偏心荷載作用下隱框保溫墻體有限元模型的建立★

羅 燁 鈳

(浙江工業職業技術學院建筑工程學院，浙江 紹興 312000)

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偏心荷載作用下隱框保溫墻體有限元模型的建立★

羅 燁 鈳

(浙江工業職業技術學院建筑工程學院，浙江 紹興 312000)

應用ANSYS 結構有限元分析軟件，對偏心荷載作用下的4個隱框保溫墻體進行了分析，探討了墻板中鋼筋應力的變化及墻板受壓承載力，通過比對試驗結果和有限元計算結果，驗證了該墻板有限元分析方法的可行性。

隱框保溫墻體，有限元模型，受壓承載力，偏心荷載

隱框保溫墻體是一種新型環保型保溫墻體。該墻體由環保型廢棄塑料改性砌塊組砌并在墻體預留孔洞中澆筑鋼筋混凝土隱形框架形成整體。針對前期試驗數據，通過ANSYS結構有限元分析軟件建立有限元結構分析模型，研究了偏壓荷載作用下的墻體承載力以及鋼筋應變情況，通過比對試驗結果和有限元計算結果，對該墻板的有限元計算模型進行驗證。結果表明：本文提出的偏心荷載作用下隱框保溫墻體有限元模型的計算結果可靠度較高，可以滿足工程要求。

1 有限元模型的建立

1.1 建模過程的確定

由于模型計算結果的精度和墻體的組成、材料本構模型、邊界處理方式、材料間相互作用、塊材間組合方式、有限元模型建立方法有很大關系。同時為了能夠分析模型在加載過程中的破壞模式，鋼筋應變等重要數據，如何建模以及模型建立過程中如何確定參數是關鍵[1，2]。

根據試驗模型，墻體內混凝土、鋼筋以及砌塊之間的尺寸關系，建模考慮自底向上的先建立點,再由點連成線,然后由線組合成面,最后由面組合成體的分離式有限元模型。這樣建模工作量雖大，但能夠明確知道有限元模型中各個單元位置，利于模型加載后的數據分析，能夠清晰了解結構內各個部位內的應力應變情況。

在具體建立墻體模型時，考慮模型內混凝土和塊材用Solid65單元，用Link8單元建立混凝土柱中鋼筋模型，其節點和混凝土單元共用，使得二者變形協調，這樣可直觀地獲得鋼筋的應力。同時試樣上下加載鋼板采用Solid45單元。試樣的有限元分析模型和單元劃分如圖1所示。

1.2 墻板中不同材料的本構模型

(1)

混凝土強度準則按照William-Warnke五參數破壞準則，能較好反映混凝土在三軸應力狀態下的破壞特性。

2)砌塊本構模型，砌塊在單軸應力下的本構關系見式(2)[5]。

σ砌=0.056 9ε砌0.673 4

(2)

其中,σ砌為砌塊的應力，MPa；ε砌為砌塊的應變，×10-5。砌塊的破壞準則同混凝土。

混凝土與砌塊的連接一律考慮為固結，二者在有限元分析時規定材料開裂面的抗剪等修正系數、材料閉合面的抗剪等修正系數等，均考慮對裂縫的處理。這樣使模型計算較簡單，省時，易收斂，可較好模擬開裂前后的三維應力狀況。

3)鋼筋的本構模型。鋼筋本構關系根據文獻[6]提供的二折線模型，鋼筋牌號為HPB300級的鋼，假定其拉、壓屈服強度相等。

2 試驗概況

2.1 試樣

試驗設計了四片相同高度和相同配筋的墻體試樣，外形尺寸為600 mm×125 mm×900 mm，高厚比為7.2，墻體內隱框混凝土設計強度等級為C20，其中再生ABS工程塑料摻量均為5%，施壓偏心距分別為200 mm，150 mm，100 mm，50 mm。用于測試不同偏心距對墻體的變形、承載力等性能的影響，各試樣編號為WP1～WP4，配筋情況見圖2，與試樣澆筑一體的上下鋼筋混凝土梁為荷載分配梁。

2.2 材料的物理力學性能

試樣中鋼筋為HPB300級鋼筋，直徑為6，實測截面面積為31.27 mm2，屈服強度fy=341.31 MPa，極限強度fu=543.02 MPa，屈服應變0.163%，延伸率12.31%。砌塊彈性模量1 105 N/mm2，含水率為14.1%，干容重為620 kg/m3，立方體抗壓強度為2.01 N/mm2，棱柱體抗壓強度為1.56 N/mm2[6]。混凝土設計強度C20，具體指標如表1所示[7]。

表1 混凝土強度指標

3 偏心荷載下墻體有限元分析

應用ANSYS有限元分析軟件程序對墻體模型進行分析。根據設計，在模型頂部設定偏心位置施加豎向偏心荷載；墻頂平面外側向位移作約束，墻底固接；采用力的收斂準則、增量法進行加載[8]。

3.1 模型的極限荷載

表2 結果比對

表2所列的是試驗結果和有限元分析的對比情況。可見有限元分析模型的計算結果和試驗結果很接近，比如試樣WP1的對比結果幾乎相同，而即使WP3的比對差距最大，但也能滿足工程要求。

3.2 荷載—位移分析

為了驗證墻體有限元模型分析結果精度的合理性，選取了模型上端中部作為分析對象，研究其應變—荷載關系曲線，有限元計算結果與試驗結果對比見圖3。從圖3來看，有限元模型與試驗結果的吻合度較理想。

3.3 試樣鋼筋的應變分析

在分析試樣豎向荷載—位移曲線基礎上，為了進一步驗證墻體有限元計算模型，選取了模型內上部鋼筋作為分析對象，研究其應變—荷載關系曲線，有限元計算結果與試驗結果對比見圖4。從圖4來看，有限元模型與試驗結果的吻合度十分理想。

4 結語

該墻體有限元數值模型是以自底向上方式建立的，通過細致建模綜合分析，有限元計算值與試驗值吻合理想，有限元計算模型具有較高可信度，滿足工程精度要求，可以在精細分析各項參數和試驗因素條件下進行擴展計算和分析。通過既有試驗數據驗證有限元結構分析模型并反向指導試驗研究的開展，是一條繼續研究隱框保溫墻體的有效途徑。

[1] 曾 攀.有限元分析及應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2] 江見鯨，陸新征.混凝土結構有限元分析[M].第2版.北京：清華大學出版社，2013.

[3] 余志武，丁發興.混凝土受壓力學性能統一計算方法[J].建筑結構學報，2003，24(4)：41-46.

[4] 丁發興，余志武.混凝土單軸力學性能統一計算方法[EB/OL].北京：中國科技論文在線，2006-06-13.

[5] 王秀芬.加氣混凝土性能及優化的試驗研究[D].西安：西安建筑科技大學碩士學位論文，2006.

[6] JGJ/T 17—2008,蒸壓加氣混凝土建筑應用技術規程[S].

[7] GB 50010—2010,混凝土結構設計規范[S].

[8] 王新敏，李義強，許宏偉.ANSYS結構分析單元與應用[M].北京：人民交通出版社，2011.

Establishment of concealed multi-ribbed frame and thermal insulation wall’s finite element model under eccentric loading★

Luo Yeke

(CivilEngineeringDepartment,ZhejiangIndustryPolytechnicCollege,Shaoxing312000,China)

ANSYS is adopted to carry out FEM analysis for 4 concealed multi-ribbed frame and thermal insulation walls under eccentric loading. The vertical bearing capacity and the development process of reinforcement strain are studied. The simulated results have been compared with the test results and the feasibility of FEM method is validated.

concealed multi-ribbed frame and thermal insulation wall， FEM， bearing capacity， eccentric load

2016-11-27 ★:浙江省教育廳科研項目(Y201225574)

羅燁鈳(1982- )，男，講師

1009-6825(2017)04-0041-03

TU311.41

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