輕鋼泡沫混凝土組合剪力墻承載力的有限元分析

劉殿忠 暢宏燁

（吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130000）

0 引言

輕鋼組合結構具有受力高效、抗震節能、綠色環保的特點[1]，受到了眾多學者的關注。黃強、李東彬等[2]通過與傳統結構對比，總結了輕質混凝土材料性能、墻體和樓板構件承載性能、結構足尺模型試驗、輕鋼連接與基礎錨固、建造關鍵技術和結構設計方法等專題研究成果，分析了該體系的技術經濟性；戴素娟，左益寧等［3］利用ABAQUS軟件對不同軸壓比的輕鋼泡沫混凝土剪力墻建立有限元模型進行非線性分析；劉殿忠、劉欣怡［4］同樣利用ABAQUS軟件分析軸壓比對輕鋼-泡沫混凝土組合墻體抗震性能的影響。

1 試件設計

該試件為一長1300mm，高度為2650mm，厚度為150mm的組合剪力墻，試件上下設有加載梁和地梁，其中加載梁長度為1600mm，截面尺寸為300mm×400mm，地梁長度為1800mm，截面尺寸為450mm×450mm。內部型鋼骨架采用Q345冷彎薄壁C型鋼，截面尺寸為C100×50×20×2.75mm。斜向拉條采用寬度為50mm，厚度為2.75mm的扁鋼。試件為雙X型鋼斜撐，斜向拉條的長度尺寸為1650mm。型鋼骨架被裝配于泡沫混凝土墻體內，試件型鋼骨架圖如圖1所示。

圖1 試件二型鋼骨架圖

2 建立有限元模型

2.1 單元選取

該組合剪力墻由型鋼骨架和泡沫混凝土墻體兩部分組成。其中型鋼骨架采用殼單元（S4R）進行建模，加載梁、地梁、泡沫混凝土墻體均采用三維實體單元（C3D8R）進行建模，加載梁和地梁只設置其密度和彈性模量，假定其是完全彈性體，不考慮其塑性變化。

2.2 材料的本構模型

2.2.1 型鋼本構模型

本文型鋼的本構模型采用完全彈性模型，即不考慮強化階段，采用各項同性強化。在ABAQUS有限元分析中，選用完全彈性模型使得有限元模擬更容易收斂。完全彈性模型的應力-應變表達式如式（1）所示，其中σ是鋼材受拉應力，ε是鋼材受拉應變，E s為楊氏模量，f y是鋼材的屈服強度，εf是屈服強度對應的應變值。

2.2.2 泡沫混凝土本構模型

之前的泡沫混凝土本構研究中，大多數都是針對低密度、低強度的普通泡沫混凝土的，針對可用于承重的高密度、高強度泡沫混凝土的本構研究則非常少。泡沫混凝土本構模型采用何書明[5]提出的泡沫混凝土受壓本構，其本構關系表達式如式（2）；

式中：

x——應變與峰值應變的比值；

y——應力與峰值應力的比值。

何書明只提出了高密度泡沫混凝土的受壓本構模型，受拉本構暫時按丁發興等人提出的輕骨料混凝土單軸力學性能統一計算方法進行計算。混凝土采用損傷塑性模型來考慮其塑性發展，其參數見表1。

表1 混凝土損傷塑型模型

2.3 約束方式

先將部件中創建的C型鋼，橫拉條和鋼斜撐按照設計方案裝配到相應的位置，之后在裝配模塊中用合并（merge）組成型鋼骨架，使其成為一個整體，再將型鋼骨架通過約束方式中的內置區域（embed）嵌入到泡沫混凝土墻體中，將加載梁和地梁與墻體的頂面、底面通過約束方式中的綁定（tie）進行連接。設置邊界條件來約束地梁的水平自由度及旋轉自由度。

2.4 加載方式

在加載梁的左側或右側形心處設置參考點RP1，通過約束方式中的耦合（coupling）將整個面耦合到參考點RP1，之后創建兩個分析步驟，建立step-1對加載梁頂部施加500kN軸向壓力，之后再建立step-2，對參考點RP1進行水平方向的位移加載，加載幅值為已設置好的幅值表，加載幅值最初已2mm為位移增量進行逐級加載，每級循環一次，加載到40mm后，位移增量改為4mm，最終加載到60mm。

2.5 網格劃分

為保證計算結果的精確性，網格單元的規則性，并防止計算時間過長和不收斂，對主要部位的網格進行細劃分，對次要部位的網格進行粗略劃分，最終泡沫混凝土墻體、加載梁和地梁的單元密度設置為100mm，型鋼骨架的單元密度設置為50mm。

3 有限元計算結果與分析

3.1 荷載-位移曲線分析

圖2 為雙X型鋼斜撐輕鋼泡沫混凝土組合剪力墻的荷載—位移曲線。拾取作用點為加載梁左側形心處，由試件的滯回曲線分析可得，試件經歷了彈性上升階段，塑性受力以及后期破壞下降階段，滯回曲線較為飽滿，基本呈梭形，大致無捏縮現象。由此可以得出，此試件具有較好的耗能能力，其可能原因有：鋼骨架合并為整體后，直接通過內置于混凝土墻體內，并沒有考慮鋼骨架與混凝土之間的粘結滑移作用，有限元模擬時也沒有輸入型鋼—泡沫混凝土的粘結滑移本構，使型鋼—泡沫混凝土之間相互作用較為理想。

圖2 試件的荷載—位移曲線

由表2可知，試件峰值荷載為196.65kN，承載力較高。正負方向加載時，屈服荷載、峰值荷載、極限荷載數值較為接近，由圖2可知，在模擬加載過程中，試件的初始剛度較大，而在后期加載中，試件承載力下降加快，可能在整個加載過程中，型鋼的疲勞變形與泡沫混凝土的損傷破壞達到了累積，加快了試件的塑性變形破壞速率。

表2 試件荷載特征值

3.2 型鋼骨架與泡沫混凝土損傷分析

試件在正負方向進行30mm位移加載時，其型鋼、泡沫混凝土的Mises（應力云圖)和PEEQ（等效塑性應變）圖如圖3，圖4所示：

圖3 試件30mm位移加載應力云圖

圖4 試件30mm位移加載PEEQ（等效塑性應變）云圖

雙X型鋼斜撐增加了水平剛度約束，側向剛度提高。在對試件進行循環往復擬靜力加載過程中，型鋼骨架的應力主要集中在下半部分，型鋼骨架上半部分應力所受較小。當對加載梁形心處加載30mm位移時，正向加載時，兩側翼緣所受應力較負向加載時偏大，型鋼兩側翼緣上部所受應力逐漸增加，深色范圍逐漸擴大，其下部型鋼屈曲變形較為嚴重，由泡沫混凝土應力云圖圖3（b）可知，泡沫混凝土墻板所受應力主要集中于墻板下端兩側，與型鋼所受最大應力的位置相對應。

型鋼骨架的受壓區外側底角處所受應力最大，型鋼鋼斜撐下部塑性應變大于0，表明此處型鋼已發生屈曲變形，其對應泡沫混凝土墻板的下部塑性損傷較為嚴重，塑性應變逐漸發生累積。

4 結束語

本文通過ABAQUS有限元軟件建立了雙X型鋼斜撐輕鋼泡沫混凝土組合剪力墻模型，通過分析試件的荷載—位移曲線和應力應變云圖，可得以下結論：

（1）雙X型輕鋼泡沫混凝土組合剪力墻試件滯回曲線較為飽滿，基本呈梭形，大致無捏縮現象，耗能能力較好。試件峰值荷載為196.65kN，承載力較高。

（2）型鋼和泡沫混凝土應力最大處主要集中于組合墻體下部兩側墻腳處，墻體中部及下部云圖顏色最深。

（3）有限元數值模擬相對來說較為理想化，影響了最終模擬結果的準確性，所以仍需進行擬靜力試驗進行驗證。