)構(gòu)的水平位移加載，即對參考點Y-1施加水平方向上的位移作用力。

4 計算結(jié)果

4.1 輕鋼泡沫混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的損傷分析

通過非線性有限元模擬獲得了輕鋼泡沫混凝土剪力墻受壓損傷云圖，見圖2。

圖2 剪力墻的承壓受損云圖

由圖2能夠得出，由輕鋼泡沫混凝土制成的剪力墻受壓損傷區(qū)域主要出現(xiàn)在剪力墻與底板之間，最大損傷值可達到0.964。隨著施加在剪力墻上承載力的不斷增加，輕鋼泡沫混凝土剪力墻的損傷區(qū)域開始逐漸向上延伸，并且泡沫混凝土結(jié)構(gòu)的受壓損傷面積同樣開始增大。輕鋼泡沫混凝土剪力墻與底板銜接處損傷最為嚴重，其泡沫混凝土結(jié)構(gòu)幾乎失去材料本身的理化性質(zhì)[9-11]。

4.2 輕鋼骨架的應力分析

通過上述非線性有限元模擬后得到輕鋼泡沫混凝土剪力墻鋼結(jié)構(gòu)骨架應力云圖，見圖3。

圖3 剪力墻鋼結(jié)構(gòu)的承壓受損云圖

由圖3 可知，隨著建筑整體軸壓比的不斷增大，輕鋼骨架的受力形變區(qū)域也開始向墻體上部延伸，并且隨著受力面積的不斷增加，其底部立柱同樣會出現(xiàn)較大的局部屈曲變形，導致剪力墻整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失衡。

4.3 荷載與位移骨架的曲線分析

對上述3 種不同軸壓比試驗下輕鋼泡沫混凝土剪力墻構(gòu)件的承載力分析，通過模擬數(shù)據(jù)可繪制輕鋼泡沫混凝土剪力墻的水平荷載與位移關(guān)系的骨架曲線，見圖4。

圖4 不同軸壓比下剪力墻試件骨架曲線

由圖4曲線可知，輕鋼泡沫混凝土剪力墻試件具有很好的承載力和彈塑性形變能力。因輕鋼立柱框架填充的是泡沫混凝土，可對其平面外變形產(chǎn)生一定約束，進而阻止建筑結(jié)構(gòu)受到載荷力時過早出現(xiàn)局部屈曲的情況，所以輕鋼泡沫混凝土剪力墻才具有較高的承載能力和側(cè)向剛度。經(jīng)軟件分析，結(jié)果顯示：在施加壓力初期，剪力墻試件的軸壓比并未對試件的承載力性能產(chǎn)生較大影響。在加載位移接近8mm 之后，其軸壓比對剪力墻試件承載力的影響才開始出現(xiàn)顯著變化。由圖3數(shù)據(jù)能夠看出，當n=0.15 時剪力墻是最先達到荷載峰值，當n=0.10時峰值的荷載介于n=0.15和n=0.05之間，當n=0.05時剪力墻的峰值荷載最小，由此表明輕鋼泡沫混凝土剪力墻的承載能力會隨著軸壓比的增大而提高。同時，從模擬數(shù)據(jù)曲線中還能夠看出n=0.05時曲線會比n=0.15 時要平緩很多，證明該剪力墻的變形能力會隨著軸壓比的增大而降低。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文通過ABAQUS軟件對綠色環(huán)保建筑材料制成的剪力墻力學結(jié)構(gòu)進行分析，得出以下結(jié)論：

（1）隨著軸壓比從0.05增加至0.15，輕鋼泡沫混凝土剪力墻的實際承載能力會出現(xiàn)一定程度的提高，但混凝土構(gòu)件的變形能力卻有所下降。因此，在實際建筑施工中應當選擇適當軸壓比，以充分發(fā)揮出輕鋼泡沫混凝土的力學性能。

（2）因輕鋼泡沫混凝土制成的混凝土構(gòu)件具有較高的結(jié)構(gòu)韌性、環(huán)保性、保溫性以及抗震性，其制成的混凝土構(gòu)件不會產(chǎn)生較高的環(huán)境污染與建筑垃圾，可在全國范圍內(nèi)進行推廣應用，這是土木工程朝著綠色環(huán)保方向發(fā)展的重要體現(xiàn)。