輕鋼與泡沫混凝土組合墻體抗剪承載力有限元分析

田樂　王育紅

摘要：對輕鋼與泡沫混凝土組合墻體應用于建筑結構進行推廣，對6面組合墻體進行抗剪承載力試驗，對其水平荷載峰值、開裂荷載、極限荷載、破壞形態(tài)進行測定，建立了輕鋼與泡沫混凝土組合墻體ABAQUS有限元計算模型，有限元計算結果與試驗結果吻合度較高，該模型可用于輕鋼與泡沫混凝土組合墻體抗剪承載力的計算與分析。

關鍵詞：泡沫混凝土;輕鋼;組合結構;抗剪承載力

中圖分類號：TU398.9

文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）06-0111-04

Shearcapacity of lightweight steel and foam concrete composite walls finite element analysis

TIAN Le，WANG Yuhong

（Shaanxi Railway Institute， Weinan 714000， Shaanxi China

）

Abstract：In order to popularize the application of light steel and foam concrete composite wall in building structure， the shear load vertical force test of 6 side composite wall was carried out， and the horizontal load peak value， cracking load， ultimate load and failure form were measured. The ABAQUS finite element calculation model of lightweight steel and foam concrete composite wall was established， and the finite element calculation results were in good agreement with the test results. The model can be applied to the calculation and analysis of the shear capacity of light steel and foam concrete composite walls.

Key words：foam concrete; light steel; composite structure; shear capacity

對于鋼材厚度不大于6 mm的型鋼稱為輕鋼;泡沫混凝土制備過程及工序并無特殊要求，基本類同于普通混凝土[1-2]。其區(qū)別在于制備時不加粗骨料，而是在水泥漿液中加入用動物或植物蛋白發(fā)的泡沫。澆筑完成后，因泡沫的存在而使混凝土內部含有大量均勻的小氣孔，其密度會隨之減小且保溫隔熱性能得到增強。

有學者，開展泡沫混凝土的研究，對不同密度泡沫混凝土的配合比做了深入研究，并從試驗數據得到了理論計算公式[3];通過添加不同比例的泡沫劑和采用固體容積計算的計算方法[4]，解決了泡沫混凝土制備時各組成材料的比例問題;通過建立冷彎薄壁型鋼的三維模型，計算其在往復荷載下的抗剪承載力[5-6]，以此分析這種組合墻體的抗震性能;利用冷彎薄壁型鋼組合墻體足尺試件，并通過滯回和單調加載2種方式，得出了單調加載抗剪承載力高于滯回加載10%左右[7-10]。

本試驗研究旨在解決輕鋼泡沫混凝土組合墻體破壞形態(tài)和明確破壞機理，為理論計算和工程實踐提供依據。

1試驗簡介

本次試驗所研究的參數為泡沫混凝土密度和型鋼間距。試驗采用足尺試驗，具體試件如圖1所示。

本次試驗考慮泡沫混凝土密度和型鋼間距對輕鋼與泡沫混凝土組合墻體抗剪承載力的影響。試件設計時考慮的因素主要有：泡沫混凝土密度（1 000、1 600 kg/ m³），含鋼率1.9%（型鋼間距150 mm）、1.5%（型鋼間距200 mm）、1.1%（型鋼間距300 mm）。

本批試驗共有6個試件，具體試件參數如表1所示;泡沫混凝土配合比如表2所示;型鋼材料力學性能如表3所示。

本試驗測定了輕鋼與泡沫混凝土組合墻體的抗剪承載力及破壞特征指標，在上述試驗基礎上提出了輕鋼與泡沫混凝土組合墻體抗剪承載力計算模型，并利用試驗結果與模型計算結果進行對比驗證。

2抗剪承載力計算模型

輕鋼與泡沫混凝土組合墻體的計算是結構的實體計算和非線性計算，因此合理的選擇混凝土和鋼材的本構是有限元分析的基礎。材料的本構關系表

現為構件在荷載作用下的變形關系，合理的本構關系直接影響到有限元計算結果。

2.1泡沫混凝土本構

本次計算模型的建立是基于試驗情況，試驗中泡沫混凝土密度為1 000、1 600 kg/m³，此2種泡沫混凝土密度相對較大，因此本次計算模型中泡沫混凝土本構采用文獻[2]的受壓應力-應變曲線：

2.2鋼材本構

2.3計算模型建立

采用ABAQUS有限元計算軟件對輕鋼與泡沫混凝土組合墻體按尺寸與實際工況進行受力模擬。泡沫混凝土采用DC3D8 8節(jié)點線性實體單元;C型鋼采用DC2D4殼單元，滿足其收斂性。

此外，模型建立時做了以下幾點簡化：

（1）鋼材分析時不考慮其強化階段[11]，將其簡化為理想的彈塑性模型;

（2）[JP2]計算模型中沒有建立拉結條和型鋼骨架采用自攻釘連接方式的模型;而是采用了自由度耦合的連結方式，減小計算工作量，但計算結果差別很小。4E78E0F6-38A2-47F4-9428-DECEEC72753A

具體模型及網格劃分如圖2所示。

2.4有限元計算計算結果分析

ABAQUS有限元軟件分析計算完成后，導出輕鋼與泡沫混凝土組合墻體應力云圖，結果如圖3所示。

由圖3輕鋼與泡沫混凝土組合墻體有限元計算的應力云圖和試件破壞圖可看到，計算結果和試驗現象一致。軸向力確定時，輕鋼與泡沫混凝土組合墻體在水平荷載作用下，其中下部受力較大，上部受力較小;墻體破壞也是從中下部混凝土開裂開始，裂縫逐漸開展，混凝土退出工作，最后墻體內型鋼屈服。

完成ABAQUS前處理后，對計算結果進行后處理，整理出水平荷載峰值、開裂荷載、極限荷載，結果如表4所示。與試驗數據進行對比，驗證模型的正確性，為進一步分析輕鋼與泡沫混凝土做準備。

由表4可知，水平荷載峰值、開裂荷載和極限荷載模擬值均表現出隨型鋼間距減小、泡沫混凝土密度增大而增大，承載力不斷增大;其規(guī)律與試驗結果相同。試驗值和模擬值之比均在0.9以上，其誤差在允許范圍之內，吻合度較高。因此，有限元計算模型可進行實際工程理論計算。

荷載-位移曲線計算試驗對比，結果如圖4所示。

由圖4可知，試驗曲線和模擬曲線走勢吻合度較高，試驗曲線中均出現下降段，這是由于泡沫混凝土隨水平荷載增大，裂縫開展過大而退出工作導致;而模擬曲線中未出現此現象，主要是因為泡沫混凝土本構研究相對不成熟，本文中選取的本構模型并不能完全反應實際的泡沫混凝土應力—應變關系所致。

3結語

本文在合理確定材料本構參數的基礎上建立了輕鋼與泡沫混凝土組合墻體抗剪承載力計算模型，水平荷載峰值、開裂荷載、極限荷載計算結果與試驗結果吻合度較好。本文提出的計算模型可用于輕鋼與泡沫混凝土組合輕體的計算與分析。

【參考文獻】

[1]劉殿忠，初旭超.輕鋼與泡沫混凝土組合樓板分析[J].磚瓦，2016（6）：46-49.

[2]何書明. 泡沫混凝土本構關系的研究[D].長春：吉林建筑大學，2014.

[3]李應權，朱立德，李菊麗等.泡沫混凝土配合比的設計[J].徐州工程學院學報：自然科學版，2011，26（2）：1-5.

[4]FRED C， CORMICK M C.Raational proportioning of preformed foam cellular concrete[M].India：ACI Mater J，1967.

[5]FULOP L A， DUBINA D. Performance of wall-stud cold-formed shear panels under monotonic and cyclic loading Part II： Numerical modeling and performance analysis [J]. Thin-Walled Structures， 2004， 42： 339-349.

[6]FULOP L A， DUBINA D. Design criteria for seam and sheeting-to-framing connections of cold-formed steel shear panels[J].Journal of Structural Engineering， 2006，132（4）： 582-590.

[7]何?？?，郭麗峰，周天華，等.輕鋼密墻架柱墻體抗剪性能試驗研究[J].建筑結構（增刊），2004（8）：338-341.

[8]郭麗峰，何?？?輕型密立柱墻體的抗剪和抗彎性能試驗研究報告[R].西安：西安建筑科技大學鋼結構研究所，2003.

[9]石宇.低層冷彎薄壁型鋼結構住宅組合墻體抗剪承載力研究[D].西安：長安大學， 2005.

[10]郭麗峰.輕鋼密墻架柱墻體的抗剪性能研究[D].西安：西安建筑科技大學，2004.

[11]韋東陽，肖建春，劉卓群，等.鋼-混凝土組合空腹夾層板幾種有限元模型的對比研究[J].貴州大學學報（自然科學版），2017，34（4）：70-75.4E78E0F6-38A2-47F4-9428-DECEEC72753A