超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體抗剪性能影響因素有限元分析

孫建波SUN Jian-bo；楊收港YANG Shou-gang；姚佳奇YAO Jia-qi；吳渤WU Bo；徐思雨XU Si-yu

（①哈爾濱工業大學建筑設計研究院有限公司，哈爾濱 150000；②沈陽建筑大學，沈陽 110168）

0 引言

超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體由冷彎薄壁型鋼加工而成的立柱和導軌、泡沫混凝土、聚氨酯保溫板和OSB 板組成，本文利用大型有限元研究軟件ABAQUS 對組合墻體進有限元分析，以研究墻體龍骨腹板高度、墻體高度對墻體抗側性的影響。

1 有限元模型的建立

超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體ULFW-1；墻體模型的尺寸、編號見表1 所示。所有墻體試件的上、下導軌和立柱都采用Q550 輕鋼，上、下導軌均規格為U90×50×1.0mm；立柱規格為C89×50×13×1.0mm，間距為600mm；聚氨酯保溫板厚度為180mm；OSB 板厚度為10mm。墻體上、下導軌與立柱之間、OSB 板與墻體骨架之間均采用自攻螺釘連接；聚氨酯保溫板與墻體骨架采用錨栓連接。墻體內側面板OSB 板和墻體外側聚氨酯保溫板與墻體骨架間的連接間距布置為四周150mm，內部為300mm。

表1 墻體的構造尺寸

1.1 單元類型的選取

根據組合墻體各組成部分的特點，超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體中由冷彎薄壁型鋼加工成的立柱、上下導軌均采用三維4 節點減縮積分的殼單元（S4R），本文中OSB板、聚氨酯保溫板和泡沫混凝土采用實體單元（C3D8R）來建模分析。

1.2 材料本構

①鋼材本構。

Q550 冷彎薄壁型鋼的材性數據參考文獻[1]的試驗確定，鋼材性能指標如表2 所示。

表2 鋼材性能指標

②泡沫混凝土本構關系。

本文根據相關參考文獻[2]對所用泡沫混凝土的彈性模量取值為500MPa，泊松比取值為0.3，而泡沫混凝土的屈服強度則根據泡沫混凝土標準試件在其抗壓強度試驗下取其結果的平均值6.35MPa，密度為800kg/m2。

③聚氨酯保溫板和OSB 板的本構關系。

根據相關參考文獻[3]、[4]，所采用的聚氨酯保溫板和OSB 板的材料特性如表3、表4 所示。

表3 聚氨酯保溫板材料特性

表4 OSB 板材料特性

1.3 邊界條件和加載方式

根據墻體實際情況確定其邊界條件，墻體下導軌受到全部方向的平動自由度和轉動自由度的約束，為使墻體不發生平面外的失穩，讓墻體上導軌受到限制平面外的平動自由度的約束。加載方式采用位移控制加載，即耦合上導軌沿X 方向的位移。墻體有限元模型如圖1 所示，應力云圖如圖2 所示。

圖1 墻體的網格劃分

圖2 墻體的應力云圖

2 不同參數的影響分析

2.1 墻體的龍骨腹板高度對墻體抗剪性能的影響

本節通過改變墻體龍骨腹板高度hw來改變其泡沫混凝土的厚度，對其墻體龍骨尺寸分別為C75×40×8、C89×50×13mm、C100×40×13mm、C120×40×13 和C140×40×13mm 的5 個超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體的抗剪性能進行了有限元分析，由有限元軟件ABAQUS 得到墻體不同龍骨腹板高度的超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體的P-Δ曲線如圖3 所示，墻體的抗側剛度K300、屈服荷載、峰值荷載等參數見表5 所示。

表5 hw 系列下模型的力學參數對比

圖3 H 系列下模型的P-Δ 曲線對比圖

針對不同龍骨腹板高度的超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體的P-Δ 曲線分析所得的墻體的抗側剛度K300、屈服荷載、峰值荷載等參數可知：

①隨著墻體龍骨腹板高度的不斷增加超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體的屈服荷載和峰值荷載有所增加；ULFW-KS-1 墻體比ULFW-1 墻體的屈服荷載和峰值荷載降低了4.05%和2.91%；ULFW-KS-2 墻體、ULFW-KS-3墻體和ULFW-KS-4 墻體比ULFW-1 墻體的屈服荷載分別增加了7.59%、18.47%和22.68%；ULFW-KS-1 墻體、ULFW-KS-2 墻體、ULFW-KS-3 墻體和ULFW-KS-4 墻體比比ULFW-1 墻體的峰值荷載分別增加了5.77%、18.11%和23.79%。

②隨著墻體龍骨腹板高度的增加，超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體的抗側剛度K300也逐漸增大，ULFW-KS-1 墻體比ULFW-1 墻體的抗側剛度K300降低了1.41%；ULFWKS-2 墻 體、ULFW-KS-3 墻 體、ULFW-KS-4 墻 體 比ULFW-1 墻體的抗側剛度K300分別增加了6.35%、14.59%、23.29%。

由以上分析可知，隨著墻體龍骨腹板高度的逐漸增加，超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體的抗剪承載力、抗側剛度K300也相應地增加。

2.2 墻體的高度對墻體抗剪性能的影響

對墻體高度H 分別為2.4m、2.7m、3m 和3.3m 的4 個超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體的抗剪性能進行有限元分析，由有限元軟件ABAQUS 得到不同墻體高度的超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體的P-Δ 曲線如圖4 所示，墻體的抗側剛度K300、屈服荷載、峰值荷載等參數見表6 所示。

表6 H 系列下模型的力學參數對比

圖4 H 系列下模型的P-Δ 曲線對比圖

針對不同墻體高度的超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體的P-Δ 曲線分析所得的墻體的抗側剛度K300、屈服荷載、峰值荷載等參數可知：

①在超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體其他參數不變的情況下，隨著墻體高度的增加，組合墻體的屈服荷載和峰值荷載、峰值位移逐漸降低，ULFW-WS-1 墻體、ULFWWS-2 墻體和ULFW-WS-3 墻體比ULFW-1 墻體的屈服荷載分別降低了4.55%、6.22%和9.98%，ULFW-WS-1 墻體、ULFW-WS-2 墻體和ULFW-WS-3 墻體比ULFW-1 墻體的峰值荷載分別降低了3.89%、6.11%和9.74%。

②在墻體其他參數不變的情況下，隨著墻體高度的增加，會使超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體的抗側剛度K300逐漸降低，ULFW-WS-1 墻體、ULFW-WS-2 墻體、ULFWWS-3 墻體比ULFW-1 墻體的抗側剛度K300分別降低了7.53%、16.7%、19.29%。

由以上內容分析可知，在墻體其他參數不變的情況下，隨著墻體高度的增加，組合墻體的抗側剛度K300、抗剪承載能力會逐漸降低。

3 結論

本文通過對超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體進行參數分析，研究墻體龍骨的腹板高度、墻體的高度、墻體的立柱間距對超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體抗剪性能的影響，總結出以下結論：

①隨著墻體龍骨的腹板高度的逐漸增加，對應的改變了泡沫混凝土的厚度，超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體的抗剪承載力、抗側剛度K300也相應地增加，因此，墻體的腹板高度對超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體的抗剪性能也有一定的影響。

②隨著墻體高度的增加，超低能耗輕鋼泡沫混凝土墻體的抗側剛度K300、抗剪承載能力會逐漸降低。