超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体抗剪性能影响因素有限元分析

2022-09-01孙建波SUNJianbo杨收港YANGShougang姚佳奇YAOJiaqi吴渤WUBo徐思雨XUSiyu

价值工程 2022年25期

关键词：轻钢低能耗抗剪

孙建波SUN Jian-bo；杨收港YANG Shou-gang；姚佳奇YAO Jia-qi；吴渤WU Bo；徐思雨XU Si-yu

（①哈尔滨工业大学建筑设计研究院有限公司，哈尔滨 150000；②沈阳建筑大学，沈阳 110168）

0 引言

超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体由冷弯薄壁型钢加工而成的立柱和导轨、泡沫混凝土、聚氨酯保温板和OSB 板组成，本文利用大型有限元研究软件ABAQUS 对组合墙体进有限元分析，以研究墙体龙骨腹板高度、墙体高度对墙体抗侧性的影响。

1 有限元模型的建立

超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体ULFW-1；墙体模型的尺寸、编号见表1 所示。所有墙体试件的上、下导轨和立柱都采用Q550 轻钢，上、下导轨均规格为U90×50×1.0mm；立柱规格为C89×50×13×1.0mm，间距为600mm；聚氨酯保温板厚度为180mm；OSB 板厚度为10mm。墙体上、下导轨与立柱之间、OSB 板与墙体骨架之间均采用自攻螺钉连接；聚氨酯保温板与墙体骨架采用锚栓连接。墙体内侧面板OSB 板和墙体外侧聚氨酯保温板与墙体骨架间的连接间距布置为四周150mm，内部为300mm。

表1 墙体的构造尺寸

1.1 单元类型的选取

根据组合墙体各组成部分的特点，超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体中由冷弯薄壁型钢加工成的立柱、上下导轨均采用三维4 节点减缩积分的壳单元（S4R），本文中OSB板、聚氨酯保温板和泡沫混凝土采用实体单元（C3D8R）来建模分析。

1.2 材料本构

①钢材本构。

Q550 冷弯薄壁型钢的材性数据参考文献[1]的试验确定，钢材性能指标如表2 所示。

表2 钢材性能指标

②泡沫混凝土本构关系。

本文根据相关参考文献[2]对所用泡沫混凝土的弹性模量取值为500MPa，泊松比取值为0.3，而泡沫混凝土的屈服强度则根据泡沫混凝土标准试件在其抗压强度试验下取其结果的平均值6.35MPa，密度为800kg/m2。

③聚氨酯保温板和OSB 板的本构关系。

根据相关参考文献[3]、[4]，所采用的聚氨酯保温板和OSB 板的材料特性如表3、表4 所示。

表3 聚氨酯保温板材料特性

表4 OSB 板材料特性

1.3 边界条件和加载方式

根据墙体实际情况确定其边界条件，墙体下导轨受到全部方向的平动自由度和转动自由度的约束，为使墙体不发生平面外的失稳，让墙体上导轨受到限制平面外的平动自由度的约束。加载方式采用位移控制加载，即耦合上导轨沿X 方向的位移。墙体有限元模型如图1 所示，应力云图如图2 所示。

图1 墙体的网格划分

图2 墙体的应力云图

2 不同参数的影响分析

2.1 墙体的龙骨腹板高度对墙体抗剪性能的影响

本节通过改变墙体龙骨腹板高度hw来改变其泡沫混凝土的厚度，对其墙体龙骨尺寸分别为C75×40×8、C89×50×13mm、C100×40×13mm、C120×40×13 和C140×40×13mm 的5 个超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体的抗剪性能进行了有限元分析，由有限元软件ABAQUS 得到墙体不同龙骨腹板高度的超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体的P-Δ曲线如图3 所示，墙体的抗侧刚度K300、屈服荷载、峰值荷载等参数见表5 所示。

表5 hw 系列下模型的力学参数对比

图3 H 系列下模型的P-Δ 曲线对比图

针对不同龙骨腹板高度的超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体的P-Δ 曲线分析所得的墙体的抗侧刚度K300、屈服荷载、峰值荷载等参数可知：

①随着墙体龙骨腹板高度的不断增加超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体的屈服荷载和峰值荷载有所增加；ULFW-KS-1 墙体比ULFW-1 墙体的屈服荷载和峰值荷载降低了4.05%和2.91%；ULFW-KS-2 墙体、ULFW-KS-3墙体和ULFW-KS-4 墙体比ULFW-1 墙体的屈服荷载分别增加了7.59%、18.47%和22.68%；ULFW-KS-1 墙体、ULFW-KS-2 墙体、ULFW-KS-3 墙体和ULFW-KS-4 墙体比比ULFW-1 墙体的峰值荷载分别增加了5.77%、18.11%和23.79%。

②随着墙体龙骨腹板高度的增加，超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体的抗侧刚度K300也逐渐增大，ULFW-KS-1 墙体比ULFW-1 墙体的抗侧刚度K300降低了1.41%；ULFWKS-2 墙体、ULFW-KS-3 墙体、ULFW-KS-4 墙体比ULFW-1 墙体的抗侧刚度K300分别增加了6.35%、14.59%、23.29%。

由以上分析可知，随着墙体龙骨腹板高度的逐渐增加，超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体的抗剪承载力、抗侧刚度K300也相应地增加。

2.2 墙体的高度对墙体抗剪性能的影响

对墙体高度H 分别为2.4m、2.7m、3m 和3.3m 的4 个超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体的抗剪性能进行有限元分析，由有限元软件ABAQUS 得到不同墙体高度的超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体的P-Δ 曲线如图4 所示，墙体的抗侧刚度K300、屈服荷载、峰值荷载等参数见表6 所示。

表6 H 系列下模型的力学参数对比

图4 H 系列下模型的P-Δ 曲线对比图

针对不同墙体高度的超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体的P-Δ 曲线分析所得的墙体的抗侧刚度K300、屈服荷载、峰值荷载等参数可知：

①在超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体其他参数不变的情况下，随着墙体高度的增加，组合墙体的屈服荷载和峰值荷载、峰值位移逐渐降低，ULFW-WS-1 墙体、ULFWWS-2 墙体和ULFW-WS-3 墙体比ULFW-1 墙体的屈服荷载分别降低了4.55%、6.22%和9.98%，ULFW-WS-1 墙体、ULFW-WS-2 墙体和ULFW-WS-3 墙体比ULFW-1 墙体的峰值荷载分别降低了3.89%、6.11%和9.74%。

②在墙体其他参数不变的情况下，随着墙体高度的增加，会使超低能耗轻钢泡沫混凝土墙体的抗侧刚度K300逐渐降低，ULFW-WS-1 墙体、ULFW-WS-2 墙体、ULFWWS-3 墙体比ULFW-1 墙体的抗侧刚度K300分别降低了7.53%、16.7%、19.29%。

由以上内容分析可知，在墙体其他参数不变的情况下，随着墙体高度的增加，组合墙体的抗侧刚度K300、抗剪承载能力会逐渐降低。