水平運輸下預制混凝土夾心板受力性能研究

馬兵輝， 湯婷婷， 黃俊旗

(1.安徽同濟建設集團有限責任公司，安徽 合肥 230000； 2.合肥科技職業學院 建筑工程系，安徽 合肥 231201； 3.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

預制混凝土夾心板主要由兩側鋼筋混凝土葉板、核心保溫板以及連接內外葉板的拉結件構成[1]。目前國內多用作裝配式混凝土外掛墻板與承重墻板[2]，國外亦有用作建筑頂部屋面板[3-4]。相比普通鋼筋混凝土實心板，預制混凝土夾心板由于其核心保溫板的存在使得其有較強的隔熱保溫性能，因此近來年在工程實際中較多獲得關注。在預制混凝土夾心板的部件中，拉結件為其內外葉板傳遞剪力的關鍵部件，由于其拉結件的剪力傳遞能力的差異，預制混凝土夾心板可以分為三種形式：非組合(拉結件剪力傳遞能力較低，內外葉板獨立工作)、完全組合(拉結件剪力傳遞能力較高，內外葉板可共同工作，墻板截面符合平截面假定)、部分組合(介于非組合與完全組合之間)[1]。在最初的設計中，常以混凝土肋以及桁架鋼筋作為拉結件，由于鋼筋與混凝土有較大的剪力傳遞能力，所形成的預制混凝土夾心板可達到完全組合，但由于鋼材與混凝土有較高的導熱性能，該類墻板常會產生熱橋效應從而降低墻板的整體隔熱保溫性能[5-6]。為解決熱橋效應所帶來的負面影響，后期人們常用導熱性能較低但強度較高的纖維增強樹脂(FRP)材料進行拉結件的制作[7-10]。目前常見的FRP拉結件主要包含：棒狀FRP拉結件、板式FRP拉結件、桁架式FRP拉結件以及網格FRP拉結件。其中，棒狀以及板式FRP拉結件由于其施工方便因此在實際工程中有一定應用。但上述采用FRP拉結件的預制混凝土夾心板組合程度較低，且多為非組合型以及部分組合型。目前較多的研究主要集中于采用不同種FRP拉結件的預制混凝土夾心板組合性能的研究工作。

預制混凝土夾心板在構件運輸過程中，一般有立式運輸與水平運輸方式，當該類板件作為墻板時多采用立式運輸，作為樓板時多采用水平運輸。值得一提的是，國外即便其作為外墻板，運輸時亦多采用水平運輸方式[1]。然而，目前對于預制混凝土夾心板水平運輸時的受力性能研究仍然較少。因此，本文基于通用有限元軟件ABAQUS建立預制混凝土夾心板的有限元模型，首先針對模型的網格敏感性開展了研究，在采用合適的網格尺寸基礎上，研究了底部支座位置對于非組合型以及部分組合型預制混凝土夾心板運輸時受力性能的影響，可為該類構件的工程應用提供借鑒。

1 有限元模型的建立

1.1 預制混凝土夾心板設計

所研究的預制混凝土夾心板模型參考文獻[3]、[10]以及[11]，其長度、寬度與厚度分別為3 000 mm、1 000 mm與200 mm。內外葉板厚度為75 mm，保溫板厚度為50 mm。拉結件間距設置為600 mm。混凝土強度假設為C30。配筋假設為直徑10 mm的HRB400鋼筋且間距為200 mm。

考慮到目前實際工程中預制混凝土夾心板多為非組合型與部分組合型，本文主要針對這兩類板件開展研究。對于非組合型板，有限元模型拉結件采用目前工程中廣泛應用的棒狀玻璃纖維增強樹脂(GFRP)拉結件，該拉結件如圖1所示，拉結件主要由棒狀擠拉成型的GFRP型材組成，截面高寬分別為5.5 mm與10 mm，兩端含長度為36 mm的燕尾槽，旨在增強拉結件在混凝土中的錨固性能，其剪力傳遞能力極小，基于文獻[10]可知，單個拉結件抗剪剛度約為400 N/mm。對于部分組合型板，有限元模型拉結件采用板式GFRP拉結件(圖1)，該拉結件截面高寬分別為40 mm與4 mm，兩端錨固長度為50 mm。其具備一定的剪力傳遞能力，基于文獻[11]可知，單個拉結件抗剪剛度約可達到3 000 N/mm。

圖1 有限元模型

1.2 單元選擇與邊界條件

利用通用有限元軟件ABAQUS，對所述預制混凝土夾心板建立二維有限元模型。采用了ABAQUS單元庫中的平面應力單元(CPS4R)模擬混凝土內外葉板、核心保溫板以及底部墊塊。采用了二維桁架單元(T2D2)模擬鋼筋，拉結件則采用彈簧單元進行模擬。典型有限元模型如圖1所示。其中，鋼筋與混凝土之間采用綁定約束(Tie)，即不考慮上述組件的相對滑移。保溫板與混凝土的接觸面設置為“面-面接觸”(surface-to-surface contact)，其中，法向接觸設定為硬接觸(hard contact)，切向設置為罰函數形式，摩擦系數假設為0.1。在加載分析過程中，左部墊塊底部約束平動自由度，右部墊塊底部約束豎向平動自由度。荷載取值為墻板自重，采用力控制方法進行逐級加載。

1.3 材料定義

2 數值模擬研究結果

2.1 數值模擬工況介紹

本文數值模擬主要分為三個階段，首先基于上述采用棒狀GFRP拉結件的基本模型，采用不同網格尺寸進行自重下的受力性能分析，對比分析結果以選取優化網格尺寸。在采用優化的網格尺寸基礎上，通過改變支座距離進行采用棒狀GFRP拉結件的非組合板自重下的受力性能分析，對比不同支座距離下預制混凝土夾心板的變形形式以及應力變化。在此基礎上改變支座距離進行采用板式GFRP拉結件的部分組合板自重下的受力性能分析。基于此得出非組合板以及部分組合板水平運輸時支座最合適的布置形式。所研究的網格尺寸包含10 mm、15 mm、20 mm、25 mm以及30 mm。底部支座距離包含2 950 mm、2 650 mm、2 350 mm、2 050 mm、1 750 mm、1 450 mm、1 150 mm、850 mm和550 mm。拉結件包含棒狀GFRP拉結件與板式GFRP拉結件。因此，共包含22種設計工況。所分析的模型見表1。表1中，所分析的設計工況模型命名為“A-B-C”，其中，字母“A”代表拉結件種類，以S和P分別代表棒狀與板式GFRP拉結件，字母“B”代表網格尺寸，字母“C”代表支座間距，如“S-10-2950”即表示拉結件為棒狀GFRP拉結件，網格尺寸為10 mm，支座距離為2 950 mm。

表1 所分析的有限元模型

續表

2.2 網格敏感性分析

首先針對采用棒狀GFRP拉結件的非組合型預制混凝土夾心板模型在簡支條件下僅考慮自重時，網格尺寸大小對于分析結果的影響進行了參數敏感性分析。分析結束后，提取每種網格尺寸下模型的最大變形值以及最大第一主應力數值，見表1，并繪制相應關系曲線如圖2(a)與圖2(b)所示。從圖中可以看出，在網格尺寸位于10～25 mm時，隨著網格尺寸的增大，模型最大變形的增長以及最大應力有的下降并不明顯，當網格尺寸為30 mm時，模型最大變形顯著增長25%，最大應力顯著下降16%，即分析結果逐漸發散。需要指出的是，網格越小，計算結果準確性越高，但計算所需時間越長。在綜合考慮計算時間以及計算結果準確性的基礎上，后續分析計算所選擇的網格尺寸為20 mm。該網格尺寸下模型應力云圖如圖2(c)所示。

圖2 網格敏感性分析結果

2.3 非組合板支座距離分析

在網格尺寸為20 mm的基礎上，變換支座距離，針對采用棒狀GFRP拉結件的非組合型預制混凝土夾心板模型在自重下的受力性能進行分析。分析結束后提取每種支座距離下模型的最大變形與最大應力數值，見表1，并繪制相應關系曲線如圖3(a)與圖3(b)所示。從圖中可以看出，隨著支座逐漸從端部向跨中移動，最大變形和最大應力均呈現先減小后增大的趨勢。需要指出的是，當支座位于兩端時，模型最大變形與應力位于模型底部跨中部位，此時最大應力可高達1.8 MPa，已經接近規范中所規定C30抗拉強度(2.01 MPa)，因此，在養護時間不足時采用此種支座距離運輸則試件易開裂。當支座距離減小至1 750 mm時(即0.6倍板長)，模型最大應力位置已轉換至支座處下葉板的上表面(0.475 MPa)，撓度最大部位也由模型跨中轉向兩端(0.1681 mm)，此時撓度與應力均為最小值，即為最優支座布置形式，如圖3(c)所示。

圖3 非組合板支座距離分析結果

2.4 部分組合板支座距離分析

在網格尺寸為20 mm的基礎上，通過變換支座距離，針對采用板式GFRP拉結件的部分組合型預制混凝土夾心板模型在自重下的受力性能進行分析。分析結束后提取相應數值見表1，并繪制相應關系曲線如圖4(a)與圖4(b)所示。從圖中可以看出，和非組合板分析結果類似，隨著支座逐漸從端部向跨中移動，模型的最大變形與應力均呈現先減小后增大的趨勢。此外，在支座位于兩端時，模型最大變形與應力位置處于模型底部跨中部位，此時最大應力也為1.8 MPa，接近混凝土抗拉強度。當支座距離減小至1 750 mm時，模型最大應力位置也轉換至支座處下葉板的上表面(0.476 MPa)，撓度最大部位也由模型跨中轉向兩端(0.134 mm)，此時撓度與應力也均為最小值，即為最優支座布置形式，如圖4(c)所示。

圖4 部分組合板支座距離分析結果

通過對比非組合板與部分組合板分析結果可知，兩者應力與變形數值基本相同。且其支座最優布置形式也基本相同，這主要是因為運輸過程中荷載為構件自重荷載，數值較小，試件基本保持為彈性狀態，此時預制混凝土夾心板變形以及應力大小主要受剛度組合度的控制，而非承載力組合度；同時，目前工程中所用的采用FRP拉結件的預制混凝土夾心板剛度組合度均較低，即使形成部分組合板也只是其承載力有較明顯的提升，其剛度基本接近于非組合狀態，這使得在自重荷載下，部分組合板的變形與應力數值大小與非組合板基本相同。

3 結 論

本文基于有限元軟件ABAQUS，對典型預制混凝土夾心板建立二維有限元模型。首先針對其網格敏感性進行了分析，在優化網格的基礎上，針對水平運輸時支座的距離對板件受力情況進行了相應分析，所得主要結論如下：

(1) 隨著網格尺寸的增大，模型變形逐漸減小，應力逐漸增大，在綜合考慮計算效率與結果準確性的基礎上，建議網格尺寸為20 mm。

(2) 隨著支座距離的減少，模型最大撓度位置逐漸從跨中轉為端部，最大第一主應力位置由跨中底部轉為支座處下葉板上表面。

(3) 基于本文參數分析，水平運輸時板件變形與應力最小的支座布置方式為支座間距1 750 mm(即0.6倍板長)對稱布置的形式。

(4) 基本本文參數分析，水平運輸情況下由于荷載較小，預制混凝土夾心板受力性能主要由其剛度組合度進行控制，而目前部分組合與非組合板剛度組合度均較小，使得此兩類板受力性能基本相同。