高性能夹芯外挂墙板的有限元模拟研究

伍薪澎 陈婉清

（1.长沙理工大学土木工程学院，湖南 长沙 410114；2.武汉誉城九方建筑有限公司，湖北 武汉 430050）

0 引言

装配式建筑是指把传统建造方式中的大量现场作业工作转移到工厂进行，在工厂加工制作好建筑用构件和配件（如楼板、墙板、楼梯、阳台等），运输到建筑施工现场，通过可靠的连接方式在现场装配安装而成的建筑［1］。预制混凝土夹芯墙板主要由外叶板、夹芯层、内叶板、连接件组成，起到饰面、保温等作用，是装配式建筑的基本围护构件［2］。目前，国内外学者主要针对各类夹芯墙板的抗弯、抗剪、抗压、组合度等方面的力学性能进行了试验探索。于士彦［3］对超高性能复合夹芯外挂墙板及其配套隔热连接件的力学性能开展了研究，归纳了墙板的破坏模式，发现该墙板的破坏模式符合四边简支双向板的破坏模式，满足一般风荷载作用下正常使用极限状态和承载能力极限状态的裂缝及位移限值要求。周文财［4］通过对3块足尺新型夹芯保温板进行静力加载试验，发现聚苯颗粒纤维增强混凝土和钢筋桁架对于夹芯保温板的极限承载力的贡献明显，并且钢筋桁架可有效抑制裂缝发展，提高夹芯板的延性，增加钢筋桁架的高度、夹芯层厚度可提高夹芯保温板的刚度。Daniel等［5］进行了预制混凝土夹芯墙板在四点弯曲和冲切下的抗弯试验。试验结果表明：在四点弯曲的情况下，面层的破坏是由于混凝土破坏引起的；在冲切的情况下，面层的破坏则是剪切应力和弯曲应力的共同作用。在这两种荷载条件下预制混凝土夹芯墙板开裂弯矩与传统混凝土板开裂弯矩相当。

本研究设计一种多功能实心区域预制高性能混凝土夹芯外挂墙板（简称夹芯墙板），结合保温—承重一体化的理念，使得内外叶板共同承担外部荷载，通过有限元模拟初步探索该类夹芯墙板的抗弯性能，为后续试验打下基础。

1 试件设计

本次试验试件为2 块夹芯墙板，重点研究不同混凝土强度、不同混凝土面层厚度对外挂夹芯墙板的力学性能的影响。所有试件均由内、外叶板和中间保温层组成，内外叶板采用C30 或C60 混凝土浇筑，面层厚度为40 mm 或30 mm，试件总厚度为160 mm，中间保温层芯材为模塑聚苯乙烯泡沫塑料板（EPS板），内外叶板中均设置HRB400E热轧带肋钢筋焊接制作的钢筋网，钢筋直径为6 mm。

试验构件共有QB1、QB2 两组，其中QB1 尺寸为2 250 mm×1 285 mm，QB2 尺寸为2 250 mm×1 285 mm，中间采用100 mm×100 mm 的实心区域连接，实心区域中设置对角拉结钢筋。试件的设计参数具体见表1。

表1 试件设计参数

2 有限元模拟

根据实际尺寸建立了预制混凝土夹芯墙板的ABAQUS有限元模型，如图1所示。

由于实际工程中墙板的受力情况复杂，因此对模型做出一定简化和基本假定，便于分析计算：①实心区域与内外叶板黏结良好，无相对滑移；②保温板的强度相对于钢筋和混凝土板而言，屈服强度非常小，因此不考虑聚苯乙烯泡沫塑料板的作用；③假定混凝土为各项同性、均质材料；④忽略混凝土的徐变、温差等引起的应力和变形状态。

通过提取夹芯墙板的最大荷载时的应力云图，可直观地描述试件的受力情况及裂缝的分布位置，进一步对夹芯墙板的破坏形态做出大致的验证。各试件的等效应力云图如图2所示。从图2可以看出，内、外叶板混凝土面层的最大应力部分出现在荷载加载点的纯弯段区域，钢筋网跨中部分基本达到屈服。在模拟试验结束时，跨中挠度已经超过了计算板跨的1/50，即认为已经达到了极限承载力。

图2 试件Mises应力云图

3 参数化分析

在已有的研究基础上，对影响夹芯墙板抗弯性能的主要因素进行分析，并在QB2墙板的基础上进行有关参数的数值模拟分析，对比分析不同混凝土强度、混凝土面层厚度、钢筋强度等级、钢筋间距对夹芯墙板抗弯性能的影响规律，为建立合理的预制混凝土夹芯墙板的设计方法提供参考依据。

3.1 混凝土强度对墙板抗弯性能的影响

通过建立不同混凝土强度的夹芯墙板模型，研究混凝土强度对抗弯性能的影响，以试件QB2作为基准模型，在其他参数一致的情况下，建立混凝土强度为C25、C30、C40、C50、C60 等5 种模型，通过ABAQUS 软件进行计算，不同内外叶板厚度的夹芯墙板的荷载—挠度曲线如图3所示。

图3 不同混凝土强度模型的荷载—挠度曲线

极限状态分为正常使用极限状态和承载力极限状态，参照《混凝土结构试验与检测技术》的规定［6］：以墙板跨中最大变形挠度达到跨度的1/200时的荷载作为正常使用极限荷载；以墙板跨中最大变形挠度达到跨度的1/50，作为承载力极限荷载，具体见表2 所示。由表2 可知，随着混凝土强度等级的降低，夹芯墙板的刚度呈下降趋势，但是随着强度的降低，下降的速度也随之减小。

表2 不同混凝土强度模型的特征荷载

3.2 内外叶板厚度对墙板抗弯性能的影响

研究内外叶板厚度对夹芯墙板的抗弯性能的影响，建立了20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm厚的内外叶板的5 种夹芯墙板模型，通过ABAQUS软件进行计算模拟分析，将荷载—挠度曲线进行对比，不同内外叶板厚度的夹芯墙板的荷载—挠度曲线如图4 所示。根据正常使用极限状态荷载及承载力极限荷载，得到不同内外叶板厚度的墙板极限荷载，见表3。由表3 可知，随着混凝土面层厚度的增加，夹芯墙板刚度保持稳定增长，极限承载力增长速度几乎保持稳定状态。

图4 不同内外叶板厚度模型的荷载—挠度曲线

表3 不同内外叶板厚度模型的特征荷载

3.3 钢筋间距对墙板抗弯性能的影响

为研究钢筋间距对夹芯墙板的抗弯性能影响，设置了200 mm×200 mm、250 mm×250 mm、300 mm×300 mm、350 mm×350 mm 的钢筋间距，并建立夹芯墙板模型，通过ABAQUS进行模拟分析计算，不同钢筋间距的预制混凝土夹芯墙板的荷载—挠度曲线如图5所示。

图5 不同钢筋间距模型的荷载—挠度曲线

根据正常使用极限状态荷载以及承载力极限荷载，得到不同钢筋间距的墙板极限荷载，见表4。从表4可知，钢筋网的间距不断增大，夹芯墙板的刚度基本不变化，单纯改变钢筋网间距对夹芯墙板的刚度影响不大。

表4 不同钢筋间距模型的特征荷载

3.4 钢筋强度对墙板抗弯性能的影响

工程中常用的钢筋强度等级有:HPB300、HRB335、HRB400、HRB400E、HRB600，本文以钢筋的强度为变量，研究夹芯墙板的抗弯性能与钢筋强度之间的关系。采用不同钢筋强度等级的夹芯墙板的荷载—挠度曲线如图6所示。

图6 不同钢筋强度模型的荷载—挠度曲线

根据正常使用极限状态荷载以及承载力极限荷载，得到不同钢筋间距的墙板极限荷载，见表5。由表5 中可知，随着钢筋强度等级不断增加，预制混凝土夹芯墙板的刚度提高甚小，单纯改变钢筋强度等级对预制混凝土夹芯墙板的刚度影响不大。

表5 不同钢筋强度等级模型的特征荷载

4 结论

利用ABAQUS 对QB1、QB2 墙板进行模拟分析，对比分析混凝土强度、内外叶板厚度、钢筋间距、钢筋强度等级、对高性能夹芯外挂墙板抗弯性能的影响规律，得出以下结论。

①ABAQUS 模拟的各试件模型的最大应力出现在加载点附近，钢筋网基本达到屈服。

②夹芯墙板抗弯性能与混凝土强度、内外叶板厚度关系较大；钢筋间距、钢筋强度等级对夹芯墙板的抗弯性能基本没有影响。夹芯墙板的抗弯性能随着混凝土强度、内外叶板厚度的增大而增大。

③在实际工程中可以通过提高混凝土墙板、内外叶板厚度来获得更加优异的抗弯性能。