填充輕聚合物的預制冷彎薄壁型鋼組合墻板抗剪性能有限元分析

陸 斐， 汪皖黔， 宋慧慧

(合肥工業大學，安徽 合肥 230009)

0 引 言

鋼結構住宅相較于傳統住宅具有模塊化生產、綠色節能等明顯優勢，在建筑結構領域推廣與應用鋼結構建筑可以促進建筑產業的工業化、智能化和綠色化發展。

冷彎薄壁鋼結構是一種新型綠色節能建筑結構形式，首先由國外引進，后期在國內快速發展并推廣[1-3]，有許多學者就冷彎薄壁型鋼構件性能展開研究[4-7]，然而此類建筑形式仍存在保溫、隔音、防腐蝕以及防火等方面的問題。在傳統空腔式冷彎薄壁型鋼墻體內填充輕聚合物，使組合墻體在保溫隔熱、防火防震等方面獲得更好的性能，具有推廣應用價值。目前少數學者對噴涂式冷彎薄壁鋼組合墻板的壓彎和抗剪性能進行了試驗研究[8-10]，對此類構件的軸壓、壓彎及受剪性能以及破壞模式和抗震性能進行了理論分析[11，12]。但是現場組裝噴涂工序較多，工廠預制化程度低，不利于推廣與應用。針對上述問題，提出了一種填充輕聚合物的預制冷彎薄壁型鋼組合墻板，通過專業生產線將輕聚合物高壓注入冷彎薄壁型鋼骨架區格中，經蒸汽養護后形成預制墻板，考察其破壞特征和受力機制[13，14]。

本文通過有限元軟件，建立了文獻[15]中填充輕聚合物的預制冷彎薄壁型鋼組合墻板的有限元分析模型，引入初始缺陷和冷彎薄壁型鋼立柱的屈曲模態，通過試驗驗證了分析模型的準確性，并對加載全過程進行分析，研究結果可為填充輕聚合物的預制冷彎薄壁型鋼組合墻板在實際工程的推廣和應用提供理論依據。

1 有限元分析模型

1.1 試件概況

參考文獻[16]中所設計制作的6片填充輕聚合物的預制冷彎薄壁型鋼組合墻板試件，幾何尺寸與設計參數見表1，設計參數為墻板厚度、輕聚合物類型、鋼絲網層數和有無水泥纖維面板。

表1 試件參數

1.2 數值分析模型

本文通過ABAQUS有限元程序建立了上述6片填充輕聚合物的預制冷彎型鋼組合墻板的有限元分析模型，如圖1所示，該模型由冷彎薄壁型鋼骨架、鋼絲網、水泥纖維板和輕聚合物填料組成。

圖1 有限元模型示意圖

為了準確模擬所填充輕聚合物對冷彎薄壁型鋼組合墻板抗剪性能的影響，墻板中的立柱和導軌的單元類型采用殼體單元S4R，水泥纖維板和輕聚合物填料采用實體單元C3D8R，同時鋼絲網選用三維桁架單元T3D2進行建模。在保證計算模型精度的情況下提高計算效率，立柱與導軌的網格寬度取30 mm，水泥纖維板、填料以及鋼絲網的網格寬度取20 mm。

1.3 材料模型

冷彎薄壁型鋼材料的應力-應變關系曲線模型選用理想彈塑性模型，如圖2(a)所示，該模型有利于提高模型計算精度并縮短模型分析時間。鋼材的彈性模量為2.16×105MPa，屈服強度為662 MPa，抗拉強度為692.5 MPa，泊松比為0.3。

輕聚合物本構關系根據文獻[17]中相關EPS混凝土的研究，所選用模型應力-應變曲線如圖2(b)所示，石膏基/水泥基-輕聚合物的屈服強度取換算成標準試件抗壓強度試驗結果平均值，分別為1.197 MPa、1.944 MPa，彈性模量分別為300.2 MPa、353.5 MPa，泊松比為0.2。

圖2 本構關系圖

水泥纖維板的本構關系根據文獻[17]等的有關研究，彈性模量為5 000 MPa，剪切模量為1 000 MPa，靜曲強度為17.25 MPa，泊松比為0.2。

1.4 邊界條件

模型各部分構件表面之間的相互作用定義為“面與面接觸”，法向行為定義為“硬”接觸，切向行為采用庫侖摩擦模型，設置為“罰”，石膏基/水泥基-輕質填料與冷彎薄壁鋼骨架的摩擦系數分別取0.45和0.6。填料與鋼絲網之間定義為區域約束，水泥纖維板和填料之間定義為面與面綁定約束。立柱和導軌之間采用Tie連接進行模擬，鋼絲網由于被輕聚合物填料完全包裹，采用嵌入連接約束進行模擬。

試驗試件的底導軌通過角鋼固定于地梁，而試驗全程底導軌并未發生位移，故模型中采取限制所有方向的平動自由度和轉動自由度來模擬固定支座的邊界條件。頂導軌處設置平面外約束，以防止平面外失穩。

試驗過程中墻板立柱受壓且其截面厚度小于1 mm，因此建模考慮了立柱的幾何缺陷，采用ABAQUS軟件中的特征值屈曲分析來模擬墻板立柱的初始缺陷，選取立柱的第一屈曲模態作為其初始缺陷的分布狀態。研究缺陷分布的振幅表達式為：

A=6te-2t

(1)

式中：A為初始缺陷的振幅；t為墻板立柱的厚度。

有限元分析模型的加載方式與試驗相同，在分析步中施加30 kN的豎向荷載，并逐級增加組合墻板的水平位移幅值，通過增量迭代法求解非線性方程。

2 模擬結果

2.1 荷載-位移曲線

通過有限元分析結果處理模塊ODB歷程變量輸出，得到水平荷載作用點對應的水平位移和側向力，繪制各組構件荷載-位移曲線(P-Δ曲線)，結果如圖3所示。

由圖3可知，計算和試驗得出的曲線吻合較好，彈性剛度與抗剪承載力計算值略大于試驗值，該部分差值與試件制作、試驗條件和測量精度有關。

2.2 抗剪承載力

將填充輕聚合物的預制冷彎薄壁型鋼組合墻板抗剪承載力試驗值與計算值進行了對比，如圖4所示。抗剪承載力計算值與試驗值比值為0.857～0.975，有限元模擬計算方法可以較好預測填充輕聚合物的預制冷彎薄壁型鋼組合墻板的抗剪承載力。

圖4 試驗與有限元模擬結果的抗剪承載力對比

3 全過程分析

為了深入研究填充輕聚合物的預制冷彎薄壁型鋼組合墻板抗剪性能和工作機制，了解其在整個加載過程中的受力形態和破壞過程，本節選取CFSLPM2、CFSLPM5兩個典型試件，在計算分析所得的P-Δ曲線上選取3個特征點進行比較分析，如圖5所示，A點為墻板達到彈性階段臨界點，B點為墻板達到彈塑性階段臨界點，C點為墻板加載至下降段最終點。

圖5 墻板標準P-Δ曲線分析圖

3.1 彈性階段(OA段)

水平位移達到A點時，構件CFSLPM2、CFSLPM5的主要應力狀態分別如圖3(b)、圖3(e)所示，試件基本處于彈性狀態，各部位應力值均較小。荷載-位移曲線近似直線，OA斜率為試件的彈性剛度Ks。鋼框架的損傷應力區位于對角處。輕質填料總體處于低壓應力狀態，僅頂角與底角處應力較大。

圖3 計算與試驗的P-Δ曲線對比

3.2 彈塑性階段(AB段)

隨著側向位移的增加，構件殘余變形不斷累積，荷載-位移曲線表現為非線性關系，鋼骨架邊柱和頂底部軌道開始屈服，高應力區逐漸從末端向中部發展。當試件進入彈塑性階段時，輕質填料累積損傷不斷增大。由于CFSLPM2覆蓋雙側水泥纖維板而CFSLPM5僅為雙側鋼絲網，前者承受剪切荷載時，平面外約束較強，內部填料可視為對角支撐，表現出更好的對角線抗壓性能，其抗剪承載力在彈塑性階段提升更大，整體性能更優。

3.3 下降階段(BC段)

構件加載進入最終階段，側向位移增加，整體應力達到最大并且分布較為均勻，邊柱底部局部屈曲并與底導軌分離，C點的抗剪承載能力相較B點出現下降說明組合墻板之間的連接失效，無法共同工作承擔荷載。

4 結 論

本文通過ABAQUS有限元分析軟件建立了6片填充輕聚合物的冷彎型鋼組合墻板試件有限元模型，通過模擬與試驗結果對比驗證，研究不同參數對組合墻板的破壞特征、抗剪性能的影響，得到下列結論：

(1) 建立了ABAQUS有限元分析模型，考慮了冷彎薄壁型鋼與輕聚合物之間的復雜接觸問題、初始缺陷及屈曲模態，通過試驗數據對比驗證了模型的準確性與可靠性。

(2) 通過在典型構件的P-Δ曲線上選取特征點，詳細分析每個階段以及特征點下構件應力分布狀態，獲悉其不同階段的工作機制。隨著水平位移的增加，墻板邊柱和底導軌率先進入屈服階段，并不斷從末端向中部發展，輕聚合物填料在進入彈塑性階段后損傷不斷累積，從頂底部逐漸向中部發展，最后，墻板整體進入塑性階段，內部連接失效以致無法共同工作。