鋼—稻草板組合墻體開洞軸壓力學性能有限元分析★

張秀華 李超然 孟毅豪

(東北林業大學土木工程學院,黑龍江 哈爾濱 150040)

目前可持續發展不僅是當代世界性課題，更是我國這樣的大國面臨的特殊現實問題。為實現可持續發展，同時對建材的綠色環保要求也越來越高，在這種背景下建筑用紙面稻草板被重新開發利用，冷彎薄壁型鋼組合結構也被廣泛應用，鋼—稻草板組合墻體結合了兩種性能優異的材料，并取其優點進行組合利用，具有自重輕、形式靈活、承載力高、可工業化生產、外形美觀、施工污染小、可回收再利用等優點[1-5]。墻體開洞是在房屋設計建設中不可避免的，墻體開洞對組合墻體的穩定承載力以及整體性有顯著影響，研究不同墻體開洞情況對鋼—稻草板組合墻體的影響有重要意義。因此本文通過ABAQUS分析軟件進行建模，研究在軸心受壓作用下，墻體開洞率、洞口設置過梁情況下開窗洞開門洞以及開洞高度對鋼—稻草板組合墻體穩定承載力的影響，為其在實際工程中的應用提供理論基礎。

1 有限元建模

冷彎薄壁C型鋼—稻草板組合墻體，由冷彎薄壁C型鋼與稻草板通過自攻螺釘連接組裝而成，C型鋼截面尺寸為80 mm×40 mm×15 mm×2 mm，稻草板的厚度為58 mm。

1.1 試件設計

利用有限元ABAQUS對不同開洞情況的組合墻體進行模擬分析，研究其對墻體穩定承載力的影響，組合墻體厚t=196 mm，具體參數見表1。

1.2 材料參數

本試驗稻草板及冷彎薄壁C型鋼的材料屬性是根據相關材性試驗數據所得到的，如表2所示。

1.3 有限元模型

創建稻草板及冷彎薄壁C型鋼的三維部件，并為其創建截面屬性，選擇均質實體，賦予所繪制部件材料屬性。將各部件進行組裝，為組合墻體選取C3D8R(八節點線性六面體單元)單元，并為其劃分網格，如圖1所示。模型頂端設置參考點RP-1，耦合參有限元試驗結果見表3。

考點與墻體上表面加載區域的Z方向自由度，使其與參考點有相同的Z方向位移，以模擬千斤頂豎向加載。約束參考點及上表面除Z方向外其他方向的自由度(U1，U2)；約束墻體下端的所有方向自由度，有限元模型采用力加載進行控制，每級加載10 kN。

表1 組合墻體尺寸參數

表2 材料參數

2 計算結果及分析

表3 組合墻體不同開洞情況穩定承載力

2.1 小開洞率無過梁洞口對墻體影響

依據WY-1～WY-5試件結果數據分析小開洞率且無過梁構造洞口對鋼—稻草板組合墻體穩定承載力的影響，荷載—位移對比曲線如圖2所示。由表3和圖2分析可知，墻體的極限荷載力會隨墻體洞口面積的增加而呈現整體降低的趨勢，對于以上組合墻體洞口面積的變化幅度為0 m2～0.16 m2(墻體總面積為3.36 m2)，最大荷載對應的變化幅度為155 kN～105 kN。當開洞率為0.67%和1.19%時，對應的極限荷載比無開洞墻體降低了5.8%和9.6%，產生這種現象的原因可能是由于墻體開洞面積較小，對面板的整體穩定性產生影響較小，當開洞率增加到4.76%時，組合墻體的承載力降低了32.3%，說明當開洞率增加到一定限度后會對組合墻體的整體承載能力以及穩定性產生較大影響。

2.2 大開洞率有過梁窗洞對墻體影響

依據WY-6～WY-9試件試驗結果數據分析開洞率對鋼—稻草板組合墻體承載力的影響。達到極限承載力時應力分布如圖3所示，荷載—位移曲線如圖4所示。

增加開洞率，并且在洞口的上下邊增設橫梁。開洞率為9.5%,14.8%,21.4%的墻體較未開洞墻體承載力分別降低了12.7%,25.4%,43.6%。因此可以認為墻體開洞對鋼—稻草板組合墻體的墻面板有削弱作用，開洞率不宜大于15%。試件WY-5洞口上下邊無橫梁開洞率僅為4.76%時，承載力降低了32.3%，而開洞率為14.8%的試件WY-8開洞率是前者的3倍，而承載力只降低了25.4%。這是由于洞口設置過梁這種構造措施提高結構強度及整體穩定性與洞口對面板的削弱程度相抵消，利于增加墻體構件的穩定性。

2.3 大開洞率有過梁門洞及開洞高度對墻體影響

在門洞上下均設置過梁，分析開洞位置及開洞高度對鋼—稻草板組合墻體承載力的影響，荷載位移曲線如圖5所示。

通過分析可知，墻體WY-10較墻體WY-7的穩定承載力值差異僅4.2%，因此可認為鋼—稻草板組合墻體開相同尺寸孔洞時，開洞位置對組合墻體承載力沒有顯著影響。墻體WY-11及WY-12較WY-10的承載力降幅分別為19.6%和41.3%，將墻體WY-12與試驗墻體WY-9相比保持開洞率不變，減小開洞寬度的同時，增加開洞高度，WY-12的穩定承載力降幅12.9%。

3 結語

1)在不設置過梁構造時，開洞率增加到4.76%時，組合墻體的承載力降幅達到了32.3%，說明當開洞率增加到一定限度后會對組合墻體的整體承載能力以及穩定性產生較大影響。

2)洞口設置過梁這種構造措施提高結構強度及整體穩定性與洞口對面板的削弱程度相抵消，所以在組合墻體的門窗洞口處設置過梁和洞口邊立柱利于增加墻體構件的穩定性。

3)在設置過梁構造后，開洞位置對墻體承載力無顯著影響，在改變開洞高度后，組合墻體承載力降幅明顯，因此可認為開洞高度對鋼—稻草板組合墻體的承載力及穩定性有顯著影響。

參考文獻:

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