运用有限元软件ANSYS分析节能复合墙板

　　1 引言

　　节能复合墙板是由双向斜插钢丝与上、下层钢丝网形成空间受力桁架，中间夹一定厚度的聚苯乙烯泡沫板，然后内、外侧分别浇筑混凝土所构成的钢丝桁架-混凝土板组合结构，具有抗弯刚度大，承载力高、节能保温的优点。为了研究钢丝混凝土夹芯板组成的复合墙板在横向荷载作用下的受力性能和破坏机理，为墙板设计提供理论依据，本文采用有限元分析软件 ANSYS 对节能复合墙板进行有限元分析。
　　
　　2 复合墙板模型介绍

　　本文研究的基本墙板尺寸取 3000×2500mm，夹芯层厚度 70mm，上、下两层分别浇注 35mm 厚混凝土面板，水平钢丝网取Ф2@50 冷拔低碳钢丝，斜钢丝取 Ф2@50 冷拔低碳钢丝，斜钢丝沿墙板短跨方向布置，详见图 1。【图1】

　　
　　3 复合墙板数值模型

　　3.1 基本假定

　　节能复合墙板数值分析的基本假定如下：

　　1) 不考虑聚苯乙烯板夹芯层的作用，仅将其质量折算到混凝土的质量中；2) 混凝土与钢丝均各项同性；3) 忽略墙板的剪切变形，即变形前垂直于中性面的法线，变形后仍保持为直线，且垂直于中性面。

　　4) 建立有限元模型时假定钢丝与混凝土之间粘结良好，不考虑板与板之间的相对滑移，结构整体性良好。不单独考虑钢丝、斜插丝和混凝土的作用，假定三者变形协调。

　　3.2 材料的本构关系

　　3.2.1 钢丝的本构关系Ф2 冷拔钢丝的弹性模量sE 及屈服强度yf 按《混凝土结构设计规范》选取，应力应变关系曲线如图2 所示。【图2】

　　
　　3.2.2 混凝土的本构关系选用 C20 混凝土，弹性模量 Ec=2.55×104MPa，轴心抗压强度 fc=13.4MPa，抗拉强度 ft=1.54MPa，峰值应变0e =0.002，极限应变cue =0.0033，混凝土开裂截面的剪力传递系数tb =0.35，裂缝闭合截面的剪力传递系数cb =0.8，泊松比n=0.2。混凝土单轴受压作用下的本构关系如图 3 所示。【图3】

　　
　　3.3 ANSYS 模型

　　数值分析采用 ANSYS 有限元软件，上、下层混凝土面板用 solid65 单元模拟，混凝土板中的双向钢丝网用 link8 单元模拟，连接两层混凝土板的斜钢丝用 beam188 单元模拟。

　　工程应用中，复合外墙板一般在四角与钢框架的梁或柱采用螺拴连接，节点模型可简化为铰接。数值分析时模拟墙板与钢框架的连接方式，墙板角部设置四个支座支承，支座尺寸为 200×200×150mm，对支座底面施加约束，使其在 x、y、z 三个方向不发生移动。

　　在进行有限元分析计算时，混凝土的开裂依据采用 Mises 屈服准则，即认为最大 Mises 应力达到混凝土极限抗拉强度时混凝土开裂。

　　模拟工程实际的风荷载，对墙板施加横向水平荷载 0.5kN/m2。采用逐步增加荷载直至有限元模型失效的方法进行分析。

　　4 复合墙板抗弯承载力的参数分析

　　4.1 混凝土面板厚度的影响

　　为比较混凝土面板厚度对复合墙板抗弯性能的影响，取混凝土面板厚度不同的墙板进行参数分析。

　　4.1.1 上、下层混凝土面板厚度相同。。图 4 为混凝土面板厚度与挠度的关系曲线，图 5 为上下层混凝土面板厚度与应变的关系曲线。从图 4和图 5 可以看出：在上下层混凝土面板厚度相同的情况下，随着混凝土面板厚度的增大，复合墙板的挠度和混凝土面板的应变均减小，即墙板抗弯刚度随混凝土面板厚度增加而增加。当混凝土面板厚度取 35mm时，上下两层混凝土面板的变形性能协调一致。【图4-5】

　　
　　4.1.2 上层混凝土面板厚度改变。。图 6 为混凝土面板厚度与挠度的关系曲线，图 7 为混凝土面板厚度与应变的关系曲线。由图 6 和图 7可以看出，当下层混凝土面板厚度为 35mm 时，随着上层混凝土面板厚度的增加，复合墙板的抗弯刚度增加，墙板的挠度与应变均减小。上下两层混凝土面板均为 35mm 时，复合墙板表现出完全组合行为(即上下层混凝土面板共同工作，变形与应变基本相同)。【图6-7】

　　4.2 聚苯乙烯泡沫夹芯层厚度的影响

　　为分析聚苯乙烯泡沫夹芯层厚度对复合墙板抗弯承载力的影响，取夹芯层厚度不同的墙板进行参数分析，计算结果如图 8、图 9 所示。【图8-9】

　　
　　由分析结果可知，随着夹芯层厚度的增加，墙板的挠度、混凝土应变不断减小，也即增大墙板中夹芯层厚度会使墙板的抗弯刚度提高；夹芯层厚度不同时，上下两层混凝土的挠度均能保持较高的一致性；芯层厚度为 65mm 时，上、下层混凝土的应变基本一致，这时上下两层混凝土面板变形的一致性较好，墙板整体工作性能较好。

　　4.3 混凝土强度的影响

　　为比较混凝土强度对复合墙板抗弯承载力的影响，分别采用不同等级混凝土进行参数分析，图 10、图11 分别是在复合墙板的混凝土强度与挠度关系曲线和混凝土强度与应变关系曲线。【图10-11】

　　
　　由图可知，混凝土强度对节能复合墙板的抗弯性能影响较大，提高混凝土的强度等级对墙板承载力的提高有明显效果，但随着混凝土混凝土强度的提高，这种影响趋势减弱；混凝土强度不同时，上下两层混凝土的变形均能保持较高的一致性，墙板整体工作性能良好。

　　4.4 配筋率的影响

　　为比较配筋率对复合墙板抗弯承载力的影响，取不同的水平钢丝直径进行参数分析，图 12、13 分别是复合墙板的面板配筋率与挠度关系曲线和面板配筋率与应变关系曲线。【图12-13】

　　
　　随着墙板配筋率的提高，墙板的变形逐渐减小，但提高墙板配筋率对墙板抗弯刚度的提高有限；当水平钢丝的直径>2.5mm 时，上下两层混凝土的变形能保持较高的一致性，墙板整体工作性能良好。

　　4.5 斜钢丝的影响

　　4.5.1 斜钢丝直径的影响取斜钢丝直径不同的墙板进行参数分析，图 14、图 15 分别是复合墙板的钢丝直径与挠度关系曲线和钢丝直径与应变关系曲线。【14-15】

　　
　　由分析结果可知，随着墙板斜钢丝直径的增加，墙板的变形逐渐减小，增大斜钢丝直径对墙板抗弯刚度的提高有明显效果；当斜钢丝的直径>2mm 时，上下两层混凝土的变形能保持较高的一致性，墙板整体工作性能良好。

　　4.5.2 斜钢丝每排间距的影响取斜钢丝不同排距的墙板进行参数分析，图 16、图 17 分别是复合墙板的斜钢丝间距与挠度关系曲线和斜钢丝间距与应变关系曲线。【16-17】

　　
　　由分析结果可知，随着斜钢丝间距的增加，墙板的变形逐渐增大，增大斜钢丝排距使墙板抗弯承载力降低；当斜钢丝每排距离≤100mm 时，上下两层混凝土的变形能保持较高的一致性，墙板整体工作性能良好。

　　4.5.3 斜钢丝倾斜角度的影响取不同倾斜角度斜钢丝的墙板进行参数分析，图 18、图 19 分别是复合墙板的斜钢丝角度与挠度关系曲线和斜钢丝角度与应变关系曲线。【18-19】

　　
　　由分析结果可知，当斜钢丝与水平钢丝网夹角为 45°时，墙板抗弯刚度最大，墙板各部分协同工作性能良好。

　　4.6 开洞情况的影响

　　针对复合墙板不同的开洞情况(洞口高 1.5m，宽度变化)进行了讨论，分析结果详见图 20、图 21、图22、图 23 所示(开洞率：洞口的面积与该墙面全面积之比)。【20-22.23略】

　　
　　由分析结果可知，随着墙板开洞率的提高，墙板变形增加，墙板抗弯刚度成下降趋势，且洞口越大抗弯刚度衰减越快；开洞率>30%时，过宽的洞口使洞口周围形成连梁结构，墙板变形减小，墙板刚度稍有提高；洞口的存在，使洞口边缘尤其是洞口角部形成应力集中区域，洞口越大应力集中越明显。开洞率>30%时，洞口角部与支座处形成了应力较高的应力集中带。因此，对于复合墙板抵抗横向荷载作用时，应该合理的布置洞口，避免高应力贯通情况的出现。

　　5 结论

　　根据参数分析结果，得到复合墙板的抗弯刚度与混凝土面板厚度、聚苯乙烯夹芯层厚度、斜钢丝的布置、洞口、混凝土的强度等级以及受力钢丝网的配筋率等有关：

　　1. 增大混凝土板、夹芯层厚度和水平钢丝、斜钢丝直径均能使墙板的抗弯刚度提高；混凝土强度对节能复合墙板的抗弯刚度影响较大，提高混凝土的强度等级对墙板抗弯性能的提高有明显效果，但随着混凝土混凝土强度的提高，这种影响趋势减弱；斜钢丝间距的增大以及开洞率的增大均使墙板的抗弯刚度降低。

　　2. 当上、下层混凝土板厚度为 35mm，夹芯层厚度为 65mm，水平钢丝直径为 2.5mm，斜钢丝直径为2mm、每排距离 100mm 且与水平钢丝网夹角为 45°时，上下两层混凝土面板的变形能保持较高的一致性，连接两层面板的斜钢丝具有足够的强度使得两层面板能较好地协同工作，墙板整体工作性能良好，如同一块实体混凝土板。

　　3. 开洞率>30%时，洞口角部与支座处形成了应力较高的应力集中带，因此，在墙板设计时应该控制洞口的大小，应避免此高应力贯通情况的出现。

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