轻钢泡沫混凝土剪力墙在单向和往复荷载作用下的受力性能分析

陈飞

（陕西保利房地产开发有限公司，陕西西安 710000）

0 引言

在经济持续以及高质量发展的促动下，目前高层建筑形态已经屡见不鲜，许多高楼拔地而起，在当今建筑中占据非常大的比重，基于这样的现状，新型的混凝土剪力墙结构得到运用，并取得不错的成绩。随着应用比重逐渐增大，该新型结构的优越性越来越突出，和普通混凝土相比，这种泡沫混凝土应用价值更高，具有密度小等优势，可以将其作为主要墙体材料，以此来减轻建筑的承重，另外，泡沫混凝土在隔热、保温方面，性能比较理想，还可以隔绝噪声，其应用空间巨大，值得人们深入研究。

1 试件设计

为了进一步掌握泡沫混凝土的性能，对其荷载承受能力分析，需要借助有限元模拟来实现，想要得到最终科学的研究成果，首先第一步是要进行试件设计，这也是最为核心和关键的步骤。在此基础上对轻钢与泡沫混凝土进行对比分析，主要分析其抗剪性能以及结构本身的抗震性，得出泡沫混凝土在不同荷载作用下的真实抗震效果，与此同时，通过对比峰值位移情况和极限承载力，找到泡沫混凝土受力的整体规律。结合本次试验需要，对试验墙体尺寸进行了优化设计，具体墙体尺寸如图1 所示。

2 有限元模型

2.1 模型建立

研究表明，想要科学分析泡沫混凝土结构的优越性，掌握相关的重要参数，有限元模型建立是最为有效的方法，实际建模阶段，泡沫混凝土性能模型的建立需要参照以往本构关系来实现，在有限元模型基础上，充分考虑轻钢等的网格划分，运用减缩积分算法，确保网格划分相对均匀和精确，以此来提高计算的准确性和建模的科学性。通过这样的设计，计算精确度会更高，最终得到较为可靠的研究数据。

图1 墙体设计尺寸

2.2 材料属性

本次研究中，材料属性的明确也十分重要，为了获得准确的模拟数据，需要掌握混凝土塑性损伤指标，逐步完善有限元模型，在本构关系的基础上，通过混凝土塑性损伤模型的搭建来获取重要参数，混凝土重要参数取值如表1 所示。

表1 混凝土塑性损伤参数

2.3 约束方式

在了解模型建立原理和掌握材料属性的同时，还要明确相关的约束方式，以此来提升有限元模型的可靠性。结合现实情况，针对加载梁和地梁等重要构件，与墙体的接触最好采用Tie 绑定方式，通过相关数据显示，这样的设计效果通常会比较理想，实际操作中，需要将轻钢和横钢片合并为整体，共同应用到轻钢骨架完整模型中，这是有限元建模的基本前提[1]。为了确保模拟的科学性与可靠性，在实际建模阶段，应该将模型墙体充分固定，将墙体和地梁完全衔接并固定，在现实模拟阶段，需要借助位移控制加载技术，对单向以及往复荷载情况全面、深入分析，最终获得试验数据。

3 有限元计算结果

3.1 加载方式

完成建模之后，接下来就是要对计算结果进行深入、全面的分析，关于加载方式的选择，结合以往的经验可知，模拟静力往复加载属于一种较为科学、有效的方法，可以利用有限元模拟完成接下来的分析计算，想要实现这一目标，通常情况下，需要采取2 个步骤来完成分析动作：①对墙体施加压力（竖向的压力），这是建模分析的第一步；②再针对此次试验试件，加载水平位移，这是分析的第二步，与此同时，还要将分析步增量进行调节，将其最小步设置为0.00001，实际操作中，千万不要忽视此项工作，这是研究工作的关键，通过这样的设置，可以进一步保证计算科学、可靠，提高计算的准确性。需要强调的是，初始步骤需要借助Tie 方式完成与地梁的固定，以此作为前提条件，将加载梁与地梁紧密结合起来，两种梁的结合，主要是要通过Tie 的方式来实现，再将其和墙体绑定[2]。除此之外，在水平位移加载期间，需要以加载梁为中心，建立相关参考点在其水平轴心处，采用Coupling 相关技术进行耦合，在对墙体施加压力（竖向的压力）的过程中，采用Pressure，确保可以达到竖向的加载，另外，针对水平方向加载，需要建立加载Amplitudes，以此来实现等幅加载，确保模型分析的顺利进行，并在U1 方向（水平位移）输入正确系数0.1，确保加载方式的正确性，最终完成水平方向加载。

3.2 模型对比

3.2.1 单向加载结果分析

结合轻钢骨架单向受力云图可知，试件结构中，轻钢右下角处，可以看到明显的荷载聚集，表明局部受力突出，虽然在受力之初开始屈服，但逐渐这种趋势出现了新的变化，在适应后可以明显看出下端左侧应力变化趋势较快，呈现出逐渐增大的特征，随后开始屈曲变形。通过上述变化，可以推测出单向加载作用下，混凝土结构的受力情况，借助模拟模型可知结构受力的整体规律，如图2 所示。

3.2.2 往复荷载结果分析

从图2 中可以看到比较清晰的受力分布，结合轻钢骨架往复加载受力云图可知，型钢的主要应力相对集中，主要分布在下半段。除此之外，借助云图还可以看出轴心处的型钢是受应力最大的区域，由中心蔓延至下端两侧，型钢骨架整体都承受着较大的应力[3]。

4 案例分析

图2 轻钢骨架单向（左）与往复（右）加载受力

TCC 公寓共40 层，除了剪力墙之外，首3 层的外墙均采用了较为先进的泡沫混凝土。泡沫混凝土的相关参数如下：干密度为1400kg/m3；隔音量为STC=48dB。采用泡沫混凝土剪力墙的重要性主要体现在施工速度较快，和传统工艺相比可以提速40%以上。另外，泡沫混凝土剪力墙结构相对稳定，具有理想的抗剪性，可以从根本上解决保温、隔音等问题，同时兼具环保性，在能源紧张的今天，采用泡沫混凝土剪力墙，可以有效避免安全以及工业化生产等一系列问题，是新时期建筑节能的重要研究方向，应用前景十分广阔。

5 结论

通过以上研究数据可以得出如下结论：①在单向荷载作用下，会出现不同程度的形态破坏，轻钢泡沫混凝土为主的剪力墙结构会受到单向荷载的影响，发生局部弯曲破坏或者是出现大面积的斜拉破坏，剪力墙的应用性能会受到影响；②建筑结构抗震性是一项重要指标，在抗震性能分析过程中，可以发现轻钢与斜撑存在较大不同，但是两者都需要提前进入屈服阶段，并且在这一阶段中，混凝土破坏较快；③通过试验数据可知，泡沫混凝土性能较为优越，在抗震与抗剪阶段所出现的破坏形式基本上相同，并无明显变化。其主要破坏形式如下：首先，下角塑性铰区是应力承受最大的区域，因为应变最大，所以破坏也是先从这里开始，先是底部开裂，最终结果就是轻钢外露，这种现象同普通混凝土并无明显区别；④试件在抗剪阶段，斜撑呈现出的屈服程度也存在较大区别，斜向拉条的作用等同于箍筋，效果十分显著。