偏压作用下混凝土夹芯墙板理论研究.pdf

1 6 低温建筑技术 2 0 1 2年第 l 0期 ( 总第 1 7 2期 ) 偏压作用下混凝土夹芯墙板理论研究 李砚波 ， 李慧 ， 戴 自强 ( 1 天津大学建筑工程学院 天津3 0 0 0 7 2； 2 滨海土木工程结构 与教育部 重点 实验室 。 天津3 0 0 0 7 2) 【 摘要】 混凝土夹芯承重墙板其应用对我国墙体改革有着重要的意义。目 前， 该墙板在轴心受压情况下 的力学性能已得到充分研究。但是， 对于偏压作用下其力学性能的研究很少， 故采用大型通用有限元分析软件 A N S Y S ， 对偏压作用下混凝土夹芯承重墙板的力学性能进行非线性分析， 研究了其在竖向偏压荷载作用下的变形 特性和受力性能， 提出了在偏压作用下混凝土夹芯承重墙板承载力计算公式。 【 关键词】 夹芯板； 承重墙板 ； A N S Y S 【 中圈分类号】 T u 3 7 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 【 2 0 1 2 ) 1 0 0 0 1 6 0 3 THE oRETI CAL S TUDY oN CoNCRET E S ANDW I CH W ALL I E L UNDER ECCE NTRI C Co 【 P ll S S I oN LI Ya h b o ，L I Hu i ，DAI Zi q i a ng (1 S c h o o l o f C i v i l E n g i ， T i a n j i n U n i v e r s i t y ， T i a n j i n 3 0 0 0 7 2， C h i n a ； 2 K e y L a b o r a t o r y o f C o a s t C i v i l S t r u c t u r e a n d S a f e ty M i n i s t r y o f E d u c a t i o n ， T i a n j i n U n i v ， T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： C o n c r e t e s a n d w i c h wa l l p a n e l i s a n e w d e v e l o p e d b u i l d i n g ma t e r i a 1 I t s a p p l i c a ti o n i n o u r c o un t r y h a s i mp o r t a n t me a n i n g t o o u r n a ti o n a l p a n e l r e f o r mAt p r e s e n t ，t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e w a l l p a n e l s u n d e r a x i a l c o mp r e s s i o n h a v e b e e n a d e q u a t e l y s t u d i e d Ho w e v e r ，f o r t h e e c c e n t ri c c o mp r e s s i o n，the me c h an i c a l p r o p e rt i e s o f t h e wall p a n e l s a r e r a r e l y s t u d i e d I n t h i s p a p e r ，b y u s i n g n o n l i n e a r fi n i t e e l e me n t p r o g r a m A NS YS，the me c h a n i c a l b e h a v i o r o f the s a n d w i c h l o a d - b e a ri n g p a n e l s u n d e r e C c e n t r i c c o mp r e s s i o n i s a n aly z e d T h e c alc u l a t e d r e s u l t s ，s u c h a s t h e c h ara c t e r s o f the d e f o r ma t i o n an d s t r e s s ，are d i s c u s s e d i n d e t a i l Th e f o r mu l a for c alc u l a ti n g b e a ri n g c a p a c i ty u n d e r e c c e n t ri c c o mp r e s s i o n i s o b tai n e d Ke y wor d s： s a n d wi c h pan e l ；l o a d b e a r i n g p a n e l ；ANS YS 随着建筑业的革新与进步， 开发节能环保的绿色 墙体材料是减少能源消耗， 保护生态环境 ， 确保人类 社会可持续发展的必然要求 ， 国内外对新型墙板已有 了大量的研究成果。混凝土夹芯复合板是 由聚苯乙 烯泡沫、 钢丝网骨架和钢筋混凝土构成的一种新型复 合板， 其应用符合我国目前推广节能建筑的需要 。 目前 ， 天津大学对混 凝土夹 芯承重墙 板进行 了一 系列 试验与理论研究， 并取得 了一些研究成果。文献 2 对混凝土夹芯承重墙板 的轴向受压力学性能进行 了 试验研究， C S 墙板示意图见图 1 ， 其中 t 。 = 3 5 ra m， t = 8 0 m m， 其详细构造图可见文献 2 和图 1 。 但是， 对于偏压作用下混凝土夹芯承重墙板受力 性能的研究还很少。故文 中采用通用有限元分析软 件 A N S Y S 对复合墙板进行非线性有限元静力分析， 以 揭示混凝土夹芯复合墙板在偏压作用下的力学性能 ， 基金项目】 天津市 自 然科学基金( 0 6 Y F J M J C 0 5 8 0 0 ) 为混凝土夹芯承重墙板的进一步研究提供参考。 图1 C S 墙板示意图 1 理论模型 混凝土夹芯承重墙板理论模型尺寸为 1 O 0 m 0 8 m 0 1 5 m。采用分 离式 模型 ， 即混凝 土 和钢 筋分 开建模， 不考虑钢筋和混凝土之间的粘结滑移。 混凝土采用 A N S Y S 提供的S O L I D 6 5单元来模拟， 该单元可 以综合 考 虑包 括塑 性和 徐 变引 起 的材料 非 李砚波等： 偏压作用下混凝土夹芯墙板理论研究 1 7 线性、 大位移引起的几何非线性、 混凝土开裂和压碎 引起的非线性等多种混凝土的材料特性 。混凝 土 在单轴受压下的本构关系采用 G B 5 0 0 1 0 2 O l O ( 混凝 土结构设计规范 所推荐的公式 ： o r =( 1 一 d c ) E ( 1 ) 上述公式 中各参数 的取值详 见 G B 5 0 0 1 02 0 1 0 混凝土结构设计规范 附录 C， 表 c 2 4混凝土单轴 受压应力 一应变曲线的参数取值。 钢筋采用 L I N K 8 单元 ， 其弹性模量 E = 2 1 0 G P a ， 屈服强度 = 2 3 5 M P a ； 钢丝也采用 L I N K 8单元 ， 其弹 性模量 E =1 8 0 G P a ， 屈服强度 = 5 5 0 M P a 。 两侧混凝土板厚度方向各划分为 2层单元， 按照 每一单元格边长为 5 0 m m进行网格划分。划分单元之 后 ， 混凝土单元和钢筋单元在节点处相连， 从而保证 两单元在节点处的位移相协调。在墙板顶面施加面 荷载， 底面施加面约束 ， 墙板顶部考虑垂直墙面的约 束 。墙板有限元模型如图 2所示。 嚼 一 ( 且 ) 混凝土单元 ( b ) 钢丝网架单元 图2 混凝土夹芯承重墙板有 限元模型 采用该种模型对试验墙板进行分析， 计算结果与 试验结果有较好的一致性 ， 可较好地再现混凝土夹芯 承重墙板的受力状况和性能， 即文 中建立的有限元模 型是 可靠 的。 2 墙板模型加载分析 实际工程 中混凝土墙板承受荷载的不 同偏压程 度 ， 采用两侧混凝土层顶部荷载的不同比值来体现。 文中对五种不同荷载 比值下的墙板进行了分析。墙 板模型加载示意图见图 3 。 一 一 一 图3 混凝土夹芯承重墙板模 型加载示意图 分析过程中保持内侧混凝土层顶部荷载不变， 根 据内外侧混凝 土板荷载差异大小来规定外侧混凝土 顶部的荷载。五种墙板外侧与内侧混凝 土层顶部荷 载比值依此为 l ： l ， 4 ： 5 ， 1 ： 2 ， 1 ： 3 ， 0 ： 1 。分析过程 中。 其中内侧混凝土层顶面输入荷载为 2 4 N ra m ， 相应外 侧荷载值按相应比值计算， 其荷载值见表 1 。 表 1 内外侧混凝土层顶部荷载值 N m m- 2 计算中关闭混凝土压碎特性， 采用 v o n M i s e s 屈服 准则的多线性等向强化模型。采用分布式裂缝模型， 并采用由力控制的收敛准则， 增大迭代误差到 5 ， 同 时应用完全牛顿 一 拉普森( N e w t o nR a p h s o n ) 方法、 线 性搜索( L i n e s e a r c h ) 、 非线性分析预测( P r e d i c t o r ) 等加 速非线性方程计算结果的收敛。计算采用增量迭代 法， 保存每个子步的计算结果。极限状态的判定采用 逐步增加荷载直至有限元模型失效的方法。 3有限元分析结果 3 1 混凝土夹芯承重墙板承载力计算方法 通过有限元分析结果可以看出， 随着外侧混凝土 层所受荷载的减小， 墙板极限承载力逐渐减小 ， 其 中 仅内侧混凝土层受压时墙板承载力最低。WB 1 在竖 向荷载作用下 ， 两侧混凝土层 向及 z向位移相同 ， 即墙板两侧的混凝土处于整体工作状态 ， 两侧混凝 土连为一体共同变形， 与 C S剪力墙正截面承载力计 算基本假设一致 。故当混凝土夹芯承重墙板承受 轴心压力荷载作用时， 其极限承载力的计算与普通钢 筋混凝土轴心受压承载力的计算方法相同。 WB 2一WB 5在竖向荷载作用下， 两侧混凝土层位 移不再协调一致， 其差异程度随外侧混凝 土层所受荷 载的减小而增大。四块混凝土夹芯承重墙板 内侧混 凝土层在破坏荷载下最大压应力均出现在其中上部。 外 侧混凝 土在破 坏荷 载下 的应 力 均未 达 到混 凝 土极 限抗压强度。但随着荷载的增大， 外侧混凝土应力分 布逐渐接近 内侧混凝土层 的应力分布。根据上述极 限承载力的分析， 在偏压作用下， 墙板受压极限承载 力的计算公式 ： N= b t 1 + ( 厂 A 。 l + 厂 A ) ( 2 ) 式中， 为墙板偏压承载力 ； 。 为等效矩形应力 图系数 为混凝土轴心抗压强度设计值 ； t 。 为单侧混 凝土层厚度 为钢筋抗压强度设计值 为钢丝抗 压强度设计值， A 。 。 为钢筋面积 ； A 为钢丝面积； 与 分别为混凝土、 钢筋和钢丝与内外侧荷载比值有关 的 系数 ， 其中 =1 0 2 2 e 埘 ， = 0 6 4 1 a+ 0 4 9 5 ， 为外 侧混凝土与内侧混凝土所承受的面荷载比值。表 2分 别是混凝土央芯承重墙板按公式( 2 ) 计算的混凝土夹 1 8 低温建筑技术 2 0 1 2 年第 l O期( 总第 1 7 2 期) 芯承重墙板承载力值及 A N S Y S有限元计算结果。可 以看出， 两者最大偏差为 5 1 ， 故按公式 ( 2 ) 计算承 载力较合适。 表 2 极限承载力计算及分析结果 3 2 钢筋及钢丝的受力分析 由上述结论可知 ， 随着外侧混凝土层顶部荷载的 增大， 其受力性能逐渐接近于 WB 1 的受力性能。WB 5 的受力情况是外侧完全不受力的极端状态 ， 也是最不 利的状 态。故 根据有 限元分 析的结果， 以 WB 1和 WB 5为例， 对墙板中钢筋及钢丝进行进一步的分析。 钢丝网钢丝 由横向分布钢丝和竖向分布钢丝组 成 ， 另一方面， 钢丝网钢丝又与板间的斜插丝组成空 间网架结构。由于原来钢筋混凝土板 中的部分混凝 土和钢筋由板中的钢丝网架结构所代替， 故混凝土夹 芯承重墙板承载力机理发生一定变化。以下主要对 WB 1 和 WB 5两种墙板中的钢丝网、 钢筋及连接两片 钢筋混凝土板的斜插丝分别作了分析。 ( 1 ) 竖向分布钢丝。由分析可知， 竖向钢丝在 板中主要受压， 起到了混凝土构件中的受压纵筋的作 用， 分担了一部分压力。 WB 1内外两侧混凝土板中竖向分布钢丝应力分 布大致相 同。板顶部钢丝应力最大 ， 最大应力值 为 2 3 3 M P a ， 未达到其屈服强度。 WB 5在偏压作用下 ， 受压一侧混凝土中钢丝应力 由墙板底部到墙板顶部逐渐增大， 最大应力值出现在 内侧混凝土层顶部， 其值为 1 8 5 M P a ； 外侧混凝土层中 钢丝应力分布则与之相反 ， 由底部至顶部逐渐减小， 应力值均远小于钢丝的屈服强度。 ( 2 ) 横向分布钢丝。WB 1 外侧混凝土层中横向 分布钢丝应力与内侧横 向分布钢丝应力分布大致相 同， 应力值随板高的增大而增大。 wB 5中两侧混凝土板内的横向分布钢丝单元应 力分布有所不同。承受压力的内侧混凝土层 中横 向 分布钢丝应力值随板高的增大而增大， 与 WB 1 墙板中 钢丝应力的分布规律相同， 而不受压的外侧混凝土层 中钢丝最大应力出现在其底部 ， 不同于 WB 1 墙板中钢 丝应力的分布规律。 由有限元分析结果可知， WB 1墙板与 WB 5墙板 中横向分布钢丝均主要承受拉力 ， 从而有效地阻止了 混凝土 的开裂。 ( 3 ) 板间斜插丝。WB 1 墙板在破坏荷载下每列 斜插丝中既存在受压斜插丝， 又存在受拉斜插丝， 其 受力并无一定的规律。但无论受压还是受拉斜插丝， 其应力值均较小， 均未达到斜插丝极限强度值。 WB 5 墙板在破坏荷载下沿同一方向设置的斜插 丝受力相同， 沿不同方向设置的两列相交叉的斜插丝 受力相反。墙板底部斜插丝应力较小， 墙板顶部斜插 丝应力较大， 最大应力值出现在板顶。 4结语 ( 1 ) 通过对上述混凝土夹芯承重墙板有限元模 型分析， 得出偏压荷载作用下各墙板的极限承载力。 ( 2 ) 在轴压作用下， 钢丝网有效地连接两侧混 凝土层， 墙板两侧的混凝土层位移及内力均相 同， 故 在计算混凝土夹芯承重墙板正截面受压承载力时可 按厚度为两侧混凝土层厚度之和的混凝 土剪力墙来 进行计算。而在承受偏压作用时， 混凝土夹芯承重墙 板两侧的混凝土板 内力及位移不再协同一致， 故文中 提出适用于偏压作用下混凝土夹芯承重墙板受压承 载力计算公式。 ( 3 ) 从钢丝的受力分布可以看出， 钢丝网的存 在延缓 了混凝土的开裂 ， 横 向钢丝 弥补 了混凝 土的弱 抗拉性能， 竖向钢丝及钢筋增强了墙板的承压性能。 在偏压作用下， 斜插丝应力分布呈现一定的规律性 ， 即相邻两列斜插丝呈一拉一压间隔分布。但无论受 拉还是受压， 斜插丝应力均较小。 参考文献 1 L i Y a n b o ，Z h a n g S h a o h u a ， Xi a B a o y a n g T h e o r e fi c M c M c u l i o n a n d a nMy s i s o f s l i p a n d d e f o r ma t i o n f o r c o n c r e t e s a n d w i c h p an e l s J T r a n s a i o n s o f T j anji n u n i v e m i ， 2 0 0 7 ， 1 3 ( 2 ) ： 1 2 1 2 李砚波， 冯智勇。 戴 自强， 张敬混凝土夹芯承重墙板试验及 理论研究 J 四川建筑科学研究 ， 2 0 0 6， 3 2 ( 5 )： 1 6 41 6 7 3 郝文化 A N S Y S 土木工程应用实例 M j E 京：中国水利水 电出版社 ， 2 o o 5 4 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范 s 5 蒋金梁 混凝土夹芯复合墙板热工和力学性能研究( 夏热冬 冷地区) D 浙江： 浙江大学， 2 0 0 8 6 B E N A Y O U N E A ， S A M A D A A A， T R I K H A D N S t r u c t u r a l b e h a v i o r o f e c c e n t r i c l o a d e d p r e c a s t s a n d w i c h p a n e l s J C o n s t rue t i o n a n d b u i l d i n g m a t e fi Ms ， 2 0 0 6， 2 0 ( 9 )： 7 1 3 7 2 4 7 曲秀妹c s 板式房屋结构力学性能研究 D 天津： 天津大 学 ， 2 0 0 8 收稿日期 2 0 1 2 0 5 1 O 作者简 介 】 李砚 波 ( 1 9 6 2一) ， 男 ， 天津 人 ， 副 教授 。 从 事 c s 承重墙板结构体系研究 。