BF-型鋼EPS泡沫混凝土外掛墻板有限元分析

摘要：為研究玄武巖纖維對型鋼EPS泡沫混凝土預(yù)制外掛墻板的作用影響，本文通過棱柱體試驗以及相關(guān)文獻獲得不同摻量玄武巖纖維的EPS泡沫混凝土的本構(gòu)曲線，利用有限元軟件ABAQUS對預(yù)制墻板進行有限元分析，探究其不同摻量時對EPS輕骨料混凝土力學性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：當玄武巖纖維摻量為0.2%時，對構(gòu)件承載力有明顯提升；而當玄武巖纖維摻量為0.6%時，對構(gòu)件承載力幾乎沒有提升，且延性有所下降。因此，最佳摻量為2%。此外，冷彎薄壁C型鋼與EPS泡沫混凝土之間具有較高黏結(jié)強度，且摻入玄武巖纖維不改變墻板的破壞模式。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維；EPS泡沫混凝土；本構(gòu)曲線；預(yù)制墻板；有限元分析

中圖分類號：TU525.9""""" 文獻標志碼：A""""""""""""" 文章編號：

Finite Element Analysis of BF-Section Steel EPS Foam Concrete External Wallboard

Abstract：In order to study the effect of basalt fiber on the prefabricated external wallboard of section steel EPS foam concrete， the constitutive curves of EPS foam concrete with different amounts of basalt fiber were obtained through prismatic test and related literature， and the finite element analysis of the prefabricated wallboard was carried out by using the finite element software ABAQUS to explore the influence of different dosages on the mechanical properties of EPS light aggregate concrete. The results show that when the basalt fiber content is 0.2%， the bearing capacity of the component is significantly improved. When the basalt fiber content is 0.6%， the bearing capacity of the component is almost not improved， and the ductility decreases. Therefore， the optimal dosage is 2%. In addition， the cold-formed thin-walled C-beam has high bond strength with EPS foam concrete， and the addition of basalt fibers does not change the failure mode of the wallboard.

Keywords： basalt fiber; EPS foam concrete; constitutive curves; prefabricated wall panels; finite element analysis

1 概述

輕鋼結(jié)構(gòu)體系具有工業(yè)化程度高，施工快捷，耗材少的特點，在低層建筑中具有廣泛的適用性。在輕鋼結(jié)構(gòu)體系中，圍護結(jié)構(gòu)通常采用預(yù)制輕質(zhì)墻板。然而，由于其隔音保溫效果較差的特點，應(yīng)用受到一定限制。為了解決這一問題，可以將聚苯乙烯（Expanded Polystyrene，簡稱 EPS）作為骨料替代，并制成EPS混凝土。這樣做不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多次循環(huán)利用以及對白色污染進行無害化處理，還能夠改善墻板的隔音保溫效果，并研制出性能更優(yōu)異的預(yù)制墻板。

經(jīng)過研究，MILED等[1]，LE ROY等[2]發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整不同EPS顆粒粒徑的混凝土配比可以影響EPS混凝土的力學性能，結(jié)果表明，EPS顆粒粒徑越小，EPS混凝土的抗壓強度越高。LE ROY等[3]進行了不同EPS顆粒粒徑下的混凝土試塊抗壓試驗，試驗結(jié)果表明：EPS顆粒的配比是影響EPS混凝土強度變化的主要因素。徐茜茜等[4]研究發(fā)現(xiàn)，當EPS混凝土濕密度增加時，無側(cè)限抗壓強度、彈性模量和承載比（CBR）會變大。胡艷麗等[5]通過研究EPS混凝土水膠比對孔結(jié)構(gòu)的影響。得到如下結(jié)論：在一定范圍內(nèi)，水膠比增大會使孔徑增大，抗壓強度也會相應(yīng)增大，而超過這個范圍后，抗壓強度會下降。

摻入纖維可以改善EPS泡沫混凝土的延性，提高其抗開裂的能力。在現(xiàn)今多種主流纖維中，玄武巖纖維（Basalt Fibers，簡稱BF）具有強度高，使用成本低，綜合性能優(yōu)異等特點被學者們廣泛關(guān)注。譚燕等[6]研究發(fā)現(xiàn)：摻入玄武巖纖維可以提升混凝土的彈性，并延緩混凝土的開裂，增強混凝土抗開裂能力和耐久性。王海良等[7]通過研究發(fā)現(xiàn)摻入玄武巖纖維可以明顯提升混凝土的基本力學性能，包括抗壓、抗折和劈裂抗拉性能等。

FLORRES-JOHNSON等[8]的研究結(jié)果表明，摻入一定量的纖維能顯著增強泡沫混凝土及其復(fù)合夾芯板的力學性能。陳大鴻等[9]進行了輕鋼泡沫混凝土復(fù)合墻體的豎向承載力試驗，試驗結(jié)果表明由于泡沫混凝土的強度低，使墻板在破壞時輕鋼只發(fā)生局部彎曲，不會因為失穩(wěn)而發(fā)生整體變形彎曲。

本文通過EPS輕骨料混凝土的抗壓強度及文獻提出的本構(gòu)模型對預(yù)制墻板進行有限元分析。并采用玄武巖纖維作為增強材料，探究其不同摻量時對EPS輕骨料混凝土力學性能的影響規(guī)律。

2 試驗

2.1 混凝土配合比

本試驗制作了4組試件，分別對應(yīng)BF摻量為0%，0.2%，0.4%，0.6%的EPS泡沫混凝土。混凝土干表觀密度為600 kg/m3，采用平均粒徑為5 mm的EPS顆粒如圖1（a）所示，物理性能見表1。水泥采用吉林亞泰水泥有限公司生產(chǎn)的PO 42.5級普通硅酸鹽水泥，物理性能見表2。發(fā)泡劑采用山東濟南戈麥斯化工（CHINA）有限公司生產(chǎn)的，性能指標見表3。玄武巖纖維采用長度為6 mm的短切玄武巖纖維，如圖1（b）所示。泡沫采用物理發(fā)泡的方法制成，即先用物理發(fā)泡劑與水按1：50稀釋，然后通過發(fā)泡機加壓制成，發(fā)泡劑的性能見表4。試驗所需混凝土配合比（每立方米混凝土所需材料的質(zhì)量）見表5，混凝土制備流程如圖2所示。

2.2 實驗裝置及加載方案

試驗設(shè)備為微機控制電液伺服壓力試驗機YAR-1000，如圖3所示，按照相關(guān)規(guī)范[10]，立方體受壓以0.5 MPa/min的速度緩慢加載，當試塊突然出現(xiàn)破壞時迅速關(guān)閉試驗機油門，并進行回油操作。

2.3 試驗現(xiàn)象

棱柱體試塊的破壞模式如圖4所示，加載初期，試件無明顯裂縫產(chǎn)生，隨著荷載增加，試件頂部開始出現(xiàn)裂縫并向下擴展，當加載接近峰值荷載時，試件頂部開始被壓垮，豎向裂縫不斷發(fā)展且裂縫寬度逐漸增加。繼續(xù)加載，試件最終以裂縫變寬和貫通而破壞。混凝土棱柱體養(yǎng)護28 d后的抗壓強度和應(yīng)變曲線如圖5～圖6所示。

3 有限元模擬

3.1 本構(gòu)關(guān)系

目前對于EPS泡沫混凝土的研究大多集中于配合比，強度等力學性能方面，對于應(yīng)力-應(yīng)變性能的研究較少，本文用的是清華大學崔成臣[11]提出的本構(gòu)方程：

上升段：

下降段：

式（1）～式（2）中：為EPS泡沫混凝土峰值強度，即軸心抗壓強度，N/mm2；為該時間點的應(yīng)變值，N/mm2；為最大應(yīng)變值，N/mm2；為該時間點的應(yīng)力值，N/mm2；參數(shù)a，b，c，d的計算公式為：

式（3）～式（6）中：a，b，c，d為與干密度相關(guān)的參數(shù)。

同時，構(gòu)件中型鋼鋼框架的本構(gòu)采用的是ABAQUS中自帶的彈塑性強化模型，質(zhì)量密度取7 850 kg/m3，彈性模量取200 MPa，泊松比取0.3。

3.2 模型建立

模型主體由鋼框架和混凝土構(gòu)成，其中鋼框架位于混凝土下方，并在內(nèi)部布置雙重雙向鋼絲網(wǎng)，其尺寸為2 900 mm×625 mm。此外，在模型中還填充了兩塊苯板，其尺寸為1 220 mm×480 mm×140 mm?；炷僚c鋼框架使用C3D8R八節(jié)點六面體減縮積分單元進行連接，而鋼筋則采用T3D2節(jié)點空間桁架單元進行建模。試件整體尺寸為2 990 mm×725 mm×280 mm，而鋼筋單元長為2 900 mm。不考慮混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)滑移時，模型外觀構(gòu)造如圖7所示。

本文所有加載方式均采用位移加載。分析步使用靜態(tài)分析步，設(shè)置一個名為step-1的分析步，且僅允許試件梁產(chǎn)生向下的位移，即x軸，z軸方向上的平移和三軸方向上的轉(zhuǎn)動為零，也即U1=U3=UR1=UR2=UR3=0。根據(jù)研究結(jié)果，混凝土單元網(wǎng)格劃分采用25 mm，而型鋼單元網(wǎng)格則采用20 mm，如圖8所示。

4 有限元模擬結(jié)果與分析

4.1 力-位移曲線

本文模擬了玄武巖纖維摻量為0%，0.2%，0.4%，0.6%時的四種工況，模擬試驗結(jié)果如圖9所示。

由圖9可明顯看出摻入玄武巖纖維后，構(gòu)件承載力得到了提高，在玄武巖纖維摻量為0.2%時，提升效果最為顯著，約為20%。然而，當玄武巖纖維摻量為0.4%時，承載力高于0.6%時的承載力。同時，當玄武巖纖維摻量為0.6%時，承載力幾乎沒有提升，且構(gòu)件的延性下降，說明0.6%已經(jīng)是過量的摻量，對構(gòu)件承載力的影響是負向的。

4.2 應(yīng)變云圖

圖10～圖17展示了型鋼EPS泡沫混凝土預(yù)制外掛墻板在玄武巖纖維摻量為0%，0.2%，0.4%，0.6%時混凝土和鋼筋的Mises應(yīng)力云圖，圖18則展示了外掛墻板的DAMAGT受拉損傷云圖。張遠等[12]，李雅漠[13]試驗結(jié)果表明，夾心保溫墻板在受力時，首先在材料分層處產(chǎn)生橫向裂縫，構(gòu)件進入彈塑性階段后，橫向裂縫開始快速發(fā)展，同時構(gòu)件純彎段有豎向裂縫產(chǎn)生并發(fā)展。達到極限荷載時，頂部混凝土被壓碎，橫向裂縫幾乎貫穿構(gòu)件，導致構(gòu)件分層和破壞。從應(yīng)力云圖可看出鋼絲網(wǎng)與鋼框架之間的變形協(xié)調(diào)，鋼框架與混凝土之間的撓度變形也基本一致，說明冷彎C型鋼與EPS泡沫混凝土之間的黏結(jié)強度較高，兩者可以協(xié)同受力，提升構(gòu)件的承載力。

由圖18可知，支座處的混凝土與鋼框架分層點均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，該位置在荷載作用下先進入塑性，隨著荷載的增加，墻板跨中出現(xiàn)豎向塑性區(qū)域，繼續(xù)加載時跨中出現(xiàn)水平塑性區(qū)域，加載接近屈服荷載時，分層面的水平塑性區(qū)域連貫，分層面處的橫向裂縫不斷發(fā)展，混凝土與鋼框架之間的黏結(jié)力下降，加載接近極限荷載時，混凝土頂面被壓碎，混凝土與鋼框架之間無法協(xié)同工作，承載力大幅下降，構(gòu)件被破壞。此過程與實際試驗時構(gòu)件發(fā)生的破壞模式類似，說明有限元模擬合理可靠。

5 結(jié)論

通過有限元軟件對不同玄武巖纖維摻量下的型鋼EPS泡沫混凝土預(yù)制外掛墻板進行力學性能分析，得出以下結(jié)論。

1） 摻入玄武巖纖維后，預(yù)制墻板的極限承載力有所提升，在玄武巖纖維摻量為0.2%時，為最佳摻量，對極限承載力的提升較為明顯，提升幅度約為20%。玄武巖纖維摻量過高時，預(yù)制墻板的極限承載力提升效果不明顯，玄武巖纖維摻量為0.4%時的承載力已經(jīng)高于摻量為0.6%時的承載力。在摻量為0.6%時，幾乎沒有提升，并且預(yù)制墻板的延性有所下降。

2） 冷彎薄壁C型鋼與EPS泡沫混凝土之間的黏結(jié)強度較高，兩者可以協(xié)同受力，提高構(gòu)件承載力。

3） 摻入玄武巖纖維并不改變構(gòu)件的破壞模式，預(yù)制墻板的破壞模式為分層面優(yōu)先出現(xiàn)橫向裂縫，并隨著荷載增加，逐漸貫穿分層面，使得兩者無法協(xié)同工作，導致構(gòu)件承載力大幅下降，構(gòu)件破壞，與普通夾心墻板的破壞模式類似。

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