偏心荷载作用下隐框保温墙体有限元模型的建立★

罗 烨 钶

(浙江工业职业技术学院建筑工程学院，浙江 绍兴 312000)



偏心荷载作用下隐框保温墙体有限元模型的建立★

罗 烨 钶

(浙江工业职业技术学院建筑工程学院，浙江 绍兴 312000)

应用ANSYS 结构有限元分析软件，对偏心荷载作用下的4个隐框保温墙体进行了分析，探讨了墙板中钢筋应力的变化及墙板受压承载力，通过比对试验结果和有限元计算结果，验证了该墙板有限元分析方法的可行性。

隐框保温墙体，有限元模型，受压承载力，偏心荷载

隐框保温墙体是一种新型环保型保温墙体。该墙体由环保型废弃塑料改性砌块组砌并在墙体预留孔洞中浇筑钢筋混凝土隐形框架形成整体。针对前期试验数据，通过ANSYS结构有限元分析软件建立有限元结构分析模型，研究了偏压荷载作用下的墙体承载力以及钢筋应变情况，通过比对试验结果和有限元计算结果，对该墙板的有限元计算模型进行验证。结果表明：本文提出的偏心荷载作用下隐框保温墙体有限元模型的计算结果可靠度较高，可以满足工程要求。

1 有限元模型的建立

1.1 建模过程的确定

由于模型计算结果的精度和墙体的组成、材料本构模型、边界处理方式、材料间相互作用、块材间组合方式、有限元模型建立方法有很大关系。同时为了能够分析模型在加载过程中的破坏模式，钢筋应变等重要数据，如何建模以及模型建立过程中如何确定参数是关键[1，2]。

根据试验模型，墙体内混凝土、钢筋以及砌块之间的尺寸关系，建模考虑自底向上的先建立点,再由点连成线,然后由线组合成面,最后由面组合成体的分离式有限元模型。这样建模工作量虽大，但能够明确知道有限元模型中各个单元位置，利于模型加载后的数据分析，能够清晰了解结构内各个部位内的应力应变情况。

在具体建立墙体模型时，考虑模型内混凝土和块材用Solid65单元，用Link8单元建立混凝土柱中钢筋模型，其节点和混凝土单元共用，使得二者变形协调，这样可直观地获得钢筋的应力。同时试样上下加载钢板采用Solid45单元。试样的有限元分析模型和单元划分如图1所示。

1.2 墙板中不同材料的本构模型

(1)

混凝土强度准则按照William-Warnke五参数破坏准则，能较好反映混凝土在三轴应力状态下的破坏特性。

2)砌块本构模型，砌块在单轴应力下的本构关系见式(2)[5]。

σ砌=0.056 9ε砌0.673 4

(2)

其中,σ砌为砌块的应力，MPa；ε砌为砌块的应变，×10-5。砌块的破坏准则同混凝土。

混凝土与砌块的连接一律考虑为固结，二者在有限元分析时规定材料开裂面的抗剪等修正系数、材料闭合面的抗剪等修正系数等，均考虑对裂缝的处理。这样使模型计算较简单，省时，易收敛，可较好模拟开裂前后的三维应力状况。

3)钢筋的本构模型。钢筋本构关系根据文献[6]提供的二折线模型，钢筋牌号为HPB300级的钢，假定其拉、压屈服强度相等。

2 试验概况

2.1 试样

试验设计了四片相同高度和相同配筋的墙体试样，外形尺寸为600 mm×125 mm×900 mm，高厚比为7.2，墙体内隐框混凝土设计强度等级为C20，其中再生ABS工程塑料掺量均为5%，施压偏心距分别为200 mm，150 mm，100 mm，50 mm。用于测试不同偏心距对墙体的变形、承载力等性能的影响，各试样编号为WP1～WP4，配筋情况见图2，与试样浇筑一体的上下钢筋混凝土梁为荷载分配梁。

2.2 材料的物理力学性能

试样中钢筋为HPB300级钢筋，直径为6，实测截面面积为31.27 mm2，屈服强度fy=341.31 MPa，极限强度fu=543.02 MPa，屈服应变0.163%，延伸率12.31%。砌块弹性模量1 105 N/mm2，含水率为14.1%，干容重为620 kg/m3，立方体抗压强度为2.01 N/mm2，棱柱体抗压强度为1.56 N/mm2[6]。混凝土设计强度C20，具体指标如表1所示[7]。

表1 混凝土强度指标

3 偏心荷载下墙体有限元分析

应用ANSYS有限元分析软件程序对墙体模型进行分析。根据设计，在模型顶部设定偏心位置施加竖向偏心荷载；墙顶平面外侧向位移作约束，墙底固接；采用力的收敛准则、增量法进行加载[8]。

3.1 模型的极限荷载

表2 结果比对

表2所列的是试验结果和有限元分析的对比情况。可见有限元分析模型的计算结果和试验结果很接近，比如试样WP1的对比结果几乎相同，而即使WP3的比对差距最大，但也能满足工程要求。

3.2 荷载—位移分析

为了验证墙体有限元模型分析结果精度的合理性，选取了模型上端中部作为分析对象，研究其应变—荷载关系曲线，有限元计算结果与试验结果对比见图3。从图3来看，有限元模型与试验结果的吻合度较理想。

3.3 试样钢筋的应变分析

在分析试样竖向荷载—位移曲线基础上，为了进一步验证墙体有限元计算模型，选取了模型内上部钢筋作为分析对象，研究其应变—荷载关系曲线，有限元计算结果与试验结果对比见图4。从图4来看，有限元模型与试验结果的吻合度十分理想。

4 结语

该墙体有限元数值模型是以自底向上方式建立的，通过细致建模综合分析，有限元计算值与试验值吻合理想，有限元计算模型具有较高可信度，满足工程精度要求，可以在精细分析各项参数和试验因素条件下进行扩展计算和分析。通过既有试验数据验证有限元结构分析模型并反向指导试验研究的开展，是一条继续研究隐框保温墙体的有效途径。

[1] 曾 攀.有限元分析及应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2] 江见鲸，陆新征.混凝土结构有限元分析[M].第2版.北京：清华大学出版社，2013.

[3] 余志武，丁发兴.混凝土受压力学性能统一计算方法[J].建筑结构学报，2003，24(4)：41-46.

[4] 丁发兴，余志武.混凝土单轴力学性能统一计算方法[EB/OL].北京：中国科技论文在线，2006-06-13.

[5] 王秀芬.加气混凝土性能及优化的试验研究[D].西安：西安建筑科技大学硕士学位论文，2006.

[6] JGJ/T 17—2008,蒸压加气混凝土建筑应用技术规程[S].

[7] GB 50010—2010,混凝土结构设计规范[S].

[8] 王新敏，李义强，许宏伟.ANSYS结构分析单元与应用[M].北京：人民交通出版社，2011.

Establishment of concealed multi-ribbed frame and thermal insulation wall’s finite element model under eccentric loading★

Luo Yeke

(CivilEngineeringDepartment,ZhejiangIndustryPolytechnicCollege,Shaoxing312000,China)

ANSYS is adopted to carry out FEM analysis for 4 concealed multi-ribbed frame and thermal insulation walls under eccentric loading. The vertical bearing capacity and the development process of reinforcement strain are studied. The simulated results have been compared with the test results and the feasibility of FEM method is validated.

concealed multi-ribbed frame and thermal insulation wall， FEM， bearing capacity， eccentric load

2016-11-27 ★:浙江省教育厅科研项目(Y201225574)

罗烨钶(1982- )，男，讲师

1009-6825(2017)04-0041-03

TU311.41

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