轻钢模网改性聚苯颗粒混凝土墙受压性能研究

2020-10-24杨伟军罗瑞峰

交通科学与工程 2020年3期

杨伟军，罗瑞峰

(长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙 410114)

随着中国建筑工业规模的不断扩大，建筑产业也需要转型升级。工业化建筑具有节材、节能、高品质和省工等优点，因此，建筑技术工业化是建筑业转型升级的突破口。《建筑业发展“十三五”规划》确定了建筑业绿色发展的目标。在3 年内，实现在新建建筑中，绿色建材使用比例达到40%。传统建筑材料有70%用于墙体[1]，因此，发展新型节能墙体是实现建筑业绿色发展的重要途径，提出了轻钢模网改性聚苯颗粒混凝土结构技术。轻钢模网改性聚苯颗粒混凝土结构是以薄壁轻钢、钢板网和改性聚苯颗粒混凝土作为主要材料，以快速搭建的轻钢构架为依托，钢板网作为免拆模板，是将轻钢预制装配和改性聚苯颗粒混凝土现浇相结合的新型结构体系[2]，如图1 所示。

目前，国内正在推广应用的工业化结构体系有：预制混凝土装配结构体系、轻钢结构住宅体系、钢网构架混凝土复合建筑体系及轻钢构架混凝土剪力墙结构体系等。新型墙体材料应用较为广泛的有：石膏砌块、轻质水泥隔墙、泡沫混凝土及聚苯颗粒混凝土等。冯鹏[3]等人针对钢网构架混凝土复合墙体，进行了受剪性能试验研究。梅松奇[4]等人针对石灰粉对混凝土的改性性能，进行了试验研究。封叶[5]等人针对一种由聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene，简称为EPS)颗粒复合而成的节能墙板，进行了力学与热工性能研究。王怀远[6]针对泡沫混凝土复合墙板，进行了低周往复荷载试验研究。杜运兴[7]等人利用有限元，进行了挡土墙的静力性能研究。崔成臣[8]针对轻钢EPS 混凝土剪力墙，进行了模拟静力试验研究。李贝娜[9]针对薄壁型钢-粉煤灰陶粒混凝土复合墙板，进行了轴压力学性能试验，并运用ABAQUS 有限元软件，进行了模拟。但对轻钢模网改性聚苯颗粒混凝土结构体系的研究较少。因此，作者拟基于ABAQUS 有限元，拟建立轻钢模网改性聚苯颗粒混凝土复合墙体的数值模型。研究复合墙体在轴压荷载作用下的受力状态和破坏模式，以及不同开孔率的轻钢对复合墙体的影响，为工程应用和室内试验提供参考。

图1 轻钢模网改性聚苯颗粒混凝土复合墙体Fig. 1 Compositewall of lightweight steel dienet and modified expanded polystyrene granule concrete

1 数值模型建立

1.1 数值模型概况

轻钢模网改性聚苯颗粒混凝土复合墙体数值模型的截面尺寸为140 mm×600 mm，墙体高度为1 200 mm，混凝土强度为3.5 MPa。W1 为布置钢板网构件的复合墙体，W2 为未布置钢板网构件的复合墙体。

1.2 单元类型

1) 轻钢单元

为反映实际情况，采用开孔的冷弯薄壁轻钢。轻钢采用四节点减缩积分壳单元S4R 模拟。

2) 改性聚苯颗粒混凝土单元

采用C3D8R 单元，并进行线性减缩积分。

3) 钢板网

采用两节点线性三维桁架单元T3D2 进行模拟。在同一部件中，创建“X”状钢板网，会形成大量节点，增加不必要的计算量。采用钢丝分别在斜向左下和斜向右下布置的2 个钢板网，分别内置到混凝土中，形成“X”状钢板网部件，减少节点，以达到优化模型的效果。

1.3 复合墙体材料属性

1) 轻钢

采用等向弹塑性模型进行模拟。轻钢的强度fy为350 MPa，弹性模量E为206 000 MPa，泊松比为0.3。

2) 改性聚苯颗粒混凝土

采用混凝土塑性损伤模型及清华大学崔成臣[8]提出的分段式EPS 混凝土应力-应变全曲线方程。改性聚苯颗粒混凝土抗压强度fc为3.5 MPa，弹性模量E为3 000 MPa，泊松比为0.2。

3) 钢板网

采用弹塑性模型，钢板网强度值fy为235 MPa，弹性模量E为206 000 MPa，泊松比为0.3。

1.4 接触与边界条件模拟

轻钢和钢板网采用“Embeded”的方式，嵌入到改性聚苯颗粒混凝土内部。复合墙体数值模型底部采用固端约束，墙体上部采用“Coupling”的方式作用于一点，通过对耦合点施加8 mm 位移荷载，进行竖向传力。

1.5 网格划分

轻钢按40 mm、改性聚苯颗粒混凝土按50 mm及钢板网按100 mm 的尺寸进行划分，如图2 所示。

图2 轻钢、混凝土网格划分Fig. 2 Grid division of lightweight steel and concrete

2 数值模拟结果分析

2.1 荷载-位移曲线分析

图3 复合墙体荷载−位移曲线Fig. 3 Load displacement curve of composite wall

复合墙体荷载-位移曲线如图3 所示。从图3中可以看出，曲线有上升段、下降段和平稳段，符合墙体受压时的变化特点。W1 极限承载力为592.23 kN，W2 极限承载力为559.27 kN，W1 较W2 的极限承载力提升了6%。因为在受力状态下，钢板网依靠自身强度，对轻钢和改性聚苯颗粒混凝土起到约束作用，使复合墙体达到三向受压状态，从而提高了抗压极限承载力。

2.2 数值模型云图分析

2.2.1 轻钢应力云图分析

轻钢随着荷载的增加，逐渐参与受力，其孔洞边缘应力较小，如图4(a)所示。在达到极限荷载的过程中，轻钢孔洞左、右边缘最先达到屈服强度，腹板未开孔部分和侧翼继而达到，如图4(b)所示。达到极限荷载时，除轻钢孔洞上、下边缘外，其余部分均达到屈服强度，轻钢整体受力均匀，抗压性能得到了充分发挥，如图4(c)所示。

2.2.2 轻钢塑性应变云图分析

图4 轻钢应力云Fig. 4 Stress nephogram of lightweight steel

复合墙体在极限荷载作用下，轻钢均产生塑性变形，中间轻钢的中部产生的塑性变形最大，如图5(a)所示。复合墙体竖向产生8 mm 位移时，由于轻钢未对称布置，因此，轻钢产生不对称塑性变形，如图5(b)所示。从图5(b)中可以看出，左侧轻钢中上部向外凸起，右侧轻钢中下部向外凸起，中间轻钢的中部向左侧凸起，整体发生崎曲变形。

2.2.3 改性聚苯颗粒混凝土应力云图分析

当施加荷载作用时，复合墙体整体受力均匀，如图6(a)所示。复合墙体随着荷载逐渐增加，在轻钢之间部分混凝土受到挤压，比轻钢接触的混凝土产生的应力大，如图6(b)所示。当达到极限荷载时，轻钢之间的混凝土，达到抗压强度，混凝土应力值向四角逐渐递减，呈X 状分布，与框架填充墙受压状态下的应力分布类似，如图6(c)所示。

图5 轻钢塑性应变云图Fig. 5 Plastic strain nephogram of lightweight steel

图6 混凝土应力云图Fig. 6 Stress nephogram of concrete

2.2.4 改性聚苯颗粒混凝土塑性应变云图分析

荷载达到极限荷载的40%时，混凝土与轻钢接触处，首先出现塑性应变，如图7(a)所示。当荷载达到极限荷载的90%时，混凝土两侧的上、下边缘部分和复合墙体的中间部位，产生较大应变，如图7(b)所示。当荷载达到极限荷载时，混凝土应变呈X 状分布，主要集中在复合墙体的中间部分，应变值从中间向复合墙板四角逐渐降低，如图7(c)所示。复合墙体竖向产生8 mm 位移时，混凝土产生的塑性应变，分布于复合墙体左上至右下的斜线范围内，左侧上部和右侧下部向外凸出，整体发生崎曲变形，如图7(d)所示。

2.2.5 钢板网应力云图分析

当施加荷载作用时，钢板网产生的应力，呈斜向分布。钢板网随着荷载的增加，应力增长较为均匀，如图8(a)所示。当荷载达到极限荷载时，钢板网产生较大应力，但未达到屈服强度。左、右两侧的钢板网，与轻钢接触的孔洞边缘的应力集中，前、后两侧的钢板网应力呈X 状分布，如图8(b)所示。复合墙体竖向产生8 mm 位移时，钢板网的前、后两面、左侧上部及右侧下部，均达到屈服强度，如图8(c)所示。

图7 混凝土塑性应变云图Fig. 7 Plastic strain nephogram of concrete

图8 钢板网应力云图Fig. 8 Stress nephogram of steel die net

2.2.6 钢板网塑性应变云图分析

复合墙体达到极限荷载时，未产生大幅度塑性变形，如图9(a)所示。复合墙体竖向产生8 mm 位移时，钢板网上、下两端未产生较大塑性应变，钢板网左侧上部和右侧下部，向外凸起，产生较为明显的崎曲变形，钢板网整体的塑性应变，沿左上至右下斜线分布，如图9(b)所示。

2.2.7 复合墙体应力分量云图分析

复合墙体各部件初始荷载阶段应力分量如图10 所示。图10(a)为改性聚苯颗粒混凝土竖向应力；图10(b)为腹板竖向应力和翼缘板水平应力；图10(c)为翼缘板竖向应力和腹板水平应力。在荷载初始阶段，改性聚苯颗粒混凝土整体受压均匀。轻钢腹板、翼缘板的竖向压应力相差不大，水平方向均为拉应力且数值近似。轻钢与改性聚苯颗粒混凝土在初始阶段，同时进入工作状态，参与复合墙体受力。

图9 钢板网塑性应变云图Fig. 9 Plastic strain nephogram of steel die net

图10 应力分量云图(26 kN)Fig. 10 Stress component nephogram (26 kN)

复合墙体各部件加载阶段的应力分量如图11所示。改性聚苯颗粒混凝土的竖向应力，出现明显变化。在轻钢处的压应力较小，轻钢之间部位的压应力较大。轻钢在该阶段，分担了改性聚苯颗粒混凝土的部分压应力。轻钢腹板、翼缘板的竖向应力大幅度增加，且翼缘板压应力明显高于腹板的。腹板、翼缘板的水平拉应力增加，数值相差不大。

复合墙体各部件极限荷载阶段应力分量如图12 所示。改性聚苯颗粒混凝土整体达到屈服应力。轻钢腹板、翼缘板的竖向应力达到屈服应力。腹板、翼缘板的水平拉应力增加，且腹板的水平拉应力明显高于翼缘板拉应力，这是由于腹板开孔所导致的。在接近极限荷载阶段，改性聚苯颗粒达到屈服强度，此时竖向应力主要由轻钢承担。

图11 应力分量云图(233 kN)Fig. 11 Stress component nephogram(233 kN)

图12 应力分量云图(极限荷载)Fig. 12 Stress component nephogram (ultimate load)

3 不同开孔率对受压性能的影响

轻钢做开孔处理的优点：①浇筑改性聚苯颗粒混凝土时，因为开孔，所以混凝土能够在轻钢之间自由流动，使墙体达到较好的密实效果。②开孔能节省材料，降低成本。不同开孔率的轻钢对复合墙体受压性能有不同的影响。本试验采用6 种不同开孔率的轻钢进行数值模拟，具体尺寸见表1。

3.1 复合墙体承载力分析

复合墙体数值模拟的极限承载力及承载力下降百分值见表2。WA-2～WA-6 相较WA-1 的极限承载力均有下降。表明：使用开孔轻钢，会降低复合墙体的极限承载力，且随开孔率的增加，复合墙体的极限承载力逐渐下降。

表1 改变轻钢开孔率数值模型参数表Table 1 Parameter table of numerical model for changing the opening rate of lightweight steel

表2 数值模型承载力对比表Table 2 Comparison of bearing capacity of numerical model

复合墙体轻钢开孔率-极限荷载曲线如图13 所示。从表3 和图13 可以看出，开孔率在24%～37.6%时，复合墙体极限承载力变化较小。开孔率的增加与承载力的下降值并非是简单的线性关系。开孔率在其他范围内增加，复合墙体的极限承载力，会出现较为明显的下降。

表3 数值模型对比分析表Table 3 Comparative analysis of numerical models

图13 复合墙体轻钢开孔率-极限荷载曲线Fig. 13 Curve of light steel opening rate ultimate load of composite wall

考虑到开孔率对复合墙体极限承载力的影响。复合墙体浇筑改性聚苯颗粒混凝土时，受混凝土的流动性及工程造价等多方面影响。所以，建议采用轻钢模网改性聚苯颗粒混凝土结构，选用开孔率约为30%的轻钢作为竖向受力承重构件。

3.2 复合墙体荷载-位移曲线分析

图14 不同开孔率轻钢复合墙体的荷载-位移曲线Fig. 14 Load displacement curve of lightweight steel composite wall with different opening rate

6 种复合墙体数值模拟的荷载-位移曲线如图14 所示。从图14 可以看出，WA-2～WA-26 较WA-1的墙体，刚度均有下降。因为使用开孔轻钢，所以会降低复合墙体的刚度。并随开孔率的增加，复合墙体的刚度下降更为明显。当WA-1～WA-26 达到极限荷载时，位移均在3 mm。表明：复合墙体在极限荷载作用下，开孔轻钢及开孔率大小对产生的竖向位移影响较小。