钢—稻草板组合墙体开洞轴压力学性能有限元分析★

2018-05-23张秀华李超然孟毅豪

山西建筑 2018年11期

张秀华李超然孟毅豪

(东北林业大学土木工程学院,黑龙江哈尔滨 150040)

目前可持续发展不仅是当代世界性课题，更是我国这样的大国面临的特殊现实问题。为实现可持续发展，同时对建材的绿色环保要求也越来越高，在这种背景下建筑用纸面稻草板被重新开发利用，冷弯薄壁型钢组合结构也被广泛应用，钢—稻草板组合墙体结合了两种性能优异的材料，并取其优点进行组合利用，具有自重轻、形式灵活、承载力高、可工业化生产、外形美观、施工污染小、可回收再利用等优点[1-5]。墙体开洞是在房屋设计建设中不可避免的，墙体开洞对组合墙体的稳定承载力以及整体性有显著影响，研究不同墙体开洞情况对钢—稻草板组合墙体的影响有重要意义。因此本文通过ABAQUS分析软件进行建模，研究在轴心受压作用下，墙体开洞率、洞口设置过梁情况下开窗洞开门洞以及开洞高度对钢—稻草板组合墙体稳定承载力的影响，为其在实际工程中的应用提供理论基础。

1 有限元建模

冷弯薄壁C型钢—稻草板组合墙体，由冷弯薄壁C型钢与稻草板通过自攻螺钉连接组装而成，C型钢截面尺寸为80 mm×40 mm×15 mm×2 mm，稻草板的厚度为58 mm。

1.1 试件设计

利用有限元ABAQUS对不同开洞情况的组合墙体进行模拟分析，研究其对墙体稳定承载力的影响，组合墙体厚t=196 mm，具体参数见表1。

1.2 材料参数

本试验稻草板及冷弯薄壁C型钢的材料属性是根据相关材性试验数据所得到的，如表2所示。

1.3 有限元模型

创建稻草板及冷弯薄壁C型钢的三维部件，并为其创建截面属性，选择均质实体，赋予所绘制部件材料属性。将各部件进行组装，为组合墙体选取C3D8R(八节点线性六面体单元)单元，并为其划分网格，如图1所示。模型顶端设置参考点RP-1，耦合参有限元试验结果见表3。

考点与墙体上表面加载区域的Z方向自由度，使其与参考点有相同的Z方向位移，以模拟千斤顶竖向加载。约束参考点及上表面除Z方向外其他方向的自由度(U1，U2)；约束墙体下端的所有方向自由度，有限元模型采用力加载进行控制，每级加载10 kN。

表1 组合墙体尺寸参数

表2 材料参数

2 计算结果及分析

表3 组合墙体不同开洞情况稳定承载力

2.1 小开洞率无过梁洞口对墙体影响

依据WY-1～WY-5试件结果数据分析小开洞率且无过梁构造洞口对钢—稻草板组合墙体稳定承载力的影响，荷载—位移对比曲线如图2所示。由表3和图2分析可知，墙体的极限荷载力会随墙体洞口面积的增加而呈现整体降低的趋势，对于以上组合墙体洞口面积的变化幅度为0 m2～0.16 m2(墙体总面积为3.36 m2)，最大荷载对应的变化幅度为155 kN～105 kN。当开洞率为0.67%和1.19%时，对应的极限荷载比无开洞墙体降低了5.8%和9.6%，产生这种现象的原因可能是由于墙体开洞面积较小，对面板的整体稳定性产生影响较小，当开洞率增加到4.76%时，组合墙体的承载力降低了32.3%，说明当开洞率增加到一定限度后会对组合墙体的整体承载能力以及稳定性产生较大影响。

2.2 大开洞率有过梁窗洞对墙体影响

依据WY-6～WY-9试件试验结果数据分析开洞率对钢—稻草板组合墙体承载力的影响。达到极限承载力时应力分布如图3所示，荷载—位移曲线如图4所示。

增加开洞率，并且在洞口的上下边增设横梁。开洞率为9.5%,14.8%,21.4%的墙体较未开洞墙体承载力分别降低了12.7%,25.4%,43.6%。因此可以认为墙体开洞对钢—稻草板组合墙体的墙面板有削弱作用，开洞率不宜大于15%。试件WY-5洞口上下边无横梁开洞率仅为4.76%时，承载力降低了32.3%，而开洞率为14.8%的试件WY-8开洞率是前者的3倍，而承载力只降低了25.4%。这是由于洞口设置过梁这种构造措施提高结构强度及整体稳定性与洞口对面板的削弱程度相抵消，利于增加墙体构件的稳定性。

2.3 大开洞率有过梁门洞及开洞高度对墙体影响

在门洞上下均设置过梁，分析开洞位置及开洞高度对钢—稻草板组合墙体承载力的影响，荷载位移曲线如图5所示。

通过分析可知，墙体WY-10较墙体WY-7的稳定承载力值差异仅4.2%，因此可认为钢—稻草板组合墙体开相同尺寸孔洞时，开洞位置对组合墙体承载力没有显著影响。墙体WY-11及WY-12较WY-10的承载力降幅分别为19.6%和41.3%，将墙体WY-12与试验墙体WY-9相比保持开洞率不变，减小开洞宽度的同时，增加开洞高度，WY-12的稳定承载力降幅12.9%。