蒸壓加氣混凝土板有限元數值模擬和應用

閔玉兵

國家建筑裝修材料質量安全監督檢驗中心（110032）

蒸壓加氣混凝土板就是在加氣混凝土里配置拉筋，制作成板狀的建筑產品。 其繼承了加氣混凝土輕質、保溫、隔熱的特點，適用于各類鋼結構、鋼筋混凝土結構工業與民用建筑的外墻、 內隔墻、屋面。 文章通過試驗，得到蒸壓加氣混凝土板的相關材料參數，嘗試建立有限元數值模型，以指導產品在實際應用過程中的結構性能分析。

1 確定相關材料參數

蒸壓加氣混凝土板的規格尺寸為3 000 mm×600 mm×200 mm，加氣混凝土強度為M3.5，密度為500 kg/m3；配筋使用φ5 mm 的冷拔鋼筋。

圖1 配筋示意圖

為了建立數值模型，需要知道材料的相關力學參數:抗壓強度、彈性模量和泊松比。 使用液壓自動伺服試驗機，測得加氣混凝土單軸抗壓狀態下的抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比；鋼筋的材料參數使用資料記載的相關數據。 其中，加氣混凝土的彈性模量是根據實測強度-應變曲線去除初始點回歸得到的直線的斜率。

表1 加氣混凝土的材料參數

表2 鋼筋的材料參數

為了簡化，可以認為加氣混凝土符合各向同性特征。從加載過程的強度-應變曲線可以看出，加氣混凝土具有典型的脆性材料的特征。

2 有限元數值模擬計算

使用有限元法分析就是把連續結構離散化，把連續的結構體看成由有限單元體組成。

模擬分析軟件選擇ANSYS。 主要使用兩種單元:solid65 和LINK8，分別代表混凝土板中的加氣混凝土和配筋。其中solid65 單元里可以簡化設置配筋率，為了更好地符合實際，設置其為無筋單元（配筋率為0）；選擇link 做鋼筋單元。 加載方式采用GB/T 15762—2008《蒸壓加氣混凝土板》附錄C 中規定的方式。

對于加氣混凝土，拉應力是其失效的原因，所以我們關注第一主應力云圖的情況。 加氣板中間位置是我們最關注的地方，最大位移和最大主應力都出現在這個位置（拉應力和壓應力）。 在只考慮自重的情況下，得到最大位移是1.0 mm，拉應力為0.089 MPa,壓應力為 0.033 MPa。 在圖 2 中，在 5 300 N 荷載下,板中間位移達到3 mm 時，加氣混凝土的最大拉應力為0.16 MPa，此時子步數為34。 從圖3 觀察到，第一道裂縫的產生時間是第35 子步，可以算出其荷載值為4 300 N， 據此可以制訂蒸壓加氣混凝土板的裂縫荷載指標。 對圖2 和圖3 的數據進行比對，可以得知:在初始裂縫出現時，板中間的位移接近3 mm，這有助于制訂撓度控制指標。

圖2 達到破壞荷載時的云圖

圖3 初始裂縫

為了驗證數值模擬結果，通過試驗比較兩者的結果，見表3。

表3 結果比對

可以看出， 模擬結果和實際測試結果很接近，說明模型可用。 由于此模型是建立在加氣混凝土實測抗壓強度4.5 MPa 的基礎上的， 對于設計強度3.5 MPa 的加氣混凝土，我們可以使用抗壓強度3.5 MPa、抗拉強度為抗壓的1/20 的方式去建模，從而得到在3.5 MPa 時加氣混凝土板的產品規范參數。

3 結論和展望

利用ANSYS 可以有效模擬蒸壓加氣混凝土板的結構性能，其模擬結果能夠較好地吻合實際，其數值模型可以用來分析加氣板在外荷載作用下的內部應力變化，能夠依據模擬制訂相關產品的性能指標。

在實際試驗過程中，當荷載增大到一定程度時加氣混凝土和鋼筋之間會產生滑動，為了研究這種情況下加氣板的結構性能，需要重新考慮建模方式；對于裂縫，現在只能預測初始裂縫發生的時間和裂縫荷載，暫時無法知道裂縫的寬度，期待在以后的研究中得到改進。