基于ABAQUS的墙板受压数值模拟*

王子恒， 陈旭东， 牛 旺, 杨 森, 杨柳枝, 盛 龙

(1.安徽建筑大学土木工程学院,安徽 合肥 230601;2.安徽晶宫绿建集团有限公司,安徽 阜阳 236001)

0 引 言

目前对于夹芯墙板的连接件、墙板的受弯性能和抗火性能研究较多，但是对于夹芯保温墙板的轴心受压性能的研究较少。Benayoune[1-3]等对不同高厚比夹芯墙板进行了轴心受压、偏心受压和弯曲荷载作用下的挠度和极限荷载进行试验研究和有限元分析。

ABAQUS具有丰富的材料库和可视化功能，完全可以胜任夹芯保温墙板的轴心受压的模拟工作[2]。

利用ABAQUS建立轴心受压墙板的有限元模型，并且与文献[2]对比，验证模型及各类参数的正确性和合理性。而后用该模型对夹心墙板进行参数分析。

1 计算模型和参数

1.1 部件、材料赋予和装配

按照参考文献[2]，建立部件尺寸和材料参数见表1。

表1 试验构件的尺寸

H为试件的高度；B为试件的宽度；t为试件的总厚度；t1为一侧混凝土的厚度；

t2为夹心层保温板的厚度；c为混凝土保护层厚度。

按照实际尺寸创建以上部件，内、外墙板均采用实体单元，分布钢筋和钢筋采用桁架单元。因为在试验中夹心层的保温板不参与受力，所以没有建立夹心层的部件，将其在从模拟中排除。

混凝土和钢筋的参数见表2和表3。

表2 混凝土参数

表3 分布钢筋和桁架钢筋材料参数

在ABAQUS中输入混凝土和钢筋的材料参数。混凝土采用塑性损伤模型，钢筋选用两折线模型[3]。

在装配步中将内外墙板、分布钢筋和桁架钢筋按照试验分布进行装配。

1.2 分析步设置

先选用屈曲分析，将屈曲分析的第一阶模态按照一定比例做为初始缺陷再进行分析[4]。

1.3 相互作用、荷载和边界条件

将分布钢筋和桁架钢筋内置到混凝土里。将内、外墙板上下面分别耦合在上下平面的中心。

在上部耦合点施加集中荷载，在初始分析步中设置边界条件，均设置在耦合点。上部设置为U1=U2=UR3=0,下部设置为U1=U2=U3=UR3=0，与试验条件相同。

2 模拟结果与试验对比

2.1 承载力对比

实验值与数值模拟值对比结果见表4。

表4 实验值与数值模拟值对比

误差=(试验值-模拟值)/试验值100%。

2.2 荷载位移曲线对比

试验值与数值模拟值的荷载-位移曲线对比见图1。

图1 试验值与数值模拟荷载位移曲线对比

图2 数值模拟承载力

图3 数值模拟变形值

图4 规范设计承载力和数值模拟承载力对比

2.3 试验误差分析

根据荷载-位移曲线显示：数值模拟的荷载与试验的荷载几乎一致，但是数值模拟的位移却普遍小于试验的位移，可能的原因如下：1、虽然试验开始之前对墙板进行了定位安装，但是仍不可避免的出现误差；2、墙板在制作、运输和安装过程中可能会出现;3、墙板的初始缺陷是随机的、分散的，可能出现在各个过程和各个部位，在数值模拟过程中引入的初始缺陷在承载力和侧向位移上有一定程度的体现，却很难精确地表达和复现。

根据试验的承载力和数值模拟的承载力对比发现，误差在10%以内，此模型和模拟过程中的假设和精度满足实际工程要求，可以用此模型对夹心墙板进行参数分析。

3 参数分析

因为已经对高厚比进行过对比研究分析，高厚比越大，轴向受压承载力越小，侧向位移越大；并且通过改变夹芯保温墙板的厚度改变整个墙板的厚度对于极限承载力和荷载-位移曲线的影响几乎是微不足道的，所以保持夹心面层的厚度为50mm不变。将进行混凝土抗压强度等级(C30、C35、C40)，混凝土面层的厚度(t=30mm、40mm、50mm)以及钢筋的直径(d=6mm、8mm、10mm)进行数值模拟，以分析各类参数对轴心受压墙板的极限承载力以及荷载-位移曲线的影响。

3.1 有限元模型的建立

材料按照规范中的标准值选取混凝土和钢筋的材料参数(表5，表6)。

表5 混凝土材料参数

表6 钢筋材料参数

3.2 数值模拟结果与分析

图2和图3分别为数值模拟出的承载力和变形值。

表7和表8分别为模拟出的承载力和变形的极限值。

表7 数值模拟的承载力(kN)

表8 数值模拟的变形极限值(mm)

增大混凝土面层厚度、提高混凝土强度等级和增大钢筋直径都可以提高夹心墙板的受压承载力，从墙板轴心受压承载力计算公式就可以得出结论。加大混凝土面层厚度对于提高墙板轴心受压承载力效果最为显著，提高混凝土强度等级次之，增大钢筋直径的提升效果最低。

增大混凝土强度等级、降低钢筋直径和减小混凝土面层的厚度会使得墙板中部的侧向位移增大。增大混凝土面层的厚度会降低墙板的高厚比，使得墙板的破坏形态由屈曲破坏向受压破坏过渡，在混凝土面层厚度为60mm时，模拟过程中出现少量竖向裂缝，墙板长度方向的位移增大可以说明这一点。

在实际工程应用中，可以根据其他条件选择出满足荷载和位移条件的最优解。

4 理论计算与对比分析

利用《混凝土结构设计规程》[6]中的轴心受压构件承载力计算公式计算夹心墙板轴心受压承载力，计算结果见表9。

表9 承载力计算理论值

根据《混凝土结构设计规范》中6.2.15节，组合墙板轴心受压的承载力可按下式计算：

N为墙板轴心受压承载力；0.9为可靠度的调整系数；φ为钢筋混凝土轴心受压构件的稳定系数，按照《混凝土结构设计规范》表6.2.15选用；Ac为混凝土受压面积，总面积减去钢筋面积；fc为混凝土受压强度设计值；As′为受压钢筋的面积；fy′为受压钢筋的抗拉强度设计值。

图4为规范设计承载力和数值模拟承载力对比。

数值模拟承载力与规范设计承载力吻合较好，并且趋势一致。说明可以用现行的规范来计算夹心墙板轴心受压承载力。

5 结 论

在对已有试验进行数值模拟，验证模型的准确性和合理性的基础上，对影响墙板轴心受压承载力的3个影响因素分别进行3组取值，共27组模型进行模拟，并进行对比分析。得出以下结论：

1)提高混凝土面层厚度、混凝土强度等级和钢筋直径都可以提高墙板轴心受压承载力，提高混凝土面层厚度对于提高承载力效果最为显著，提高混凝土强度等级次之，增大钢筋直径效果最低；

2)减小混凝土面层厚度、增大混凝土强度等级和减小钢筋直径会使得墙板的最大侧向位移增大；

3)数值模拟值满足验算，并且大于规范设计承载力，说明夹心墙板安全、可靠、经济；