冷彎薄壁U型鋼—稻草板組合墻體軸壓力學(xué)性能有限元分析★

何 欣 李明芮 劉相麟 段玉鑫 劉丹彤 張秀華

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

隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)于衣食住行等各方面的要求水平也在不斷上升。其中人類(lèi)對(duì)于建筑的要求也從最原始的僅滿足于居住需求提升為要求舒適性、功能性更好的高品質(zhì)建筑。這就要求推出新型的建筑材料來(lái)滿足各種新型的使用用途。因此，近年來(lái)學(xué)者們開(kāi)始了關(guān)于環(huán)保材料應(yīng)用到建筑領(lǐng)域的研究。稻草板這種新型的建筑材料正是由此而生的。冷彎薄壁型鋼—稻草板結(jié)構(gòu)是一種新型的組合結(jié)構(gòu)，結(jié)合冷彎薄壁型鋼輕質(zhì)高強(qiáng)便于加工及紙面稻草板綠色環(huán)保消耗農(nóng)業(yè)廢物等特點(diǎn)，可優(yōu)化單純鋼材易失穩(wěn)、農(nóng)作物廢料難以處理等問(wèn)題[1-5]。本文以冷彎薄壁U型鋼—稻草板組合墻體為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)ABAQUS分析軟件進(jìn)行建模，研究墻體受軸向均布荷載作用下，墻體高厚比、鋼墻架柱壁厚對(duì)墻體穩(wěn)定承載力影響，為其在實(shí)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U型鋼—稻草板組合墻體，由冷彎薄壁U型鋼與稻草板通過(guò)自攻螺釘連接組裝而成，稻草板的厚度為58 mm。

1.1 試件設(shè)計(jì)

利用有限元ABAQUS對(duì)不同高厚比、不同型鋼厚度的組合墻體進(jìn)行模擬分析，研究其對(duì)墻體穩(wěn)定承載力的影響，U型鋼截面尺寸80 mm×40 mm×2.5 mm組合墻體厚t=196 mm，組合墻體具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 組合墻體尺寸參數(shù)

1.2 材料參數(shù)

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

表2 材料參數(shù)

1.3 有限元模型

創(chuàng)建稻草板及冷彎薄壁U型鋼的三維部件，并為其創(chuàng)建截面屬性，選擇均質(zhì)實(shí)體，賦予所繪制部件材料屬性。將各部件進(jìn)行組裝，為組合墻體選取C3D8R(八節(jié)點(diǎn)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(diǎn)RP-1，耦合參考點(diǎn)與墻體上表面加載區(qū)域的Z方向自由度，使其與參考點(diǎn)有相同的Z方向位移，以模擬千斤頂豎向加載。約束參考點(diǎn)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(jìn)行控制，每級(jí)加載10 kN。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

有限元試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 組合墻體穩(wěn)定承載力

2.1 組合墻體高厚比對(duì)穩(wěn)定承載力影響

依據(jù)WU-1～WU-4試件結(jié)果數(shù)據(jù)繪制荷載—位移對(duì)比曲線如圖2所示。對(duì)表3和曲線的數(shù)據(jù)分析可知，墻體的穩(wěn)定承載力會(huì)隨墻體高厚比的增加而呈現(xiàn)整體降低的趨勢(shì)，高厚比增加1倍，穩(wěn)定承載力降低了31.9%。說(shuō)明當(dāng)高厚比增加到一定限度后會(huì)對(duì)組合墻體的整體承載能力以及穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

說(shuō)明當(dāng)開(kāi)洞率增加到一定限度后會(huì)對(duì)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 墻架柱壁厚對(duì)墻體穩(wěn)定承載力影響

依據(jù)WU-2,WU-5和WU-6試件試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析型鋼厚度對(duì)鋼—稻草板組合墻體承載力的影響，達(dá)到極限承載力時(shí)應(yīng)力分布如圖3所示，荷載—位移曲線如圖4所示。

不改變稻草板尺寸、高厚比等其他因素，僅將U型鋼壁厚調(diào)整為2.5 mm,2 mm,1.5 mm，WU-2較WU-5型鋼有效截面積增大了24.2%，穩(wěn)定承載力提升了25%，WU-5較WU-6型鋼有效截面積增加32.5%，穩(wěn)定承載力提升了33.3%，因此可認(rèn)為冷彎薄壁U型鋼厚度的增加，穩(wěn)定承載力也會(huì)顯著增長(zhǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

1)組合墻體高厚比越大，稻草板對(duì)墻架柱的支撐作用越小，組合墻體越容易失穩(wěn)，組合墻體的承載力越低。

2)冷彎薄壁U型鋼墻架柱壁厚的增加其實(shí)代表著截面性能的提高，截面面積、截面慣性距等都隨之增長(zhǎng)，因此承載能力也隨之增加。