運(yùn)用有限元軟件ANSYS分析節(jié)能復(fù)合墻板,建筑材料論文

運(yùn)用有限元軟件ANSYS分析節(jié)能復(fù)合墻板,建筑材料論文節(jié)能復(fù)合墻板是由雙向斜插鋼絲與上、下層鋼絲網(wǎng)構(gòu)成空間受力桁架，中間夾一定厚度的聚苯乙烯泡沫板，然后內(nèi)、外側(cè)分別澆筑混凝土所構(gòu)成的鋼絲桁架-混凝土板組合構(gòu)造，具有抗彎剛度大，承載力高、節(jié)能保溫的優(yōu)點(diǎn)。為了研究鋼絲混凝土夾芯板組成的復(fù)合墻板在橫向荷載作用下的受力性能和毀壞機(jī)理，為墻板設(shè)計(jì)提供理論根據(jù)，本文采用有限元分析軟件ANSYS對節(jié)能復(fù)合墻板進(jìn)行有限元分析。2復(fù)合墻板模型介紹本文研究的基本墻板尺寸取30002500mm，夾芯層厚度70mm，上、下兩層分別澆注35mm厚混凝土面板，水平鋼絲網(wǎng)取冷拔低碳鋼絲，斜鋼絲取冷拔低碳鋼絲，斜鋼絲沿墻板短跨方向布置，詳見圖1?！緢D1】3復(fù)合墻板數(shù)值模型3.1基本假定節(jié)能復(fù)合墻板數(shù)值分析的基本假定如下：1)不考慮聚苯乙烯板夾芯層的作用，僅將其質(zhì)量折算到混凝土的質(zhì)量中；2)混凝土與鋼絲均各項(xiàng)同性；3)忽略墻板的剪切變形，即變形前垂直于中性面的法線，變形后仍保持為直線，且垂直于中性面。4)建立有限元模型時(shí)假定鋼絲與混凝土之間粘結(jié)良好，不考慮板與板之間的相對滑移，構(gòu)造整體性良好。不單獨(dú)考慮鋼絲、斜插絲和混凝土的作用，假定三者變形協(xié)調(diào)。3.2材料的本構(gòu)關(guān)系3.2.1鋼絲的本構(gòu)關(guān)系Ф2冷拔鋼絲的彈性模量sE及委屈服從強(qiáng)度yf按(混凝土構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)范〕選取，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如此圖2所示?！緢D2】3.2.2混凝土的本構(gòu)關(guān)系選用C20混凝土，彈性模量Ec=2.55104MPa，軸心抗壓強(qiáng)度fc=13.4MPa，抗拉強(qiáng)度ft=1.54MPa，峰值應(yīng)變0e=0.002，極限應(yīng)變cue=0.0033，混凝土開裂截面的剪力傳遞系數(shù)tb=0.35，裂縫閉合截面的剪力傳遞系數(shù)cb=0.8，泊松比n=0.2?；炷羻屋S受壓作用下的本構(gòu)關(guān)系如此圖3所示?！緢D3】3.3ANSYS模型數(shù)值分析采用ANSYS有限元軟件，上、下層混凝土面板用solid65單元模擬，混凝土板中的雙向鋼絲網(wǎng)用link8單元模擬，連接兩層混凝土板的斜鋼絲用beam188單元模擬。工程應(yīng)用中，復(fù)合外墻板一般在四角與鋼框架的梁或柱采用螺拴連接，節(jié)點(diǎn)模型可簡化為鉸接。數(shù)值分析時(shí)模擬墻板與鋼框架的連接方式，墻板角部設(shè)置四個(gè)支座支承，支座尺寸為200200150mm，對支座底面施加約束，使其在x、y、z三個(gè)方向不發(fā)生移動(dòng)。在進(jìn)行有限元分析計(jì)算時(shí)，混凝土的開裂根據(jù)采用Mises委屈服從準(zhǔn)則，即以為最大Mises應(yīng)力到達(dá)混凝土極限抗拉強(qiáng)度時(shí)混凝土開裂。模擬工程實(shí)際的風(fēng)荷載，對墻板施加橫向水平荷載0.5kN/m2。采用逐步增加荷載直至有限元模型失效的方式方法進(jìn)行分析。4復(fù)合墻板抗彎承載力的參數(shù)分析4.1混凝土面板厚度的影響為比擬混凝土面板厚度對復(fù)合墻板抗彎性能的影響，取混凝土面板厚度不同的墻板進(jìn)行參數(shù)分析。4.1.1上、下層混凝土面板厚度一樣。。圖4為混凝土面板厚度與撓度的關(guān)系曲線，圖5為上下層混凝土面板厚度與應(yīng)變的關(guān)系曲線。從圖4和圖5能夠看出：在上下層混凝土面板厚度一樣的情況下，隨著混凝土面板厚度的增大，復(fù)合墻板的撓度和混凝土面板的應(yīng)變均減小，即墻板抗彎剛度隨混凝土面板厚度增加而增加。當(dāng)混凝土面板厚度取35mm時(shí)，上下兩層混凝土面板的變形性能協(xié)調(diào)一致?！緢D4-5】4.1.2上層混凝土面板厚度改變。。圖6為混凝土面板厚度與撓度的關(guān)系曲線，圖7為混凝土面板厚度與應(yīng)變的關(guān)系曲線。由圖6和圖7能夠看出，當(dāng)下層混凝土面板厚度為35mm時(shí)，隨著上層混凝土面板厚度的增加，復(fù)合墻板的抗彎剛度增加，墻板的撓度與應(yīng)變均減小。上下兩層混凝土面板均為35mm時(shí)，復(fù)合墻板表現(xiàn)出完全組合行為(即上下層混凝土面板共同工作，變形與應(yīng)變基本一樣)。【圖6-7】4.2聚苯乙烯泡沫夾芯層厚度的影響為分析聚苯乙烯泡沫夾芯層厚度對復(fù)合墻板抗彎承載力的影響，取夾芯層厚度不同的墻板進(jìn)行參數(shù)分析，計(jì)算結(jié)果如此圖8、圖9所示?！緢D8-9】由分析結(jié)果可知，隨著夾芯層厚度的增加，墻板的撓度、混凝土應(yīng)變不斷減小，也即增大墻板中夾芯層厚度會(huì)使墻板的抗彎剛度提高；夾芯層厚度不同時(shí)，上下兩層混凝土的撓度均能保持較高的一致性；芯層厚度為65mm時(shí)，上、下層混凝土的應(yīng)變基本一致，這時(shí)上下兩層混凝土面板變形的一致性較好，墻板整體工作性能較好。4.3混凝土強(qiáng)度的影響為比擬混凝土強(qiáng)度對復(fù)合墻板抗彎承載力的影響，分別采用不同等級混凝土進(jìn)行參數(shù)分析，圖10、圖11分別是在復(fù)合墻板的混凝土強(qiáng)度與撓度關(guān)系曲線和混凝土強(qiáng)度與應(yīng)變關(guān)系曲線?！緢D10-11】由圖可知，混凝土強(qiáng)度對節(jié)能復(fù)合墻板的抗彎性能影響較大，提高混凝土的強(qiáng)度等級對墻板承載力的提高有明顯效果，但隨著混凝土混凝土強(qiáng)度的提高，這種影響趨勢減弱；混凝土強(qiáng)度不同時(shí)，上下兩層混凝土的變形均能保持較高的一致性，墻板整體工作性能良好。4.4配筋率的影響為比擬配筋率對復(fù)合墻板抗彎承載力的影響，取不同的水平鋼絲直徑進(jìn)行參數(shù)分析，圖12、13分別是復(fù)合墻板的面板配筋率與撓度關(guān)系曲線和面板配筋率與應(yīng)變關(guān)系曲線?！緢D12-13】隨著墻板配筋率的提高，墻板的變形逐步減小，但提高墻板配筋率對墻板抗彎剛度的提高有限；當(dāng)水平鋼絲的直徑2.5mm時(shí)，上下兩層混凝土的變形能保持較高的一致性，墻板整體工作性能良好。4.5斜鋼絲的影響4.5.1斜鋼絲直徑的影響取斜鋼絲直徑不同的墻板進(jìn)行參數(shù)分析，圖14、圖15分別是復(fù)合墻板的鋼絲直徑與撓度關(guān)系曲線和鋼絲直徑與應(yīng)變關(guān)系曲線?！?4-15】由分析結(jié)果可知，隨著墻板斜鋼絲直徑的增加，墻板的變形逐步減小，增大斜鋼絲直徑對墻板抗彎剛度的提高有明顯效果；當(dāng)斜鋼絲的直徑2mm時(shí)，上下兩層混凝土的變形能保持較高的一致性，墻板整體工作性能良好。4.5.2斜鋼絲每排間距的影響取斜鋼絲不同排距的墻板進(jìn)行參數(shù)分析，圖16、圖17分別是復(fù)合墻板的斜鋼絲間距與撓度關(guān)系曲線和斜鋼絲間距與應(yīng)變關(guān)系曲線?！?6-17】由分析結(jié)果可知，隨著斜鋼絲間距的增加，墻板的變形逐步增大，增大斜鋼絲排距使墻板抗彎承載力降低；當(dāng)斜鋼絲每排距離100mm時(shí)，上下兩層混凝土的變形能保持較高的一致性，墻板整體工作性能良好。4.5.3斜鋼絲傾斜角度的影響取不同傾斜角度斜鋼絲的墻板進(jìn)行參數(shù)分析，圖18、圖19分別是復(fù)合墻板的斜鋼絲角度與撓度關(guān)系曲線和斜鋼絲角度與應(yīng)變關(guān)系曲線。【18-19】由分析結(jié)果可知，當(dāng)斜鋼絲與水平鋼絲網(wǎng)夾角為45時(shí)，墻板抗彎剛度最大，墻板各部分協(xié)同工作性能良好。4.6開洞情況的影響針對復(fù)合墻板不同的開洞情況(洞口高1.5m，寬度變化)進(jìn)行了討論，分析結(jié)果詳見圖20、圖21、圖22、圖23所示(開洞率：洞口的面積與該墻面全面積之比)。【20-22.23略】由分析結(jié)果可知，隨著墻板開洞率的提高，墻板變形增加，墻板抗彎剛度成下降趨勢，且洞口越大抗彎剛度衰減越快；開洞率30%時(shí)，過寬的洞口使洞口周圍構(gòu)成連梁構(gòu)造，墻板變形減小，墻板剛度稍有提高；洞口的存在，使洞口邊緣尤其是洞口角部構(gòu)成應(yīng)力集中區(qū)域，洞口越大應(yīng)力集中越明顯。開洞率30%時(shí)，洞口角部與支座處構(gòu)成了應(yīng)力較高的應(yīng)力集中帶。因而，對于復(fù)合墻板抵抗橫向荷載作用時(shí)，應(yīng)該合理的布置洞口，避免高應(yīng)力貫穿情況的出現(xiàn)。5結(jié)論根據(jù)參數(shù)分析結(jié)果，得到復(fù)合墻板的抗彎剛度與混凝土面板厚度、聚苯乙烯夾芯層厚度、斜鋼絲的布置、洞口、混凝土的強(qiáng)度等級以及受力鋼絲網(wǎng)的配筋率等有關(guān)：1.增大混凝土板、夾芯層厚度和水平鋼絲、斜鋼絲直徑均能使墻板的抗彎剛度提高；混凝土強(qiáng)度對節(jié)能復(fù)合墻板的抗彎剛度影響較大，提高混凝土的強(qiáng)度等級對墻板抗彎性能的提高有明顯效果，但隨著混凝土混凝土強(qiáng)度的提高，這種影響趨勢減弱；斜鋼絲間距的增大以及開洞率的增大均使墻板的抗彎剛度降低。2.當(dāng)上、下層混凝土板厚度為35mm，夾芯層厚度為65mm，水平鋼絲直徑為2.5mm，斜鋼絲直徑為2mm、每排距離100mm且與水平鋼絲網(wǎng)夾角為45時(shí)，上下兩層混凝土面板的變形能保持較高的一致性，連接兩層面板的斜鋼絲具有足夠的強(qiáng)度使得兩層面板能較好地協(xié)同工作，墻板整體工作性能良好，好像一塊實(shí)體混凝土板。3.開洞率30%時(shí)，洞口角部與支座處構(gòu)成了應(yīng)力較高的應(yīng)力集中帶，因而，在墻板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該控制洞口的大小，應(yīng)避免此高應(yīng)力貫穿情況的出現(xiàn)。以下為參考文獻(xiàn)：[1]黃廣鵬,陳漢長,蔣含芙,錢陽.CL復(fù)合墻板的工程應(yīng)用[J].新型建筑材料,2007(6):31―34.[2]楊偉靜,劉淼,韓頌新,侯和濤.輕型復(fù)合墻板的應(yīng)用研究[J].新型建筑材料,2018(10):23―26.[3]李渤生,李金文,侯和濤.鋼構(gòu)造住宅節(jié)能復(fù)合外墻板的應(yīng)用研究[J].鋼構(gòu)造,2007(10):9―12.[4]趙文強(qiáng).CL復(fù)合墻體構(gòu)造體系在工程中的應(yīng)用[J].山西建筑,2018(4):81―82.[5]李升才,王英華.復(fù)合墻板受力性能平面有限元分析[J].建筑構(gòu)造,2007(7):