高性能夾芯外掛墻板的有限元模擬研究

伍薪澎 陳婉清

（1.長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.武漢譽(yù)城九方建筑有限公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

裝配式建筑是指把傳統(tǒng)建造方式中的大量現(xiàn)場作業(yè)工作轉(zhuǎn)移到工廠進(jìn)行，在工廠加工制作好建筑用構(gòu)件和配件（如樓板、墻板、樓梯、陽臺(tái)等），運(yùn)輸?shù)浇ㄖ┕がF(xiàn)場，通過可靠的連接方式在現(xiàn)場裝配安裝而成的建筑［1］。預(yù)制混凝土夾芯墻板主要由外葉板、夾芯層、內(nèi)葉板、連接件組成，起到飾面、保溫等作用，是裝配式建筑的基本圍護(hù)構(gòu)件［2］。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)各類夾芯墻板的抗彎、抗剪、抗壓、組合度等方面的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)探索。于士彥［3］對(duì)超高性能復(fù)合夾芯外掛墻板及其配套隔熱連接件的力學(xué)性能開展了研究，歸納了墻板的破壞模式，發(fā)現(xiàn)該墻板的破壞模式符合四邊簡支雙向板的破壞模式，滿足一般風(fēng)荷載作用下正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)的裂縫及位移限值要求。周文財(cái)［4］通過對(duì)3塊足尺新型夾芯保溫板進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)聚苯顆粒纖維增強(qiáng)混凝土和鋼筋桁架對(duì)于夾芯保溫板的極限承載力的貢獻(xiàn)明顯，并且鋼筋桁架可有效抑制裂縫發(fā)展，提高夾芯板的延性，增加鋼筋桁架的高度、夾芯層厚度可提高夾芯保溫板的剛度。Daniel等［5］進(jìn)行了預(yù)制混凝土夾芯墻板在四點(diǎn)彎曲和沖切下的抗彎試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在四點(diǎn)彎曲的情況下，面層的破壞是由于混凝土破壞引起的；在沖切的情況下，面層的破壞則是剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的共同作用。在這兩種荷載條件下預(yù)制混凝土夾芯墻板開裂彎矩與傳統(tǒng)混凝土板開裂彎矩相當(dāng)。

本研究設(shè)計(jì)一種多功能實(shí)心區(qū)域預(yù)制高性能混凝土夾芯外掛墻板（簡稱夾芯墻板），結(jié)合保溫—承重一體化的理念，使得內(nèi)外葉板共同承擔(dān)外部荷載，通過有限元模擬初步探索該類夾芯墻板的抗彎性能，為后續(xù)試驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

1 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)試件為2 塊夾芯墻板，重點(diǎn)研究不同混凝土強(qiáng)度、不同混凝土面層厚度對(duì)外掛夾芯墻板的力學(xué)性能的影響。所有試件均由內(nèi)、外葉板和中間保溫層組成，內(nèi)外葉板采用C30 或C60 混凝土澆筑，面層厚度為40 mm 或30 mm，試件總厚度為160 mm，中間保溫層芯材為模塑聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS板），內(nèi)外葉板中均設(shè)置HRB400E熱軋帶肋鋼筋焊接制作的鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑為6 mm。

試驗(yàn)構(gòu)件共有QB1、QB2 兩組，其中QB1 尺寸為2 250 mm×1 285 mm，QB2 尺寸為2 250 mm×1 285 mm，中間采用100 mm×100 mm 的實(shí)心區(qū)域連接，實(shí)心區(qū)域中設(shè)置對(duì)角拉結(jié)鋼筋。試件的設(shè)計(jì)參數(shù)具體見表1。

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

2 有限元模擬

根據(jù)實(shí)際尺寸建立了預(yù)制混凝土夾芯墻板的ABAQUS有限元模型，如圖1所示。

由于實(shí)際工程中墻板的受力情況復(fù)雜，因此對(duì)模型做出一定簡化和基本假定，便于分析計(jì)算：①實(shí)心區(qū)域與內(nèi)外葉板黏結(jié)良好，無相對(duì)滑移；②保溫板的強(qiáng)度相對(duì)于鋼筋和混凝土板而言，屈服強(qiáng)度非常小，因此不考慮聚苯乙烯泡沫塑料板的作用；③假定混凝土為各項(xiàng)同性、均質(zhì)材料；④忽略混凝土的徐變、溫差等引起的應(yīng)力和變形狀態(tài)。

通過提取夾芯墻板的最大荷載時(shí)的應(yīng)力云圖，可直觀地描述試件的受力情況及裂縫的分布位置，進(jìn)一步對(duì)夾芯墻板的破壞形態(tài)做出大致的驗(yàn)證。各試件的等效應(yīng)力云圖如圖2所示。從圖2可以看出，內(nèi)、外葉板混凝土面層的最大應(yīng)力部分出現(xiàn)在荷載加載點(diǎn)的純彎段區(qū)域，鋼筋網(wǎng)跨中部分基本達(dá)到屈服。在模擬試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，跨中撓度已經(jīng)超過了計(jì)算板跨的1/50，即認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到了極限承載力。

圖2 試件Mises應(yīng)力云圖

3 參數(shù)化分析

在已有的研究基礎(chǔ)上，對(duì)影響夾芯墻板抗彎性能的主要因素進(jìn)行分析，并在QB2墻板的基礎(chǔ)上進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的數(shù)值模擬分析，對(duì)比分析不同混凝土強(qiáng)度、混凝土面層厚度、鋼筋強(qiáng)度等級(jí)、鋼筋間距對(duì)夾芯墻板抗彎性能的影響規(guī)律，為建立合理的預(yù)制混凝土夾芯墻板的設(shè)計(jì)方法提供參考依據(jù)。

3.1 混凝土強(qiáng)度對(duì)墻板抗彎性能的影響

通過建立不同混凝土強(qiáng)度的夾芯墻板模型，研究混凝土強(qiáng)度對(duì)抗彎性能的影響，以試件QB2作為基準(zhǔn)模型，在其他參數(shù)一致的情況下，建立混凝土強(qiáng)度為C25、C30、C40、C50、C60 等5 種模型，通過ABAQUS 軟件進(jìn)行計(jì)算，不同內(nèi)外葉板厚度的夾芯墻板的荷載—撓度曲線如圖3所示。

圖3 不同混凝土強(qiáng)度模型的荷載—撓度曲線

極限狀態(tài)分為正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)，參照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與檢測技術(shù)》的規(guī)定［6］：以墻板跨中最大變形撓度達(dá)到跨度的1/200時(shí)的荷載作為正常使用極限荷載；以墻板跨中最大變形撓度達(dá)到跨度的1/50，作為承載力極限荷載，具體見表2 所示。由表2 可知，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的降低，夾芯墻板的剛度呈下降趨勢，但是隨著強(qiáng)度的降低，下降的速度也隨之減小。

表2 不同混凝土強(qiáng)度模型的特征荷載

3.2 內(nèi)外葉板厚度對(duì)墻板抗彎性能的影響

研究內(nèi)外葉板厚度對(duì)夾芯墻板的抗彎性能的影響，建立了20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm厚的內(nèi)外葉板的5 種夾芯墻板模型，通過ABAQUS軟件進(jìn)行計(jì)算模擬分析，將荷載—撓度曲線進(jìn)行對(duì)比，不同內(nèi)外葉板厚度的夾芯墻板的荷載—撓度曲線如圖4 所示。根據(jù)正常使用極限狀態(tài)荷載及承載力極限荷載，得到不同內(nèi)外葉板厚度的墻板極限荷載，見表3。由表3 可知，隨著混凝土面層厚度的增加，夾芯墻板剛度保持穩(wěn)定增長，極限承載力增長速度幾乎保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 不同內(nèi)外葉板厚度模型的荷載—撓度曲線

表3 不同內(nèi)外葉板厚度模型的特征荷載

3.3 鋼筋間距對(duì)墻板抗彎性能的影響

為研究鋼筋間距對(duì)夾芯墻板的抗彎性能影響，設(shè)置了200 mm×200 mm、250 mm×250 mm、300 mm×300 mm、350 mm×350 mm 的鋼筋間距，并建立夾芯墻板模型，通過ABAQUS進(jìn)行模擬分析計(jì)算，不同鋼筋間距的預(yù)制混凝土夾芯墻板的荷載—撓度曲線如圖5所示。

圖5 不同鋼筋間距模型的荷載—撓度曲線

根據(jù)正常使用極限狀態(tài)荷載以及承載力極限荷載，得到不同鋼筋間距的墻板極限荷載，見表4。從表4可知，鋼筋網(wǎng)的間距不斷增大，夾芯墻板的剛度基本不變化，單純改變鋼筋網(wǎng)間距對(duì)夾芯墻板的剛度影響不大。

表4 不同鋼筋間距模型的特征荷載

3.4 鋼筋強(qiáng)度對(duì)墻板抗彎性能的影響

工程中常用的鋼筋強(qiáng)度等級(jí)有:HPB300、HRB335、HRB400、HRB400E、HRB600，本文以鋼筋的強(qiáng)度為變量，研究夾芯墻板的抗彎性能與鋼筋強(qiáng)度之間的關(guān)系。采用不同鋼筋強(qiáng)度等級(jí)的夾芯墻板的荷載—撓度曲線如圖6所示。

圖6 不同鋼筋強(qiáng)度模型的荷載—撓度曲線

根據(jù)正常使用極限狀態(tài)荷載以及承載力極限荷載，得到不同鋼筋間距的墻板極限荷載，見表5。由表5 中可知，隨著鋼筋強(qiáng)度等級(jí)不斷增加，預(yù)制混凝土夾芯墻板的剛度提高甚小，單純改變鋼筋強(qiáng)度等級(jí)對(duì)預(yù)制混凝土夾芯墻板的剛度影響不大。

表5 不同鋼筋強(qiáng)度等級(jí)模型的特征荷載

4 結(jié)論

利用ABAQUS 對(duì)QB1、QB2 墻板進(jìn)行模擬分析，對(duì)比分析混凝土強(qiáng)度、內(nèi)外葉板厚度、鋼筋間距、鋼筋強(qiáng)度等級(jí)、對(duì)高性能夾芯外掛墻板抗彎性能的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論。

①ABAQUS 模擬的各試件模型的最大應(yīng)力出現(xiàn)在加載點(diǎn)附近，鋼筋網(wǎng)基本達(dá)到屈服。

②夾芯墻板抗彎性能與混凝土強(qiáng)度、內(nèi)外葉板厚度關(guān)系較大；鋼筋間距、鋼筋強(qiáng)度等級(jí)對(duì)夾芯墻板的抗彎性能基本沒有影響。夾芯墻板的抗彎性能隨著混凝土強(qiáng)度、內(nèi)外葉板厚度的增大而增大。

③在實(shí)際工程中可以通過提高混凝土墻板、內(nèi)外葉板厚度來獲得更加優(yōu)異的抗彎性能。