輕鋼泡沫混凝土剪力墻在單向和往復荷載作用下的受力性能分析

陳飛

（陜西保利房地產開發有限公司，陜西西安 710000）

0 引言

在經濟持續以及高質量發展的促動下，目前高層建筑形態已經屢見不鮮，許多高樓拔地而起，在當今建筑中占據非常大的比重，基于這樣的現狀，新型的混凝土剪力墻結構得到運用，并取得不錯的成績。隨著應用比重逐漸增大，該新型結構的優越性越來越突出，和普通混凝土相比，這種泡沫混凝土應用價值更高，具有密度小等優勢，可以將其作為主要墻體材料，以此來減輕建筑的承重，另外，泡沫混凝土在隔熱、保溫方面，性能比較理想，還可以隔絕噪聲，其應用空間巨大，值得人們深入研究。

1 試件設計

為了進一步掌握泡沫混凝土的性能，對其荷載承受能力分析，需要借助有限元模擬來實現，想要得到最終科學的研究成果，首先第一步是要進行試件設計，這也是最為核心和關鍵的步驟。在此基礎上對輕鋼與泡沫混凝土進行對比分析，主要分析其抗剪性能以及結構本身的抗震性，得出泡沫混凝土在不同荷載作用下的真實抗震效果，與此同時，通過對比峰值位移情況和極限承載力，找到泡沫混凝土受力的整體規律。結合本次試驗需要，對試驗墻體尺寸進行了優化設計，具體墻體尺寸如圖1 所示。

2 有限元模型

2.1 模型建立

研究表明，想要科學分析泡沫混凝土結構的優越性，掌握相關的重要參數，有限元模型建立是最為有效的方法，實際建模階段，泡沫混凝土性能模型的建立需要參照以往本構關系來實現，在有限元模型基礎上，充分考慮輕鋼等的網格劃分，運用減縮積分算法，確保網格劃分相對均勻和精確，以此來提高計算的準確性和建模的科學性。通過這樣的設計，計算精確度會更高，最終得到較為可靠的研究數據。

圖1 墻體設計尺寸

2.2 材料屬性

本次研究中，材料屬性的明確也十分重要，為了獲得準確的模擬數據，需要掌握混凝土塑性損傷指標，逐步完善有限元模型，在本構關系的基礎上，通過混凝土塑性損傷模型的搭建來獲取重要參數，混凝土重要參數取值如表1 所示。

表1 混凝土塑性損傷參數

2.3 約束方式

在了解模型建立原理和掌握材料屬性的同時，還要明確相關的約束方式，以此來提升有限元模型的可靠性。結合現實情況，針對加載梁和地梁等重要構件，與墻體的接觸最好采用Tie 綁定方式，通過相關數據顯示，這樣的設計效果通常會比較理想，實際操作中，需要將輕鋼和橫鋼片合并為整體，共同應用到輕鋼骨架完整模型中，這是有限元建模的基本前提[1]。為了確保模擬的科學性與可靠性，在實際建模階段，應該將模型墻體充分固定，將墻體和地梁完全銜接并固定，在現實模擬階段，需要借助位移控制加載技術，對單向以及往復荷載情況全面、深入分析，最終獲得試驗數據。

3 有限元計算結果

3.1 加載方式

完成建模之后，接下來就是要對計算結果進行深入、全面的分析，關于加載方式的選擇，結合以往的經驗可知，模擬靜力往復加載屬于一種較為科學、有效的方法，可以利用有限元模擬完成接下來的分析計算，想要實現這一目標，通常情況下，需要采取2 個步驟來完成分析動作：①對墻體施加壓力（豎向的壓力），這是建模分析的第一步；②再針對此次試驗試件，加載水平位移，這是分析的第二步，與此同時，還要將分析步增量進行調節，將其最小步設置為0.00001，實際操作中，千萬不要忽視此項工作，這是研究工作的關鍵，通過這樣的設置，可以進一步保證計算科學、可靠，提高計算的準確性。需要強調的是，初始步驟需要借助Tie 方式完成與地梁的固定，以此作為前提條件，將加載梁與地梁緊密結合起來，兩種梁的結合，主要是要通過Tie 的方式來實現，再將其和墻體綁定[2]。除此之外，在水平位移加載期間，需要以加載梁為中心，建立相關參考點在其水平軸心處，采用Coupling 相關技術進行耦合，在對墻體施加壓力（豎向的壓力）的過程中，采用Pressure，確保可以達到豎向的加載，另外，針對水平方向加載，需要建立加載Amplitudes，以此來實現等幅加載，確保模型分析的順利進行，并在U1 方向（水平位移）輸入正確系數0.1，確保加載方式的正確性，最終完成水平方向加載。

3.2 模型對比

3.2.1 單向加載結果分析

結合輕鋼骨架單向受力云圖可知，試件結構中，輕鋼右下角處，可以看到明顯的荷載聚集，表明局部受力突出，雖然在受力之初開始屈服，但逐漸這種趨勢出現了新的變化，在適應后可以明顯看出下端左側應力變化趨勢較快，呈現出逐漸增大的特征，隨后開始屈曲變形。通過上述變化，可以推測出單向加載作用下，混凝土結構的受力情況，借助模擬模型可知結構受力的整體規律，如圖2 所示。

3.2.2 往復荷載結果分析

從圖2 中可以看到比較清晰的受力分布，結合輕鋼骨架往復加載受力云圖可知，型鋼的主要應力相對集中，主要分布在下半段。除此之外，借助云圖還可以看出軸心處的型鋼是受應力最大的區域，由中心蔓延至下端兩側，型鋼骨架整體都承受著較大的應力[3]。

4 案例分析

圖2 輕鋼骨架單向（左）與往復（右）加載受力

TCC 公寓共40 層，除了剪力墻之外，首3 層的外墻均采用了較為先進的泡沫混凝土。泡沫混凝土的相關參數如下：干密度為1400kg/m3；隔音量為STC=48dB。采用泡沫混凝土剪力墻的重要性主要體現在施工速度較快，和傳統工藝相比可以提速40%以上。另外，泡沫混凝土剪力墻結構相對穩定，具有理想的抗剪性，可以從根本上解決保溫、隔音等問題，同時兼具環保性，在能源緊張的今天，采用泡沫混凝土剪力墻，可以有效避免安全以及工業化生產等一系列問題，是新時期建筑節能的重要研究方向，應用前景十分廣闊。

5 結論

通過以上研究數據可以得出如下結論：①在單向荷載作用下，會出現不同程度的形態破壞，輕鋼泡沫混凝土為主的剪力墻結構會受到單向荷載的影響，發生局部彎曲破壞或者是出現大面積的斜拉破壞，剪力墻的應用性能會受到影響；②建筑結構抗震性是一項重要指標，在抗震性能分析過程中，可以發現輕鋼與斜撐存在較大不同，但是兩者都需要提前進入屈服階段，并且在這一階段中，混凝土破壞較快；③通過試驗數據可知，泡沫混凝土性能較為優越，在抗震與抗剪階段所出現的破壞形式基本上相同，并無明顯變化。其主要破壞形式如下：首先，下角塑性鉸區是應力承受最大的區域，因為應變最大，所以破壞也是先從這里開始，先是底部開裂，最終結果就是輕鋼外露，這種現象同普通混凝土并無明顯區別；④試件在抗剪階段，斜撐呈現出的屈服程度也存在較大區別，斜向拉條的作用等同于箍筋，效果十分顯著。