輕鋼模網(wǎng)改性聚苯顆粒混凝土墻受壓性能研究

楊偉軍，羅瑞峰

(長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114)

隨著中國建筑工業(yè)規(guī)模的不斷擴大，建筑產(chǎn)業(yè)也需要轉(zhuǎn)型升級。工業(yè)化建筑具有節(jié)材、節(jié)能、高品質(zhì)和省工等優(yōu)點，因此，建筑技術(shù)工業(yè)化是建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級的突破口。《建筑業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》確定了建筑業(yè)綠色發(fā)展的目標。在3 年內(nèi)，實現(xiàn)在新建建筑中，綠色建材使用比例達到40%。傳統(tǒng)建筑材料有70%用于墻體[1]，因此，發(fā)展新型節(jié)能墻體是實現(xiàn)建筑業(yè)綠色發(fā)展的重要途徑，提出了輕鋼模網(wǎng)改性聚苯顆粒混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)。輕鋼模網(wǎng)改性聚苯顆粒混凝土結(jié)構(gòu)是以薄壁輕鋼、鋼板網(wǎng)和改性聚苯顆粒混凝土作為主要材料，以快速搭建的輕鋼構(gòu)架為依托，鋼板網(wǎng)作為免拆模板，是將輕鋼預制裝配和改性聚苯顆粒混凝土現(xiàn)澆相結(jié)合的新型結(jié)構(gòu)體系[2]，如圖1 所示。

目前，國內(nèi)正在推廣應用的工業(yè)化結(jié)構(gòu)體系有：預制混凝土裝配結(jié)構(gòu)體系、輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系、鋼網(wǎng)構(gòu)架混凝土復合建筑體系及輕鋼構(gòu)架混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系等。新型墻體材料應用較為廣泛的有：石膏砌塊、輕質(zhì)水泥隔墻、泡沫混凝土及聚苯顆粒混凝土等。馮鵬[3]等人針對鋼網(wǎng)構(gòu)架混凝土復合墻體，進行了受剪性能試驗研究。梅松奇[4]等人針對石灰粉對混凝土的改性性能，進行了試驗研究。封葉[5]等人針對一種由聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene，簡稱為EPS)顆粒復合而成的節(jié)能墻板，進行了力學與熱工性能研究。王懷遠[6]針對泡沫混凝土復合墻板，進行了低周往復荷載試驗研究。杜運興[7]等人利用有限元，進行了擋土墻的靜力性能研究。崔成臣[8]針對輕鋼EPS 混凝土剪力墻，進行了模擬靜力試驗研究。李貝娜[9]針對薄壁型鋼-粉煤灰陶粒混凝土復合墻板，進行了軸壓力學性能試驗，并運用ABAQUS 有限元軟件，進行了模擬。但對輕鋼模網(wǎng)改性聚苯顆粒混凝土結(jié)構(gòu)體系的研究較少。因此，作者擬基于ABAQUS 有限元，擬建立輕鋼模網(wǎng)改性聚苯顆粒混凝土復合墻體的數(shù)值模型。研究復合墻體在軸壓荷載作用下的受力狀態(tài)和破壞模式，以及不同開孔率的輕鋼對復合墻體的影響，為工程應用和室內(nèi)試驗提供參考。

圖1 輕鋼模網(wǎng)改性聚苯顆粒混凝土復合墻體Fig. 1 Compositewall of lightweight steel dienet and modified expanded polystyrene granule concrete

1 數(shù)值模型建立

1.1 數(shù)值模型概況

輕鋼模網(wǎng)改性聚苯顆粒混凝土復合墻體數(shù)值模型的截面尺寸為140 mm×600 mm，墻體高度為1 200 mm，混凝土強度為3.5 MPa。W1 為布置鋼板網(wǎng)構(gòu)件的復合墻體，W2 為未布置鋼板網(wǎng)構(gòu)件的復合墻體。

1.2 單元類型

1) 輕鋼單元

為反映實際情況，采用開孔的冷彎薄壁輕鋼。輕鋼采用四節(jié)點減縮積分殼單元S4R 模擬。

2) 改性聚苯顆粒混凝土單元

采用C3D8R 單元，并進行線性減縮積分。

3) 鋼板網(wǎng)

采用兩節(jié)點線性三維桁架單元T3D2 進行模擬。在同一部件中，創(chuàng)建“X”狀鋼板網(wǎng)，會形成大量節(jié)點，增加不必要的計算量。采用鋼絲分別在斜向左下和斜向右下布置的2 個鋼板網(wǎng)，分別內(nèi)置到混凝土中，形成“X”狀鋼板網(wǎng)部件，減少節(jié)點，以達到優(yōu)化模型的效果。

1.3 復合墻體材料屬性

1) 輕鋼

采用等向彈塑性模型進行模擬。輕鋼的強度fy為350 MPa，彈性模量E為206 000 MPa，泊松比為0.3。

2) 改性聚苯顆粒混凝土

采用混凝土塑性損傷模型及清華大學崔成臣[8]提出的分段式EPS 混凝土應力-應變?nèi)€方程。改性聚苯顆粒混凝土抗壓強度fc為3.5 MPa，彈性模量E為3 000 MPa，泊松比為0.2。

3) 鋼板網(wǎng)

采用彈塑性模型，鋼板網(wǎng)強度值fy為235 MPa，彈性模量E為206 000 MPa，泊松比為0.3。

1.4 接觸與邊界條件模擬

輕鋼和鋼板網(wǎng)采用“Embeded”的方式，嵌入到改性聚苯顆粒混凝土內(nèi)部。復合墻體數(shù)值模型底部采用固端約束，墻體上部采用“Coupling”的方式作用于一點，通過對耦合點施加8 mm 位移荷載，進行豎向傳力。

1.5 網(wǎng)格劃分

輕鋼按40 mm、改性聚苯顆粒混凝土按50 mm及鋼板網(wǎng)按100 mm 的尺寸進行劃分，如圖2 所示。

圖2 輕鋼、混凝土網(wǎng)格劃分Fig. 2 Grid division of lightweight steel and concrete

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 荷載-位移曲線分析

圖3 復合墻體荷載?位移曲線Fig. 3 Load displacement curve of composite wall

復合墻體荷載-位移曲線如圖3 所示。從圖3中可以看出，曲線有上升段、下降段和平穩(wěn)段，符合墻體受壓時的變化特點。W1 極限承載力為592.23 kN，W2 極限承載力為559.27 kN，W1 較W2 的極限承載力提升了6%。因為在受力狀態(tài)下，鋼板網(wǎng)依靠自身強度，對輕鋼和改性聚苯顆粒混凝土起到約束作用，使復合墻體達到三向受壓狀態(tài)，從而提高了抗壓極限承載力。

2.2 數(shù)值模型云圖分析

2.2.1 輕鋼應力云圖分析

輕鋼隨著荷載的增加，逐漸參與受力，其孔洞邊緣應力較小，如圖4(a)所示。在達到極限荷載的過程中，輕鋼孔洞左、右邊緣最先達到屈服強度，腹板未開孔部分和側(cè)翼繼而達到，如圖4(b)所示。達到極限荷載時，除輕鋼孔洞上、下邊緣外，其余部分均達到屈服強度，輕鋼整體受力均勻，抗壓性能得到了充分發(fā)揮，如圖4(c)所示。

2.2.2 輕鋼塑性應變云圖分析

圖4 輕鋼應力云Fig. 4 Stress nephogram of lightweight steel

復合墻體在極限荷載作用下，輕鋼均產(chǎn)生塑性變形，中間輕鋼的中部產(chǎn)生的塑性變形最大，如圖5(a)所示。復合墻體豎向產(chǎn)生8 mm 位移時，由于輕鋼未對稱布置，因此，輕鋼產(chǎn)生不對稱塑性變形，如圖5(b)所示。從圖5(b)中可以看出，左側(cè)輕鋼中上部向外凸起，右側(cè)輕鋼中下部向外凸起，中間輕鋼的中部向左側(cè)凸起，整體發(fā)生崎曲變形。

2.2.3 改性聚苯顆粒混凝土應力云圖分析

當施加荷載作用時，復合墻體整體受力均勻，如圖6(a)所示。復合墻體隨著荷載逐漸增加，在輕鋼之間部分混凝土受到擠壓，比輕鋼接觸的混凝土產(chǎn)生的應力大，如圖6(b)所示。當達到極限荷載時，輕鋼之間的混凝土，達到抗壓強度，混凝土應力值向四角逐漸遞減，呈X 狀分布，與框架填充墻受壓狀態(tài)下的應力分布類似，如圖6(c)所示。

圖5 輕鋼塑性應變云圖Fig. 5 Plastic strain nephogram of lightweight steel

圖6 混凝土應力云圖Fig. 6 Stress nephogram of concrete

2.2.4 改性聚苯顆粒混凝土塑性應變云圖分析

荷載達到極限荷載的40%時，混凝土與輕鋼接觸處，首先出現(xiàn)塑性應變，如圖7(a)所示。當荷載達到極限荷載的90%時，混凝土兩側(cè)的上、下邊緣部分和復合墻體的中間部位，產(chǎn)生較大應變，如圖7(b)所示。當荷載達到極限荷載時，混凝土應變呈X 狀分布，主要集中在復合墻體的中間部分，應變值從中間向復合墻板四角逐漸降低，如圖7(c)所示。復合墻體豎向產(chǎn)生8 mm 位移時，混凝土產(chǎn)生的塑性應變，分布于復合墻體左上至右下的斜線范圍內(nèi)，左側(cè)上部和右側(cè)下部向外凸出，整體發(fā)生崎曲變形，如圖7(d)所示。

2.2.5 鋼板網(wǎng)應力云圖分析

當施加荷載作用時，鋼板網(wǎng)產(chǎn)生的應力，呈斜向分布。鋼板網(wǎng)隨著荷載的增加，應力增長較為均勻，如圖8(a)所示。當荷載達到極限荷載時，鋼板網(wǎng)產(chǎn)生較大應力，但未達到屈服強度。左、右兩側(cè)的鋼板網(wǎng)，與輕鋼接觸的孔洞邊緣的應力集中，前、后兩側(cè)的鋼板網(wǎng)應力呈X 狀分布，如圖8(b)所示。復合墻體豎向產(chǎn)生8 mm 位移時，鋼板網(wǎng)的前、后兩面、左側(cè)上部及右側(cè)下部，均達到屈服強度，如圖8(c)所示。

圖7 混凝土塑性應變云圖Fig. 7 Plastic strain nephogram of concrete

圖8 鋼板網(wǎng)應力云圖Fig. 8 Stress nephogram of steel die net

2.2.6 鋼板網(wǎng)塑性應變云圖分析

復合墻體達到極限荷載時，未產(chǎn)生大幅度塑性變形，如圖9(a)所示。復合墻體豎向產(chǎn)生8 mm 位移時，鋼板網(wǎng)上、下兩端未產(chǎn)生較大塑性應變，鋼板網(wǎng)左側(cè)上部和右側(cè)下部，向外凸起，產(chǎn)生較為明顯的崎曲變形，鋼板網(wǎng)整體的塑性應變，沿左上至右下斜線分布，如圖9(b)所示。

2.2.7 復合墻體應力分量云圖分析

復合墻體各部件初始荷載階段應力分量如圖10 所示。圖10(a)為改性聚苯顆粒混凝土豎向應力；圖10(b)為腹板豎向應力和翼緣板水平應力；圖10(c)為翼緣板豎向應力和腹板水平應力。在荷載初始階段，改性聚苯顆粒混凝土整體受壓均勻。輕鋼腹板、翼緣板的豎向壓應力相差不大，水平方向均為拉應力且數(shù)值近似。輕鋼與改性聚苯顆粒混凝土在初始階段，同時進入工作狀態(tài)，參與復合墻體受力。

圖9 鋼板網(wǎng)塑性應變云圖Fig. 9 Plastic strain nephogram of steel die net

圖10 應力分量云圖(26 kN)Fig. 10 Stress component nephogram (26 kN)

復合墻體各部件加載階段的應力分量如圖11所示。改性聚苯顆粒混凝土的豎向應力，出現(xiàn)明顯變化。在輕鋼處的壓應力較小，輕鋼之間部位的壓應力較大。輕鋼在該階段，分擔了改性聚苯顆粒混凝土的部分壓應力。輕鋼腹板、翼緣板的豎向應力大幅度增加，且翼緣板壓應力明顯高于腹板的。腹板、翼緣板的水平拉應力增加，數(shù)值相差不大。

復合墻體各部件極限荷載階段應力分量如圖12 所示。改性聚苯顆粒混凝土整體達到屈服應力。輕鋼腹板、翼緣板的豎向應力達到屈服應力。腹板、翼緣板的水平拉應力增加，且腹板的水平拉應力明顯高于翼緣板拉應力，這是由于腹板開孔所導致的。在接近極限荷載階段，改性聚苯顆粒達到屈服強度，此時豎向應力主要由輕鋼承擔。

圖11 應力分量云圖(233 kN)Fig. 11 Stress component nephogram(233 kN)

圖12 應力分量云圖(極限荷載)Fig. 12 Stress component nephogram (ultimate load)

3 不同開孔率對受壓性能的影響

輕鋼做開孔處理的優(yōu)點：①澆筑改性聚苯顆粒混凝土時，因為開孔，所以混凝土能夠在輕鋼之間自由流動，使墻體達到較好的密實效果。②開孔能節(jié)省材料，降低成本。不同開孔率的輕鋼對復合墻體受壓性能有不同的影響。本試驗采用6 種不同開孔率的輕鋼進行數(shù)值模擬，具體尺寸見表1。

3.1 復合墻體承載力分析

復合墻體數(shù)值模擬的極限承載力及承載力下降百分值見表2。WA-2～WA-6 相較WA-1 的極限承載力均有下降。表明：使用開孔輕鋼，會降低復合墻體的極限承載力，且隨開孔率的增加，復合墻體的極限承載力逐漸下降。

表1 改變輕鋼開孔率數(shù)值模型參數(shù)表Table 1 Parameter table of numerical model for changing the opening rate of lightweight steel

表2 數(shù)值模型承載力對比表Table 2 Comparison of bearing capacity of numerical model

復合墻體輕鋼開孔率-極限荷載曲線如圖13 所示。從表3 和圖13 可以看出，開孔率在24%～37.6%時，復合墻體極限承載力變化較小。開孔率的增加與承載力的下降值并非是簡單的線性關系。開孔率在其他范圍內(nèi)增加，復合墻體的極限承載力，會出現(xiàn)較為明顯的下降。

表3 數(shù)值模型對比分析表Table 3 Comparative analysis of numerical models

圖13 復合墻體輕鋼開孔率-極限荷載曲線Fig. 13 Curve of light steel opening rate ultimate load of composite wall

考慮到開孔率對復合墻體極限承載力的影響。復合墻體澆筑改性聚苯顆粒混凝土時，受混凝土的流動性及工程造價等多方面影響。所以，建議采用輕鋼模網(wǎng)改性聚苯顆粒混凝土結(jié)構(gòu)，選用開孔率約為30%的輕鋼作為豎向受力承重構(gòu)件。

3.2 復合墻體荷載-位移曲線分析

圖14 不同開孔率輕鋼復合墻體的荷載-位移曲線Fig. 14 Load displacement curve of lightweight steel composite wall with different opening rate

6 種復合墻體數(shù)值模擬的荷載-位移曲線如圖14 所示。從圖14 可以看出，WA-2～WA-26 較WA-1的墻體，剛度均有下降。因為使用開孔輕鋼，所以會降低復合墻體的剛度。并隨開孔率的增加，復合墻體的剛度下降更為明顯。當WA-1～WA-26 達到極限荷載時，位移均在3 mm。表明：復合墻體在極限荷載作用下，開孔輕鋼及開孔率大小對產(chǎn)生的豎向位移影響較小。

4 結(jié)論

基于ABAQUS 有限元，建立了復合墻體的數(shù)值模型，研究了復合墻體在軸壓荷載作用下的受力狀態(tài)和破壞模式，并探究了不同開孔率的輕鋼對復合墻體的影響，得到結(jié)論為：

1) 在輕鋼模網(wǎng)改性聚苯顆粒混凝土復合墻體中，鋼板網(wǎng)復合墻體是一種極具潛力的新型結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其承載力提升了6%。

2) 輕鋼、鋼板網(wǎng)及改性聚苯顆粒混凝土三者能較好的協(xié)同工作，復合墻體的破壞形態(tài)與框架填充墻類似。

3) 建議輕鋼模網(wǎng)改性聚苯顆粒混凝土結(jié)構(gòu)，宜選用開孔率約為30%的輕鋼作為豎向受力承重構(gòu)件。