鋼—稻草板組合墻體開洞軸壓力學(xué)性能有限元分析★

張秀華 李超然 孟毅豪

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

目前可持續(xù)發(fā)展不僅是當(dāng)代世界性課題，更是我國這樣的大國面臨的特殊現(xiàn)實問題。為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，同時對建材的綠色環(huán)保要求也越來越高，在這種背景下建筑用紙面稻草板被重新開發(fā)利用，冷彎薄壁型鋼組合結(jié)構(gòu)也被廣泛應(yīng)用，鋼—稻草板組合墻體結(jié)合了兩種性能優(yōu)異的材料，并取其優(yōu)點進行組合利用，具有自重輕、形式靈活、承載力高、可工業(yè)化生產(chǎn)、外形美觀、施工污染小、可回收再利用等優(yōu)點[1-5]。墻體開洞是在房屋設(shè)計建設(shè)中不可避免的，墻體開洞對組合墻體的穩(wěn)定承載力以及整體性有顯著影響，研究不同墻體開洞情況對鋼—稻草板組合墻體的影響有重要意義。因此本文通過ABAQUS分析軟件進行建模，研究在軸心受壓作用下，墻體開洞率、洞口設(shè)置過梁情況下開窗洞開門洞以及開洞高度對鋼—稻草板組合墻體穩(wěn)定承載力的影響，為其在實際工程中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 有限元建模

冷彎薄壁C型鋼—稻草板組合墻體，由冷彎薄壁C型鋼與稻草板通過自攻螺釘連接組裝而成，C型鋼截面尺寸為80 mm×40 mm×15 mm×2 mm，稻草板的厚度為58 mm。

1.1 試件設(shè)計

利用有限元ABAQUS對不同開洞情況的組合墻體進行模擬分析，研究其對墻體穩(wěn)定承載力的影響，組合墻體厚t=196 mm，具體參數(shù)見表1。

1.2 材料參數(shù)

本試驗稻草板及冷彎薄壁C型鋼的材料屬性是根據(jù)相關(guān)材性試驗數(shù)據(jù)所得到的，如表2所示。

1.3 有限元模型

創(chuàng)建稻草板及冷彎薄壁C型鋼的三維部件，并為其創(chuàng)建截面屬性，選擇均質(zhì)實體，賦予所繪制部件材料屬性。將各部件進行組裝，為組合墻體選取C3D8R(八節(jié)點線性六面體單元)單元，并為其劃分網(wǎng)格，如圖1所示。模型頂端設(shè)置參考點RP-1，耦合參有限元試驗結(jié)果見表3。

考點與墻體上表面加載區(qū)域的Z方向自由度，使其與參考點有相同的Z方向位移，以模擬千斤頂豎向加載。約束參考點及上表面除Z方向外其他方向的自由度(U1，U2)；約束墻體下端的所有方向自由度，有限元模型采用力加載進行控制，每級加載10 kN。

表1 組合墻體尺寸參數(shù)

表2 材料參數(shù)

2 計算結(jié)果及分析

表3 組合墻體不同開洞情況穩(wěn)定承載力

2.1 小開洞率無過梁洞口對墻體影響

依據(jù)WY-1～WY-5試件結(jié)果數(shù)據(jù)分析小開洞率且無過梁構(gòu)造洞口對鋼—稻草板組合墻體穩(wěn)定承載力的影響，荷載—位移對比曲線如圖2所示。由表3和圖2分析可知，墻體的極限荷載力會隨墻體洞口面積的增加而呈現(xiàn)整體降低的趨勢，對于以上組合墻體洞口面積的變化幅度為0 m2～0.16 m2(墻體總面積為3.36 m2)，最大荷載對應(yīng)的變化幅度為155 kN～105 kN。當(dāng)開洞率為0.67%和1.19%時，對應(yīng)的極限荷載比無開洞墻體降低了5.8%和9.6%，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于墻體開洞面積較小，對面板的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響較小，當(dāng)開洞率增加到4.76%時，組合墻體的承載力降低了32.3%，說明當(dāng)開洞率增加到一定限度后會對組合墻體的整體承載能力以及穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

2.2 大開洞率有過梁窗洞對墻體影響

依據(jù)WY-6～WY-9試件試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析開洞率對鋼—稻草板組合墻體承載力的影響。達到極限承載力時應(yīng)力分布如圖3所示，荷載—位移曲線如圖4所示。

增加開洞率，并且在洞口的上下邊增設(shè)橫梁。開洞率為9.5%,14.8%,21.4%的墻體較未開洞墻體承載力分別降低了12.7%,25.4%,43.6%。因此可以認為墻體開洞對鋼—稻草板組合墻體的墻面板有削弱作用，開洞率不宜大于15%。試件WY-5洞口上下邊無橫梁開洞率僅為4.76%時，承載力降低了32.3%，而開洞率為14.8%的試件WY-8開洞率是前者的3倍，而承載力只降低了25.4%。這是由于洞口設(shè)置過梁這種構(gòu)造措施提高結(jié)構(gòu)強度及整體穩(wěn)定性與洞口對面板的削弱程度相抵消，利于增加墻體構(gòu)件的穩(wěn)定性。

2.3 大開洞率有過梁門洞及開洞高度對墻體影響

在門洞上下均設(shè)置過梁，分析開洞位置及開洞高度對鋼—稻草板組合墻體承載力的影響，荷載位移曲線如圖5所示。

通過分析可知，墻體WY-10較墻體WY-7的穩(wěn)定承載力值差異僅4.2%，因此可認為鋼—稻草板組合墻體開相同尺寸孔洞時，開洞位置對組合墻體承載力沒有顯著影響。墻體WY-11及WY-12較WY-10的承載力降幅分別為19.6%和41.3%，將墻體WY-12與試驗墻體WY-9相比保持開洞率不變，減小開洞寬度的同時，增加開洞高度，WY-12的穩(wěn)定承載力降幅12.9%。

3 結(jié)語

1)在不設(shè)置過梁構(gòu)造時，開洞率增加到4.76%時，組合墻體的承載力降幅達到了32.3%，說明當(dāng)開洞率增加到一定限度后會對組合墻體的整體承載能力以及穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

2)洞口設(shè)置過梁這種構(gòu)造措施提高結(jié)構(gòu)強度及整體穩(wěn)定性與洞口對面板的削弱程度相抵消，所以在組合墻體的門窗洞口處設(shè)置過梁和洞口邊立柱利于增加墻體構(gòu)件的穩(wěn)定性。

3)在設(shè)置過梁構(gòu)造后，開洞位置對墻體承載力無顯著影響，在改變開洞高度后，組合墻體承載力降幅明顯，因此可認為開洞高度對鋼—稻草板組合墻體的承載力及穩(wěn)定性有顯著影響。

參考文獻:

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