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(duì)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。【圖1】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(duì)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。【圖3】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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(duì)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。【圖4-5】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)?！緢D6-7】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(duì)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。【圖8-9】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(duì)復(fù)合墻板抗彎承載力的影響，分別采用不同等級(jí)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(duì)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(jí)對(duì)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(shì)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(duì)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(duì)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(duì)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?！?8-19】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(duì)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)?！?0-22.23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(shì)，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(duì)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(jí)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(duì)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(jí)對(duì)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(shì)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(zhǎng),蔣含芙,錢陽(yáng).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(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