轻钢泡沫混凝土剪力墙抗压能力研究

2022-07-28裴亚楠

四川水泥 2022年7期

裴亚楠

（新疆应用职业技术学院，新疆奎屯 833200）

0 引言

轻钢泡沫混凝土是一种绿色、环保、质量轻和保温性能好的新型建筑材料，轻钢泡沫混凝土浇筑的剪力墙与传统钢筋混凝土剪力墙相比，存在更高的韧性、保温性、环保性和重量轻等特性。但是因该材料成分中存在泡沫和一些非加强结构等材料，可能会对混凝土构件承载力造成影响，因此，本文将对轻钢泡沫混凝土剪力墙的抗压能力进行研究，以期为同仁提供参考帮助。

1 试件设计

为得到真实科学的试验数据，本文将使用轻钢泡沫混凝土制成一个高度为3000mm、宽度为2100mm、厚度为180mm的剪力墙进行力学分析。试件参数见表1。

表1 墙体试件

试验剪力墙主要由轻钢泡沫混凝土和轻钢骨架制作而成。使用规格为100mm×50mm×20mm×2.5mm，强度等级为Q345的冷弯薄壁C型钢作为剪力墙构件的轻钢立柱，使用同等级规格为50mm×2.5mm的扁钢作为剪力墙横向拉条，使用自攻螺钉连接立柱与拉条使其形成剪力墙墙体的轻钢骨架。泡沫混凝土的填充密度控制在900kg/m3，制成上述规格的剪力墙模型试件，见图1。

图1 剪力墙结构尺寸

2 有限元分析

2.1 本构关系

2.1.1 冷弯薄壁型钢

通过ABAQUS 对上述剪力墙结构设计中冷弯薄壁型钢进行弹塑性模型构建，通过此模型的方式充分体现出此钢材的力学性能。当模型屈服后所产生的应力与应变关系可参照王英涛等人提出的计算方法[1]得出。关系表达式为：

式中：σs——拉杆的应力；

εs——拉杆的应变；

Es——拉杆的弹性模量；

fy——拉杆的屈服强度；

εy——拉杆的屈服应变。

2.1.2 泡沫混凝土

以常规混凝土本构模型为基础设计轻钢泡沫混凝土的本构模型。引用王博群所提出的本构关系，进行泡沫混凝土的本构模型构建[2]。通过塑性损伤模型对本构模型进行有限元分析，在考虑到混凝土材料不同情况下的拉、压状态性能的差异和塑性发展，将剪力墙的本构方程设计为：

式中：σ——本构模型本构曲线的y轴坐标；

ε——本构模型本构曲线的x轴坐标。

当σ=0且ε=0时不存在应力条件。参照普通混凝土剪力墙的设置，得出泡沫混凝土剪力墙的塑性损伤模型以及塑性参数，见表2。

表2 泡沫混凝土剪力墙在ABAQUS中模拟的塑性参数

2.2 轴向荷载的确定

以建筑结构的轴压比作为参数变量，对轻钢泡沫混凝土剪力墙受到纵向承载力时出现的变形进行分析。通过该方法模拟在地震作用下轻钢泡沫混凝土剪力墙的受力环境。剪力墙轴压比计算公式为：

式中：fc——轻钢泡沫混凝土的轴向抗压强度设计值；

Ac——轻钢泡沫混凝土轴向抗压强度面积；

fs1——剪力墙轻钢端立柱下轴向抗压强度设计值；

As1——剪力墙轻钢端立柱下轴向抗压强度面积；

fs2——剪力墙轻钢中立柱下轴向抗压强度设计值；

As2——剪力墙轻钢中立柱下轴向抗压强度面积；

N——轴向压力值。

2.3 轴心受压承载力的计算

2.3.1 立柱计算

根据《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018-2002）获取立柱长度系数“μ”建议值[3、4]，由此得出的立柱轴心受压的承载力计算公式为：

式中：N——试验获得轻钢泡沫混凝土剪力墙立柱的纵向承载力；

f——使用钢材的抗拉、抗压以及抗弯强度的设计值；

Ae——剪力墙立柱的有效截面面积；

φ——立柱的稳定系数。

使用MATLAB 进行迭代计算，获得剪力墙组合墙体立柱的有效截面面积和构件受压后的稳定系数，在《冷弯薄壁型钢结构技术规范》中可查询到长细比“λ”的值。因受压墙体实际轴心所受压力板的约束很大，所以本文将按立柱绕y轴的弯曲破坏进行计算，弯曲屈曲下λ为λy，即：

式中：L——长度，在本文中可取构件的几何长度；

iy——构件i的毛截面对其y轴的回转半径。

对轴心受压墙体Q1 进行计算并得出λy的实际数值，然后将其代入式（5），从而得出剪力墙结构立柱的长度系数值，在充分考虑到安全储备条件问题后，给出剪力墙Q1 立柱计算长度系数的建议值。因轴心受压轻钢泡沫混凝土剪力墙的立柱破坏模式为局部屈曲，并且腹板与两侧翼缘属于共同屈曲，所以认为立柱的全水平截面均为有效面积，式（4）中Ae的值应当取立柱的全截面面积“A”。将钢结构框架的螺钉间距分别调整为400mm、300mm和200mm，对填充混凝土形成剪力墙所获得的立柱长度系数进行拟合，从而得到螺钉间距“l”，l对剪力墙结构立柱计算长度系数的影响为：

因轻钢泡沫混凝土剪力墙钢结构中，拉条钢对结构立柱的承载力影响较小，因此将不考虑拉条进行计算。将长度系数建议值代入式（5）中，得出剪力墙结构立柱长细比λ的值，进而由式（1）得到剪力墙结构立柱的承载力，剪力墙中结构立柱的各项数据见表3。

表3 剪力墙结构立柱的各项数值

2.3.2 不同参数设计下剪力墙结构立柱的承载力设计建议

考虑到μ的值在不同参数设计下需要反复计算和套用，对建筑工程结构设计而言十分不便。因此在考虑到是否使用泡沫混凝土、拉条和自攻螺钉间距等影响因素后，添加修正系数“C1、C2、C3”进行计算，进而得到新的剪力墙结构立柱纵向承载力计算式：

式中：C1——轻钢泡沫混凝土剪力墙在楼宇结构中受上层压力板影响承载力的放大系数；

C2——浇筑泡沫混凝土后对墙体立柱的承载力影响放大系数；

C3——自攻螺钉的间距对剪力墙结构立柱承载力影响的放大系数。

C1与C2可视为在得出承载力试验值的基础上给出的安全储备建议值。以承载力试验得出不同螺钉间距的承载力试验值为基础进行拟合，进而获得不同螺钉间距在轻钢结构中的放大系数值，则C3的计算式为：

剪力墙轻钢立柱结构承载力的计算值与试验值数据见表4。

表4 剪力墙结构立柱承载力的试验值与计算值比较

3 有限元模型

3.1 单元类型及网格划分

通过S4R壳体单元对C型冷弯薄壁钢进行有限元模拟，网格规格为25mm×25mm；使用C3D8R单元对泡沫混凝土剪力墙进行有限元模拟，网格规格为边长50mm的六面体网格。

3.2 边界条件及荷载施加

为进一步加强模型验证得出数据的精确度，探究轻钢泡沫混凝土制成剪力墙的抗震性能，将结合《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）给出的钢筋混凝土剪力墙一级抗震轴压比限制进行计算，即本文按一级抗震标准进行设计时，单面剪力墙轴压比限值将取0.35来进行分析计算[5-8]。依照公式（3）和最后受力计算得出不同轴压比下轻钢泡沫混凝土剪力墙的轴向压力设计值，并以此为基础构建3个有限元模型，数据见表5。

表5 有限元模型参数

剪力墙模型的顶面与底面分别采用Y-1钢梁和Y-2地梁通过接触绑定的方式对其进行约束。在进行模拟时需要将模型墙体与地梁完全固定，即需要将轻钢泡沫混凝土剪力墙模型与地梁底部6个自由度全部给予约束，进而模拟实际建筑施工结构部件的一体性，避免墙体松动造成模拟时剪力墙结构受力不均匀产生的误差数据。在ABAQUS软件上模拟时需要将剪力墙顶面与底面分别参照实际模型参考点Y-1和Y-2进行耦合约束，将试验所涉及的边界条件以及计算所涉及的三种不同轴向压力施加在参考点上。

模拟计算共分为2个分析阶段：第一阶段，主要需要控制剪力墙顶部加载梁的竖向荷载，即对参考点Y-1施加三种不同的轴向压力；第二阶段，控制试验整体结构的水平位移加载，即对参考点Y-1施加水平方向上的位移作用力。

4 计算结果

4.1 轻钢泡沫混凝土剪力墙结构的损伤分析

通过非线性有限元模拟获得了轻钢泡沫混凝土剪力墙受压损伤云图，见图2。

图2 剪力墙的承压受损云图

由图2能够得出，由轻钢泡沫混凝土制成的剪力墙受压损伤区域主要出现在剪力墙与底板之间，最大损伤值可达到0.964。随着施加在剪力墙上承载力的不断增加，轻钢泡沫混凝土剪力墙的损伤区域开始逐渐向上延伸，并且泡沫混凝土结构的受压损伤面积同样开始增大。轻钢泡沫混凝土剪力墙与底板衔接处损伤最为严重，其泡沫混凝土结构几乎失去材料本身的理化性质[9-11]。

4.2 轻钢骨架的应力分析

通过上述非线性有限元模拟后得到轻钢泡沫混凝土剪力墙钢结构骨架应力云图，见图3。

图3 剪力墙钢结构的承压受损云图

由图3 可知，随着建筑整体轴压比的不断增大，轻钢骨架的受力形变区域也开始向墙体上部延伸，并且随着受力面积的不断增加，其底部立柱同样会出现较大的局部屈曲变形，导致剪力墙整体结构稳定性出现结构失衡。

4.3 荷载与位移骨架的曲线分析

对上述3 种不同轴压比试验下轻钢泡沫混凝土剪力墙构件的承载力分析，通过模拟数据可绘制轻钢泡沫混凝土剪力墙的水平荷载与位移关系的骨架曲线，见图4。

图4 不同轴压比下剪力墙试件骨架曲线

由图4曲线可知，轻钢泡沫混凝土剪力墙试件具有很好的承载力和弹塑性形变能力。因轻钢立柱框架填充的是泡沫混凝土，可对其平面外变形产生一定约束，进而阻止建筑结构受到载荷力时过早出现局部屈曲的情况，所以轻钢泡沫混凝土剪力墙才具有较高的承载能力和侧向刚度。经软件分析，结果显示：在施加压力初期，剪力墙试件的轴压比并未对试件的承载力性能产生较大影响。在加载位移接近8mm 之后，其轴压比对剪力墙试件承载力的影响才开始出现显著变化。由图3数据能够看出，当n=0.15 时剪力墙是最先达到荷载峰值，当n=0.10时峰值的荷载介于n=0.15和n=0.05之间，当n=0.05时剪力墙的峰值荷载最小，由此表明轻钢泡沫混凝土剪力墙的承载能力会随着轴压比的增大而提高。同时，从模拟数据曲线中还能够看出n=0.05时曲线会比n=0.15 时要平缓很多，证明该剪力墙的变形能力会随着轴压比的增大而降低。