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轻钢框架-加气混凝土砌块组合墙体的抗侧性能影响因素分析

日期:2018-07-16 / 文章来源:

轻钢框架-加气混凝土砌块组合墙体的抗侧性能影响因素分析


1 轻钢框架的方钢管壁厚对组合墙体的抗侧性能的影响

(1)轻钢框架材料参数定义

本小节是通过改变组成轻钢框架梁和柱的方钢管的壁厚来探究其对组合墙体的抗侧性能的影响。在有限元模型中将组成轻钢框架的方钢管的壁厚同时改为0.8mm,1.0mm,1.2mm 和 1.5mm,钢材的本构关系按照本文第二章表 2-2、2-3、2-4、2-5 的不同厚度方钢管的材性试验得到的本构参数,在材料属性和截面属性中分别更改轻钢框架的弹性模量和弹塑性参数及厚度值,在本小节中将进行对比的模型编号如下表:

表 组合墙体的轻钢框架参数定义

模型名称 Steel0.8 Steel1.0 Steel1.2 Steel1.5
梁的厚度 0.8 1 1.2 1.5
柱的厚度 0.8 1 1.2 1.5
蒸压加气混凝土强度等级 JQ3.0 JQ3.0 JQ3.0 JQ3.0
发泡混凝土强度等级 C3.0 C3.0 C3.0 C3.0


(2)有限元分析结果

通过有限元分析计算得到 Steel0.8、Steel1.0、Steel1.2、Steel1.5 的抗侧承载力和水平位移值如表 4-2 所示,水平荷载-水平位移曲线如图 4-1 所示。

表 4-2 抗侧极限承载力与水平位移值




根据表 中的水平位移值分析,格构式轻钢框架的框架梁和框架柱的方钢管壁厚为 1.5mm 时比壁厚为 0.8mm 的轻钢框架的水平位移值要小 1.8mm,因而轻钢框架的方钢管厚度的增大能一定程度降低轻钢框架的水平位移。从极限荷载来看,轻钢框架的方钢管壁厚对侧向极限荷载的作用不明显。从极限荷载与水平位比值来看,轻钢框架方钢管的壁厚为 1.5mm 时的比值要比轻钢框架方钢管壁厚为1.2mm 时有接近 10%的提高,因此增大轻钢框架的方钢管壁厚能够明显提高组合墙体的抗侧刚度,但对侧向承载力和水平位移的作用并不明显。


2 蒸压加气混凝土砌块和发泡混凝土强度等级对组合墙体抗侧性能的影响


(1)蒸压加气混凝土和发泡混凝土强度等级的定义

根据实验的做法,蒸压加气混凝土砌块和发泡混凝土之间的粘结是非常紧密的因而将发泡混凝土和砌块作为一个整体考虑,从组合墙体的受力角度来看,发泡混凝土与蒸压加气混凝土砌块给组合墙体提供了很大的刚度,尤其是在组合墙体没有产生裂缝之前。因此本小节同时更改发泡混凝土和蒸压加气混凝土的强度等级,探讨当蒸压加气混凝土砌块和发泡混凝土等级同时为 1.0MPa、2.0MPa 和3.0MPa 时不同强度等级对组合墙体抗侧承载力性能的影响,发泡混凝土强度等级参考第二章中的 FP1.0、FP2.0 和 FP3.0 的应力应变关系,蒸压加气混凝土强度等级参考第二章中的 JQ1.0、JQ2.0 和 JQ3.0 的应力应变关系,组合墙体有限元模型的不同混凝土强度等级参数定义见表 4-3,其中 B3C3 模型为试验的组合墙体。


(2)有限元分析结果

通过有限元分析计算得到 B1C1、B2C2、B3C3 的抗侧承载力和水平位移值如 B3C3 的抗侧极限承载力和水平位移是 B1C1 的 3 倍,因而提高发泡混凝土和蒸压加气混凝土砌块的强度等级能显著提高组合墙体的侧向极限承载力,水平位移值也相应增大。从表  中极限承载力与水平位移的比值,可以看出改变发泡混凝土和蒸压加气混凝土的强度等级对组合墙体的侧向刚度的影响不大。

从图  中可以看出,蒸压加气混凝土和发泡混凝土的强度等级在侧向荷载为20KN 以前对组合墙体的刚度是有影响的,表现为强度等级越高,组合墙体的刚度越大;同时蒸压加气混凝土和发泡混凝土的强度等级的提高能显著地提高组合墙体的侧向极限荷载和水平位移值。

3 砂浆强度等级对组合墙体抗侧性能的影响

(1)砂浆强度等级的定义

砂浆与蒸压加气混凝土砌块粘结起来组成砌体,因而砌体结构的强度是由砂浆与蒸压加气混凝土的强度一起决定的,需要探究砂浆对轻钢框架-蒸压加气混凝土砌块组合墙体的抗侧承载力和侧向变形的影响。本小节通过改变组合墙体有限元模型中砂浆 cohesive 中的能量参数来表现不同等级的砂浆对组合墙体的抗侧性能的影响,组合墙体中各材料的参数定义如表 ,砂浆的强度等级是按照常用的等级选取:

从表  中的水平位移值最大和最小值相差不超过 1mm,M1.0、M2.5、M5.0、M7.5 的位移值与 M10 的位移值的比值最大与最小值相差 15%,但规律不明显,因而砂浆的强度等级对组合墙体的侧向位移值有一定程度的影响;表 中的最大极限荷载值可以看出,最大侧向极限承载力与最小侧向极限承载力高出 24KN,其中荷载比值最大值与最小值之间相差 20%,总体趋势表现为砂浆强度等级越大,组合墙体的抗侧极限承载力越大。从极限荷载与水平位移值的比值来看,最大值和最小值的差值为 1.5,因此砂浆的强度等级对组合墙体的抗侧刚度影响不大。

从图 3 中的曲线可以看出,在 60KN 以前组合墙体的刚度一样,原因是砂浆未开裂,随着水平荷载的逐渐增大,砂浆逐渐开裂使得组合墙体的侧向刚度降低,对组合墙体的侧向承载力的作用总体表现为砂浆强度低的组合墙体的侧向极限承载力低于砂浆强度高的组合墙体。

4 本章小结


本节通过修改轻钢框架-蒸压加气混凝土砌块组合墙体的轻钢框架的方钢管壁厚、蒸压加气混凝土的强度等级、发泡混凝土的强度等级以及砂浆的强度等级这四种材料参数,对有限元模型计算出的侧向极限承载力大小、侧向位移值、承载力与侧向位移值的比值进行分析,深入探讨了这四种材料对组合墙体的侧向极限承载力、水平方向变形能力和侧向刚度的影响,并得到了以下结论:

(1)组成轻钢框架的方钢管的壁厚对轻钢框架-蒸压加气混凝土砌块组合墙体的侧向刚度影响较大,随着轻钢框架方钢管壁厚的增加组合墙体的侧向刚度也随之增大;轻钢框架方钢管厚度的增大能一定程度降低轻钢框架的水平位移;从极限荷载来看,轻钢框架的方钢管壁厚对侧向极限荷载的作用不明显。


(2)提高发泡混凝土和蒸压加气混凝土的强度等级能显著提高组合墙体的侧向极限承载力,水平位移值也相应增大;改变发泡混凝土和蒸压加气混凝土的强度等级对组合墙体的侧向刚度的影响不大。


(3)砂浆强度等级越大,组合墙体的抗侧极限承载力越大;砂浆的强度等级对组合墙体的抗侧刚度影响不大。


本文结论


本文简要地介绍了轻钢龙骨体系的优势和国内外的研究进展和现状,也提出了轻钢龙骨体系本身存在的问题,为了克服这些问题,本文提出了轻钢框架-砌体组合墙体这种新型的墙体,并对这种墙体进行了 1:1 足尺试验研究和 ABAQUS 有限元建模分析。本文侧重于通过 ABAQUS 软件对轻钢框架-蒸压加气混凝土砌块组合墙体的抗侧力性能的建模计算分析,并在材性试验和相关文献的基础上,修改轻钢框架的厚度和发泡混凝土和蒸压加气混凝土砌块的强度等级,探讨它们分别对组合墙体的侧向承载能力和抗侧刚度的影响。

本文通过分析也得出了以下结论,可作为设计或进一步理论研究的参考:

(1)轻钢框架-砌块组合墙体的抗侧力刚度和极限承载力都远远高于普通的轻钢框架。轻钢框架-砌块组合墙体的侧向极限承载力能够达到 117KN,水平位移为5mm,而普通钢框架只能达到 12KN,水平位移为 175mm。

(2)轻钢框架的变形为剪切变形,轻钢框架-砌块组合墙体变形为弯曲变形,组合墙体的裂缝常常发生在混凝土的受拉区。

(3)提高蒸压加气混凝土和发泡混凝土的强度等级能够显著提高轻钢框架-组合墙体的侧向承载力,对组合墙体的抗侧刚度的提高不明显。B3C3 相对于 B1C1的侧向承载力和位移均提高了 3 倍左右。

(4)增大轻钢框架的厚度能够明显地提高轻钢框架-砌块组合墙体的抗侧刚度和减小侧向位移,而对轻钢框架的侧向极限承载力和位移影响不明显。Steel1.5 的侧向极限承载力与水平位移的比值为 29%,相比于 Steel 的侧向极限承载力与水平位移比值 19%提高了 10%。


2 展望

本文通过对轻钢框架-蒸压加气混凝土组合墙体进行了有限元建模分析,但由于模型本身涉及四种材料即冷弯薄壁型钢、蒸压加气混凝土砌块、发泡混凝土和砂浆,加之砂浆与砌块之间的作用,发泡混凝土与轻钢框架之间的作用及砌体与框架之间的相互作用均不一样,模拟起来比较困难,时间显得相对紧迫,加之作者有限的学术水平,有关轻钢框架-砌块组合墙体这种新型的墙体的相关研究需要进一步加深并且完善:

(1)本次试验虽然完成了轻钢框架和轻钢框架-砌体组合墙体的抗侧力试验,但每种墙体只有一个试件,因而试验数据不够充分,无法验证有限元的正确性,因此需要补充试验对有限元模型进行修正。

(2)本文的材料本构关系基于本构试验的结果,但由于条件的限制,只完成了蒸压加气混凝土砌块、砂浆、发泡混凝土的轴心抗压试验、弹性模量试验,得到了受压极限应力、和弹性模量,缺少极限压应变,以及这三类试件在受拉时的极限拉应力、极限拉应变。这些材料的本构关系对组合墙体的抗侧力性能影响很大,因此需要进一步补充相关试验得到建立复合实际的本构关系数据。

(3)由于新型墙体用到了蒸压加气混凝土砌块、发泡混凝土这些新型材料,目前对这些材料的本构关系的研究相对较少,尤其是受拉时的应力应变关系,因此蒸压加气混凝土砌块、发泡混凝土和砂浆的本构关系有待进一步研究。

(4)本文中将砂浆用 cohesive 单元模拟,这种牵引-分离模型并不能得出砌体在受到水平荷载时裂缝的发展过程,需要进一步研究出能模拟砌体中裂缝发展的模型。

(6)本文只对组合墙体进行了单侧水平加载,有必要对墙体进行水平方向低周往复加载的相关研究,这样更接近墙体的实际工作状态。

(7)组合墙体作为竖向受力构件会受到来自楼面梁的荷载,因此需要考虑上部建筑对墙体产生的竖向压力对墙体抗侧极限承载力的影响。