單側(cè)蒙皮鋼板與ALC組合樓板承載力的有限元分析

于正義, 蘇天成

(1.杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 浙江杭州 311402; 2.大立建設(shè)集團(tuán)有限公司, 浙江杭州 311200)

ALC板(蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板)是以水泥、石灰、硅砂為主要原材料,以鋁粉為發(fā)氣劑,由良好粘結(jié)力的防銹液處理的鋼筋網(wǎng)增強(qiáng),再經(jīng)高溫高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)而成的多孔混凝土板材。該板材干密度為500 kg/m3左右,約為普通混凝土的1/5,自重較小,在施工中可減輕作業(yè)強(qiáng)度。同時(shí),ALC板材通常采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),工廠化生產(chǎn),在實(shí)際施工中濕作業(yè)程度低,可顯著縮短工程建設(shè)周期。此外,它還具有良好的保溫隔熱、吸聲降噪的性能。冷彎薄壁型鋼指用鋼板或帶鋼在冷狀態(tài)下彎曲成Z型、C型等各種斷面形狀,常用的厚度為0.42～6 mm,其具有自重輕、抗拉強(qiáng)度較高、寬厚比大、受壓易屈曲的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于冷彎薄壁型鋼與普通混凝土或輕骨料混凝土組合板件的研究比較多。高啟杰等[1]人通過冷彎薄壁型鋼組合樓蓋抗剪性能試驗(yàn),并借助有限元數(shù)值模擬分析對(duì)比,認(rèn)為抗剪件在一定程度上可以提高組合樓蓋的抗剪承力。黃永超等[2]人對(duì)冷彎薄壁型鋼與ALC板在組合梁、組合板、組合柱的組合形式方面做了研究,提出了采用U型鋼板加自攻螺絲的構(gòu)件組合方式。郭培蕾[3]在《對(duì)不同形式ALC墻板在裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)多層住宅體系中的研究》一文中,借助有限元軟件,采用改變ALC墻板厚度和截面形式來研究它們對(duì)多層農(nóng)房結(jié)構(gòu)體系的影響。

本文在冷彎薄壁型鋼與ALC板組合樓板的基礎(chǔ)上提出了受拉單側(cè)蒙皮鋼板與ALC板組合的截面形式,可充分利用ALC板的抗壓強(qiáng)度和鋼板的抗拉強(qiáng)度,具有良好的工作性能。并通過ABAQUS有限元分析軟件,對(duì)比分析了鋼板厚度、ALC板厚度、剪跨比對(duì)組合樓板的影響。

1 構(gòu)件構(gòu)造

單側(cè)蒙皮鋼板與ALC組合樓板的主要組成部件有:ALC板、鋼筋網(wǎng)片、冷彎薄鋼板、焊釘,具體橫截面見圖1。

圖1 組合構(gòu)件截面示意

根據(jù)GB/T 15762-2020《蒸壓加氣混凝土板》的相關(guān)規(guī)定:ALC板頂面需要設(shè)置直徑不小于φ5 mm的雙向抗裂構(gòu)造鋼筋,用以抵抗ALC材料溫縮或干縮帶來的不利影響;同時(shí),在ALC板底部設(shè)置直徑不小于φ5 mm的縱向受力鋼筋和橫向構(gòu)造鋼筋[4]。為使底部受拉側(cè)薄壁鋼板與ALC板材可靠連接,增強(qiáng)組合構(gòu)件的工作整體性,構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)采用縱向間距為300 mm的焊釘,焊釘與薄壁鋼板焊接并錨固在ALC板內(nèi)部。

2 有限元建模及結(jié)果分析

2.1 部件設(shè)計(jì)

本研究擬采用控制變量法的原則,對(duì)比分析ALC板厚度、蒙皮鋼板厚度及剪跨比對(duì)組合構(gòu)件承載力的影響。ALC板強(qiáng)度級(jí)別為A7.5,寬度統(tǒng)一取為600 mm,跨度均為3 600 mm,厚度分為150 mm、175 mm、125 mm。受拉單側(cè)蒙皮鋼板采用牌號(hào)為Q345的低合金鋼,寬度與ALC等寬,厚度有1.5 mm、1.8 mm、2.1 mm 3種形式。焊釘總長(zhǎng)度為100 mm,栓桿長(zhǎng)為90 mm,焊釘公稱直徑為10 mm,釘頭直徑為φ30 mm,焊釘縱向間距為300 mm,橫向間距為400 mm,且居中布置于蒙皮鋼板表面。上下層鋼筋網(wǎng)片相同,采用直徑φ6 mm的HPB300鋼筋,縱筋保護(hù)層厚度為20 mm,縱筋中心間距為190 mm;橫向起始鋼筋距端面20 mm處,除起始橫向鋼筋間距為100 mm外,其余橫向鋼筋間距均為420 mm。另外,為了防止加載形成的應(yīng)力集中,在ALC板加載點(diǎn)及組合板的兩端設(shè)置了剛性墊塊,墊塊寬度100 mm,厚度10 mm,長(zhǎng)度為600 mm,見圖2。各組合樓板的模型參數(shù)見表1。

表1 單側(cè)蒙皮鋼板與ALC組合樓板的模型參數(shù)

圖2 ALC組合板及剛性墊塊示意

2.2 構(gòu)件材料屬性

為簡(jiǎn)化起見,蒙皮鋼板、焊釘及鋼筋均采用雙折線本構(gòu)模型,且塑性變形的直線段斜率為0.01Es,Es為材料的彈性模量。參照丁發(fā)興等[5]對(duì)輕骨料混凝土單軸力學(xué)性能的研究成果,對(duì)ALC板采用單軸受力應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)€方程的本構(gòu)關(guān)系。

2.3 接觸作用設(shè)置

對(duì)于ALC板與蒙皮鋼板之間采用面與面摩擦接觸,即接觸面切向摩擦系數(shù)設(shè)為0.6,法向定義為硬接觸。焊釘、鋼筋與ALC板之間采用內(nèi)置區(qū)域約束,即把焊釘和鋼筋埋置與ALC內(nèi)部。剛性墊塊與ALC板、剛性墊塊與鋼板之間,焊釘?shù)酌媾c鋼板之間均采用綁定約束。

2.4 邊界條件及荷載設(shè)置

為避免應(yīng)力集中,在加載墊塊上設(shè)置參考點(diǎn),并將參考點(diǎn)與墊塊之間設(shè)置耦合約束,對(duì)參考點(diǎn)給予位移荷載,同時(shí)對(duì)兩端的鋼板墊塊設(shè)置簡(jiǎn)支約束,用以模擬簡(jiǎn)支樓板。

2.5 計(jì)算結(jié)果分析

2.5.1 蒙皮鋼板厚度對(duì)極限承載力的影響

蒙皮鋼板厚度對(duì)組合樓板荷載-跨中撓度影響的曲線如圖3所示。從圖3中可以看出,在加載位移小于1 mm時(shí),不同厚度鋼板的組合樓板均處于彈性工作階段,所需的外荷載值比較接近。以A-1板的加載過程為例,待其豎向撓度增至22 mm時(shí),組合板達(dá)到極限荷載,但蒙皮鋼板米澤斯應(yīng)力僅為177.5 MPa(圖4),未達(dá)到屈服應(yīng)力,受壓區(qū)ALC混凝土最大主壓應(yīng)力也未達(dá)到其極限抗壓強(qiáng)度,由此可分析得出組合板的破壞模式屬于蒙皮鋼板與ALC板之間的縱向剝離破壞。隨著鋼板厚度的增加,組合樓板的極限荷載略有提高。另外,當(dāng)鋼板厚度從1.5 mm增加到1.8 mm時(shí),組合樓板的跨中極限荷載從35.06 kN增加到38.02 kN,即提高了8.4%;當(dāng)鋼板厚度從1.8 mm增加到2.1 mm時(shí),組合樓板的極限荷載提高11.3%。

圖3 鋼板厚度對(duì)荷載-跨中撓度影響的曲線

圖4 蒙皮鋼板米澤斯應(yīng)力云圖

2.5.2 ALC板厚度對(duì)極限承載力的影響

為對(duì)比不同ALC板厚度對(duì)組合板的極限承載力的影響,分別對(duì)A-1、A-2、A-3組合板進(jìn)行了模擬分析計(jì)算,具體結(jié)果詳見圖5。

圖5 ALC板厚度對(duì)荷載-跨中撓度影響的曲線

2.5.2.1 ALC板厚度增至150 mm

從圖5中可以看出;當(dāng)ALC板厚度從125 mm增至150 mm時(shí),組合板的極限承載力從28.42 kN提升為35.06 kN,即極限承載力增加了23.4%。

2.5.2.2 ALC板厚度增至175 mm

當(dāng)ALC板厚度增加到175 mm時(shí),組合板的承載力降低至9.61 kN,相比150 mm厚的組合板,極限承載力減少了72.6%。

通過對(duì)計(jì)算過程的詳細(xì)分析,可知:

(1)當(dāng)ALC板厚度不超過150 mm即配筋率不低于0.13%時(shí),組合板的整體性較強(qiáng),隨ALC板厚度的增加,底部蒙皮鋼板的應(yīng)力有所降低,ALC混凝土受壓區(qū)高度減小,故而極限承載力有所提高。

(2)對(duì)于175 mm厚的組合板,由于其受拉區(qū)配筋率僅為0.11%,當(dāng)組合板豎向撓度僅為5 mm時(shí),受拉區(qū)鋼筋開始屈服(圖6),ALC板底部裂縫隨之快速向上和兩側(cè)發(fā)展,焊釘與ALC板之間的錨固效果逐漸喪失,引起鋼板中部與ALC板之間脫空,導(dǎo)致組合構(gòu)件的整體性削弱,故而相比150 mm厚的組合構(gòu)件,其極限承載力產(chǎn)生了顯著降低。

2.5.3 剪跨比對(duì)極限承載力的影響

圖7為不同剪跨比組合構(gòu)件的荷載-加載點(diǎn)撓度曲線,通過圖7可以得知,隨著剪跨比的減小,組合構(gòu)件的彈性承載力顯著增加。剪跨比從11.67降低到8.67時(shí),彈性承載力提高14.5%;剪跨比從8.67降低至5.67時(shí),彈性承載力提高52.7%。另外,圖7還反映出彈性階段,在同樣大小荷載作用下,隨著組合板剪跨比的減小,彈性位移隨之減小,即組合板的剛度在增加。進(jìn)入塑性階段后,剪跨比較大的組合板A-1破壞呈現(xiàn)較高的延性,而剪跨比較小的組合板C-2破壞呈現(xiàn)出明顯的脆性。

圖7 不同剪跨比構(gòu)件的荷載-加載點(diǎn)撓度變化曲線

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種單側(cè)蒙皮鋼板與ALC組合的樓板,并利用ABAQUS有限元軟件分別分析了ALC板厚度、蒙皮鋼板厚度及剪跨比對(duì)組合構(gòu)件承載力的影響。有限元分析結(jié)果表明。

(1)隨著蒙皮鋼板厚度的增加,組合樓板的極限荷載略有提高。

(2)隨著ALC板厚度的增加,組合樓板的承載力呈現(xiàn)先遞增后下降的趨勢(shì),不宜選用厚度較大的ALC板來提高承載力。

(3)剪跨比對(duì)組合板承載力的影響較為明顯,且隨著剪跨比降低,構(gòu)件彈性承載力提高,剛度增加,但塑性性能會(huì)下降。