冷弯薄壁U型钢—稻草板组合墙体轴压力学性能有限元分析★

2018-08-15李明芮刘相麟段玉鑫刘丹彤张秀华

山西建筑 2018年19期

何欣李明芮刘相麟段玉鑫刘丹彤张秀华

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

随着科技的进步，人们对于衣食住行等各方面的要求水平也在不断上升。其中人类对于建筑的要求也从最原始的仅满足于居住需求提升为要求舒适性、功能性更好的高品质建筑。这就要求推出新型的建筑材料来满足各种新型的使用用途。因此，近年来学者们开始了关于环保材料应用到建筑领域的研究。稻草板这种新型的建筑材料正是由此而生的。冷弯薄壁型钢—稻草板结构是一种新型的组合结构，结合冷弯薄壁型钢轻质高强便于加工及纸面稻草板绿色环保消耗农业废物等特点，可优化单纯钢材易失稳、农作物废料难以处理等问题[1-5]。本文以冷弯薄壁U型钢—稻草板组合墙体为试验对象，通过ABAQUS分析软件进行建模，研究墙体受轴向均布荷载作用下，墙体高厚比、钢墙架柱壁厚对墙体稳定承载力影响，为其在实际工程中的应用提供理论基础。

1 有限元建模

冷弯薄壁U型钢—稻草板组合墙体，由冷弯薄壁U型钢与稻草板通过自攻螺钉连接组装而成，稻草板的厚度为58 mm。

1.1 试件设计

利用有限元ABAQUS对不同高厚比、不同型钢厚度的组合墙体进行模拟分析，研究其对墙体稳定承载力的影响，U型钢截面尺寸80 mm×40 mm×2.5 mm组合墙体厚t=196 mm，组合墙体具体参数见表1。

表1 组合墙体尺寸参数

1.2 材料参数

本试验稻草板及冷弯薄壁U型钢的材料属性是根据相关材性试验数据所得到的，如表2所示。

表2 材料参数

1.3 有限元模型

创建稻草板及冷弯薄壁U型钢的三维部件，并为其创建截面属性，选择均质实体，赋予所绘制部件材料属性。将各部件进行组装，为组合墙体选取C3D8R(八节点线性六面体单元)单元，并为其划分网格，如图1所示。模型顶端设置参考点RP-1，耦合参考点与墙体上表面加载区域的Z方向自由度，使其与参考点有相同的Z方向位移，以模拟千斤顶竖向加载。约束参考点及上表面除Z方向外其他方向的自由度(U1，U2)；约束墙体下端的所有方向自由度，有限元模型采用力加载进行控制，每级加载10 kN。

2 计算结果及分析

有限元试验结果见表3。

表3 组合墙体稳定承载力

2.1 组合墙体高厚比对稳定承载力影响

依据WU-1～WU-4试件结果数据绘制荷载—位移对比曲线如图2所示。对表3和曲线的数据分析可知，墙体的稳定承载力会随墙体高厚比的增加而呈现整体降低的趋势，高厚比增加1倍，稳定承载力降低了31.9%。说明当高厚比增加到一定限度后会对组合墙体的整体承载能力以及稳定性产生较大影响。

说明当开洞率增加到一定限度后会对组合墙体的整体承载能力以及稳定性产生较大影响。

2.2 墙架柱壁厚对墙体稳定承载力影响

依据WU-2,WU-5和WU-6试件试验结果数据分析型钢厚度对钢—稻草板组合墙体承载力的影响，达到极限承载力时应力分布如图3所示，荷载—位移曲线如图4所示。

不改变稻草板尺寸、高厚比等其他因素，仅将U型钢壁厚调整为2.5 mm,2 mm,1.5 mm，WU-2较WU-5型钢有效截面积增大了24.2%，稳定承载力提升了25%，WU-5较WU-6型钢有效截面积增加32.5%，稳定承载力提升了33.3%，因此可认为冷弯薄壁U型钢厚度的增加，稳定承载力也会显著增长。