水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体尺寸效应数值模拟*

2018-10-08杨璐，陈虹，刘洋

沈阳工业大学学报 2018年5期

杨璐，陈虹，刘洋

(1. 沈阳工业大学建筑与土木工程学院，沈阳 110870； 2. 沈阳铸锻工业有限公司大型铸件分公司，沈阳 110142)

近年来，国家把研究新型建筑材料作为发展“资源节约型，环境友好型”社会的重要内容[1-2].为了响应国家提倡发展装配式建筑理念，水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体作为一种具有节能环保、抗震性能好、隔热防火较好、施工方便、造价低等优点的新型墙体被设计与制造.该墙体由水泥、聚苯颗粒、水和其他外加剂原料组成，符合国家绿色建筑的理念[3]，因此，其具有广泛的建筑产业应用前景，同时产生较大的经济效益与环保效益.众多学者对此墙体性能及墙体参数进行了研究.蔡贤辉等[4]对6片不同高宽比的水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体进行轴向压力和水平往复侧推力作用下的试验，分析了墙体的抗侧强度、刚度和延性等力学性能；孙利铭[5]研究了采用价格较低的本土化材料进行替代水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体材料的可能性，从而降低模壳的生产成本，提高该墙体的市场竞争力；陈晟[6]釆用ANSYS有限元分析软件和SOLID65单元模拟了格构柱，建立了格构柱有限元模型，并分别对风作用下的均布荷载和地震作用下的结构响应进行非线性数值模拟分析，表明格构柱能够提高墙体承载和变形能力；王志泽[7]通过对不同高宽比下的三组试件施加低周往复荷载进行拟静力试验研究，并对试验结果进行理论分析，研究了格构式再生混凝土墙体的抗震性能；史崇新[8]对不同高宽比的6片一体化墙体进行抗侧力试验，得到了不同高宽比下墙体的破坏特征.

为了研究格构柱平面布置及墙体高宽比对水泥聚苯模壳格构式墙体抗震性能的影响，分析水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体的受力过程，本文采用有限元分析软件建立水泥聚苯模壳格构式墙体有限元分析模型，研究其在低周往复荷载作用下的结构响应.

1 试件的几何尺寸

本文所采用的墙体尺寸参数见文献[8]，模壳尺寸采用辽宁省地方性规程推荐的通用性模壳尺寸，即900 mm×600 mm×250 mm，模壳内部格构梁和柱之间中心间距均为300 mm，墙体采用普通C25混凝土，纵向受力钢筋采用直径为12 mm的HRB400级钢筋，其他钢筋采用HPB300级钢筋.格构式墙体的具体尺寸如图1所示(单位：mm).为了研究格构柱平面布置及墙体高宽比对水泥聚苯模壳格构式墙体抗震性能的影响，根据墙体高宽比和构造梁柱的平面布置数量建立了四组墙体，墙体构造参数如表1所示.

图1 格构式墙体的尺寸Fig.1 Size of latticed wall 表1 不同试件的几何参数Tab.1 Geometric parameters for different specimens

试件编号墙体尺寸mm高宽比格构柱数量个格构梁数量个GW-11800×850×2503∶135GW-21800×1450×2503∶255GW-31800×2050×2501∶175GW-41800×2650×2503∶495

2 建立有限元模型

2.1 材料的本构关系

2.2 单元选取及网格划分

水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体采用结构化网格划分技术，水泥聚苯模壳采用8节点三维实体单元(C3D8R)，混凝土采用线性三角形与四面体单元(C3D4)，钢筋采用两节点三维模型桁架单元(T3D2).对结构应力分布较为集中的区域进行网格细化，如构造梁和柱相交处等局部位置，如图2所示.

图2 网格划分示意图Fig.2 Schematic mesh division

2.3 接触关系

为了真实反应水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体实际工作中应力应变的传递途径和传递方式，本文中钢筋与混凝土的接触关系为：将具有定义属性的钢筋骨架嵌入到混凝土骨架中，即嵌入混凝土单元之内的钢筋单元节点的自由度会被约束，忽略钢筋与混凝土之间的粘结滑移，保证在受力过程中协同工作.混凝土与模壳之间的接触关系采用有限元软件中自带的库仑摩擦模型，两者之间的接触关系为法向采用“硬接触”的方式传递，切向设置为摩擦约束，有利于墙体模型的收敛.

2.4 边界条件及加载方式

在加载梁顶部的格构柱所对应的位置均加载50 kN的竖向力，并在加载梁侧面的耦合点处施加水平往复荷载.为了保证墙体平面外稳定性，约束加载梁和墙体的Z轴位移和转角，同时对基础梁底部的固定端进行全界面约束，具体加载方式及边界条件如图3所示.

3 有限元模拟结果及分析

3.1 墙体的荷载与位移关系曲线

图3 加载方式及边界条件Fig.3 Loading modes and boundary conditions

图4 GW-1试验与模拟破坏形态对比Fig.4 Comparison in failure morphologies of test and simulation for GW-1 wall

图5 GW-1滞回曲线对比Fig.5 Comparison in hysteresis curves for GW-1 wall

图6 不同墙体的滞回曲线对比Fig.6 Comparison in hysteresis curves for different walls

由图6可知，四组墙体滞回曲线的形状比较饱满，反映整体结构的塑性变形能力比较强.在外力较小时，发生弯剪破坏的构件的滞回曲线呈饱满状，随着剪力增大，刚度发生急剧退化.捏缩效应对滞回曲线产生滑移影响，滞回环的面积较大，也具有较好的抗震性能.对比四组墙体的滞回曲线可知，墙体的受力性能受轴压比影响较大，墙体的极限承载力随高宽比的增大而减小，随着格构柱数量的增加而增大.

图7 不同墙体的骨架曲线对比Fig.7 Comparison in skeleton curves for different walls

由图7可知，随着水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体的高宽比越小，骨架曲线对应的值越大，格构柱越多，墙体的抗震性能越强.GW-4、GW-3、GW-2、GW-1墙体结构中骨架曲线有明显下降趋势，因此，高宽比最小、格构柱数量最多的GW-4墙体的整体抗侧承载力最优.

3.2 墙体的破坏形态

四组墙体破坏阶段的应力云图如图8所示.由图8可知，GW-1墙体的高宽比为3∶1，应力集中现象逐渐延伸到中间的格构柱，最后当达到墙体的极限状态时，受拉端格构式墙体的根部与底梁接触区域的应力集中现象最为明显，并已扩散到整个格构柱的根部，墙体的其他部位应力集中现象并不明显，为典型的弯曲破坏形态；GW-2墙体的高宽比为3∶2，与GW-1墙体的破坏现象基本一致，当达到墙体的极限状态时，受拉端的格构柱根部应力集中明显，塑性变形较为明显，但墙体其他部位的应力集中现象并不明显，同样为弯曲破坏形态；GW-3墙体的高宽比为1∶1，当该水泥聚苯模壳格构式墙体达到极限状态时，受压侧格构柱的底部出现斜向应力集中现象，为弯剪破坏形态；GW-4墙体的高宽比为3∶4，当水泥聚苯模壳格构式墙体达到极限状态时，在格构式墙体的中下部形成多处斜向应力集中区域，受压区多个格构柱的底部出现斜向应力集中现象，尤其受压区边缘格构柱底的应力集中现象最为明显，为剪切破坏形态.

图8 各墙体破坏形态对比Fig.8 Comparison in failure pattern for various walls

3.3 刚度退化

为了研究水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体在循环往复荷载作用下的塑性变形能力随顶点位移增大而逐渐下降的趋势，本文采用刚度退化来描述这一现象，其计算公式为

(1)

式中：Kj为第j次循环墙体结构的等效刚度；Pj、-Pj分别为第j次循环中墙体结构正、负向顶点荷载；Δj、-Δj分别为第j次循环中墙体结构正、负向顶点位移.

图9为墙体的刚度随高宽比变化曲线.由图9可知，GW-1、GW-2、GW-3、GW-4四面墙体均随着高宽比的增大，等效开裂刚度和极限刚度均逐渐降低，尤其墙体GW-1、GW-2在开裂刚度到极限刚度的退化趋势最为明显，墙体GW-3、GW-4的刚度退化趋势相对平缓.通过研究表明水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体从开裂到极限状态的过程中，刚度退化较为明显，同时证明了墙体高宽比越小，墙体的格构柱越多，该墙体的刚度越大.