高性能夾芯外掛墻板的有限元模擬研究

伍薪澎 陳婉清

（1.長沙理工大學土木工程學院，湖南 長沙 410114；2.武漢譽城九方建筑有限公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

裝配式建筑是指把傳統建造方式中的大量現場作業工作轉移到工廠進行，在工廠加工制作好建筑用構件和配件（如樓板、墻板、樓梯、陽臺等），運輸到建筑施工現場，通過可靠的連接方式在現場裝配安裝而成的建筑［1］。預制混凝土夾芯墻板主要由外葉板、夾芯層、內葉板、連接件組成，起到飾面、保溫等作用，是裝配式建筑的基本圍護構件［2］。目前，國內外學者主要針對各類夾芯墻板的抗彎、抗剪、抗壓、組合度等方面的力學性能進行了試驗探索。于士彥［3］對超高性能復合夾芯外掛墻板及其配套隔熱連接件的力學性能開展了研究，歸納了墻板的破壞模式，發現該墻板的破壞模式符合四邊簡支雙向板的破壞模式，滿足一般風荷載作用下正常使用極限狀態和承載能力極限狀態的裂縫及位移限值要求。周文財［4］通過對3塊足尺新型夾芯保溫板進行靜力加載試驗，發現聚苯顆粒纖維增強混凝土和鋼筋桁架對于夾芯保溫板的極限承載力的貢獻明顯，并且鋼筋桁架可有效抑制裂縫發展，提高夾芯板的延性，增加鋼筋桁架的高度、夾芯層厚度可提高夾芯保溫板的剛度。Daniel等［5］進行了預制混凝土夾芯墻板在四點彎曲和沖切下的抗彎試驗。試驗結果表明：在四點彎曲的情況下，面層的破壞是由于混凝土破壞引起的；在沖切的情況下，面層的破壞則是剪切應力和彎曲應力的共同作用。在這兩種荷載條件下預制混凝土夾芯墻板開裂彎矩與傳統混凝土板開裂彎矩相當。

本研究設計一種多功能實心區域預制高性能混凝土夾芯外掛墻板（簡稱夾芯墻板），結合保溫—承重一體化的理念，使得內外葉板共同承擔外部荷載，通過有限元模擬初步探索該類夾芯墻板的抗彎性能，為后續試驗打下基礎。

1 試件設計

本次試驗試件為2 塊夾芯墻板，重點研究不同混凝土強度、不同混凝土面層厚度對外掛夾芯墻板的力學性能的影響。所有試件均由內、外葉板和中間保溫層組成，內外葉板采用C30 或C60 混凝土澆筑，面層厚度為40 mm 或30 mm，試件總厚度為160 mm，中間保溫層芯材為模塑聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS板），內外葉板中均設置HRB400E熱軋帶肋鋼筋焊接制作的鋼筋網，鋼筋直徑為6 mm。

試驗構件共有QB1、QB2 兩組，其中QB1 尺寸為2 250 mm×1 285 mm，QB2 尺寸為2 250 mm×1 285 mm，中間采用100 mm×100 mm 的實心區域連接，實心區域中設置對角拉結鋼筋。試件的設計參數具體見表1。

表1 試件設計參數

2 有限元模擬

根據實際尺寸建立了預制混凝土夾芯墻板的ABAQUS有限元模型，如圖1所示。

由于實際工程中墻板的受力情況復雜，因此對模型做出一定簡化和基本假定，便于分析計算：①實心區域與內外葉板黏結良好，無相對滑移；②保溫板的強度相對于鋼筋和混凝土板而言，屈服強度非常小，因此不考慮聚苯乙烯泡沫塑料板的作用；③假定混凝土為各項同性、均質材料；④忽略混凝土的徐變、溫差等引起的應力和變形狀態。

通過提取夾芯墻板的最大荷載時的應力云圖，可直觀地描述試件的受力情況及裂縫的分布位置，進一步對夾芯墻板的破壞形態做出大致的驗證。各試件的等效應力云圖如圖2所示。從圖2可以看出，內、外葉板混凝土面層的最大應力部分出現在荷載加載點的純彎段區域，鋼筋網跨中部分基本達到屈服。在模擬試驗結束時，跨中撓度已經超過了計算板跨的1/50，即認為已經達到了極限承載力。

圖2 試件Mises應力云圖

3 參數化分析

在已有的研究基礎上，對影響夾芯墻板抗彎性能的主要因素進行分析，并在QB2墻板的基礎上進行有關參數的數值模擬分析，對比分析不同混凝土強度、混凝土面層厚度、鋼筋強度等級、鋼筋間距對夾芯墻板抗彎性能的影響規律，為建立合理的預制混凝土夾芯墻板的設計方法提供參考依據。

3.1 混凝土強度對墻板抗彎性能的影響

通過建立不同混凝土強度的夾芯墻板模型，研究混凝土強度對抗彎性能的影響，以試件QB2作為基準模型，在其他參數一致的情況下，建立混凝土強度為C25、C30、C40、C50、C60 等5 種模型，通過ABAQUS 軟件進行計算，不同內外葉板厚度的夾芯墻板的荷載—撓度曲線如圖3所示。

圖3 不同混凝土強度模型的荷載—撓度曲線

極限狀態分為正常使用極限狀態和承載力極限狀態，參照《混凝土結構試驗與檢測技術》的規定［6］：以墻板跨中最大變形撓度達到跨度的1/200時的荷載作為正常使用極限荷載；以墻板跨中最大變形撓度達到跨度的1/50，作為承載力極限荷載，具體見表2 所示。由表2 可知，隨著混凝土強度等級的降低，夾芯墻板的剛度呈下降趨勢，但是隨著強度的降低，下降的速度也隨之減小。

表2 不同混凝土強度模型的特征荷載

3.2 內外葉板厚度對墻板抗彎性能的影響

研究內外葉板厚度對夾芯墻板的抗彎性能的影響，建立了20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm厚的內外葉板的5 種夾芯墻板模型，通過ABAQUS軟件進行計算模擬分析，將荷載—撓度曲線進行對比，不同內外葉板厚度的夾芯墻板的荷載—撓度曲線如圖4 所示。根據正常使用極限狀態荷載及承載力極限荷載，得到不同內外葉板厚度的墻板極限荷載，見表3。由表3 可知，隨著混凝土面層厚度的增加，夾芯墻板剛度保持穩定增長，極限承載力增長速度幾乎保持穩定狀態。

圖4 不同內外葉板厚度模型的荷載—撓度曲線

表3 不同內外葉板厚度模型的特征荷載

3.3 鋼筋間距對墻板抗彎性能的影響

為研究鋼筋間距對夾芯墻板的抗彎性能影響，設置了200 mm×200 mm、250 mm×250 mm、300 mm×300 mm、350 mm×350 mm 的鋼筋間距，并建立夾芯墻板模型，通過ABAQUS進行模擬分析計算，不同鋼筋間距的預制混凝土夾芯墻板的荷載—撓度曲線如圖5所示。

圖5 不同鋼筋間距模型的荷載—撓度曲線

根據正常使用極限狀態荷載以及承載力極限荷載，得到不同鋼筋間距的墻板極限荷載，見表4。從表4可知，鋼筋網的間距不斷增大，夾芯墻板的剛度基本不變化，單純改變鋼筋網間距對夾芯墻板的剛度影響不大。

表4 不同鋼筋間距模型的特征荷載

3.4 鋼筋強度對墻板抗彎性能的影響

工程中常用的鋼筋強度等級有:HPB300、HRB335、HRB400、HRB400E、HRB600，本文以鋼筋的強度為變量，研究夾芯墻板的抗彎性能與鋼筋強度之間的關系。采用不同鋼筋強度等級的夾芯墻板的荷載—撓度曲線如圖6所示。

圖6 不同鋼筋強度模型的荷載—撓度曲線

根據正常使用極限狀態荷載以及承載力極限荷載，得到不同鋼筋間距的墻板極限荷載，見表5。由表5 中可知，隨著鋼筋強度等級不斷增加，預制混凝土夾芯墻板的剛度提高甚小，單純改變鋼筋強度等級對預制混凝土夾芯墻板的剛度影響不大。

表5 不同鋼筋強度等級模型的特征荷載

4 結論

利用ABAQUS 對QB1、QB2 墻板進行模擬分析，對比分析混凝土強度、內外葉板厚度、鋼筋間距、鋼筋強度等級、對高性能夾芯外掛墻板抗彎性能的影響規律，得出以下結論。

①ABAQUS 模擬的各試件模型的最大應力出現在加載點附近，鋼筋網基本達到屈服。

②夾芯墻板抗彎性能與混凝土強度、內外葉板厚度關系較大；鋼筋間距、鋼筋強度等級對夾芯墻板的抗彎性能基本沒有影響。夾芯墻板的抗彎性能隨著混凝土強度、內外葉板厚度的增大而增大。

③在實際工程中可以通過提高混凝土墻板、內外葉板厚度來獲得更加優異的抗彎性能。