蒸压加气混凝土板有限元数值模拟和应用

闵玉兵

国家建筑装修材料质量安全监督检验中心（110032）

蒸压加气混凝土板就是在加气混凝土里配置拉筋，制作成板状的建筑产品。 其继承了加气混凝土轻质、保温、隔热的特点，适用于各类钢结构、钢筋混凝土结构工业与民用建筑的外墙、 内隔墙、屋面。 文章通过试验，得到蒸压加气混凝土板的相关材料参数，尝试建立有限元数值模型，以指导产品在实际应用过程中的结构性能分析。

1 确定相关材料参数

蒸压加气混凝土板的规格尺寸为3 000 mm×600 mm×200 mm，加气混凝土强度为M3.5，密度为500 kg/m3；配筋使用φ5 mm 的冷拔钢筋。

图1 配筋示意图

为了建立数值模型，需要知道材料的相关力学参数:抗压强度、弹性模量和泊松比。 使用液压自动伺服试验机，测得加气混凝土单轴抗压状态下的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比；钢筋的材料参数使用资料记载的相关数据。 其中，加气混凝土的弹性模量是根据实测强度-应变曲线去除初始点回归得到的直线的斜率。

表1 加气混凝土的材料参数

表2 钢筋的材料参数

为了简化，可以认为加气混凝土符合各向同性特征。从加载过程的强度-应变曲线可以看出，加气混凝土具有典型的脆性材料的特征。

2 有限元数值模拟计算

使用有限元法分析就是把连续结构离散化，把连续的结构体看成由有限单元体组成。

模拟分析软件选择ANSYS。 主要使用两种单元:solid65 和LINK8，分别代表混凝土板中的加气混凝土和配筋。其中solid65 单元里可以简化设置配筋率，为了更好地符合实际，设置其为无筋单元（配筋率为0）；选择link 做钢筋单元。 加载方式采用GB/T 15762—2008《蒸压加气混凝土板》附录C 中规定的方式。

对于加气混凝土，拉应力是其失效的原因，所以我们关注第一主应力云图的情况。 加气板中间位置是我们最关注的地方，最大位移和最大主应力都出现在这个位置（拉应力和压应力）。 在只考虑自重的情况下，得到最大位移是1.0 mm，拉应力为0.089 MPa,压应力为 0.033 MPa。 在图 2 中，在 5 300 N 荷载下,板中间位移达到3 mm 时，加气混凝土的最大拉应力为0.16 MPa，此时子步数为34。 从图3 观察到，第一道裂缝的产生时间是第35 子步，可以算出其荷载值为4 300 N， 据此可以制订蒸压加气混凝土板的裂缝荷载指标。 对图2 和图3 的数据进行比对，可以得知:在初始裂缝出现时，板中间的位移接近3 mm，这有助于制订挠度控制指标。

图2 达到破坏荷载时的云图

图3 初始裂缝

为了验证数值模拟结果，通过试验比较两者的结果，见表3。

表3 结果比对

可以看出， 模拟结果和实际测试结果很接近，说明模型可用。 由于此模型是建立在加气混凝土实测抗压强度4.5 MPa 的基础上的， 对于设计强度3.5 MPa 的加气混凝土，我们可以使用抗压强度3.5 MPa、抗拉强度为抗压的1/20 的方式去建模，从而得到在3.5 MPa 时加气混凝土板的产品规范参数。

3 结论和展望

利用ANSYS 可以有效模拟蒸压加气混凝土板的结构性能，其模拟结果能够较好地吻合实际，其数值模型可以用来分析加气板在外荷载作用下的内部应力变化，能够依据模拟制订相关产品的性能指标。

在实际试验过程中，当荷载增大到一定程度时加气混凝土和钢筋之间会产生滑动，为了研究这种情况下加气板的结构性能，需要重新考虑建模方式；对于裂缝，现在只能预测初始裂缝发生的时间和裂缝荷载，暂时无法知道裂缝的宽度，期待在以后的研究中得到改进。