蒸压加气混凝土墙板结构性能的试验与有限元理论研究(下)

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蒸压加气混凝土墙板结构性能的试验与有限元理论研究

曲秀姝，陈志华，孙

(天津大学建筑工程学院)

3 有限元模拟研究

3.1单元选取与参数设置

采用Ansys有限元软件，建立蒸压加气混凝土的有限元模型，钢筋采用Link8单元，蒸压加气混凝土采用Solid65单元，蒸压加气混凝土的弹性模量为2300MPa，密度为510kg／m³，抗压强度为3.5MPa，抗拉强度为0.31MPa，泊松比为0.2，考虑材料非线性，选取Concrete材料模型来模拟蒸压加气混凝土。

3.2有限元结果分析

有限元加载采用在模型顶面施加节点面荷载，并采用单调加载方式，当计算终止时，作用在蒸压加气混凝土上的荷载(将顶面节点的面荷载转换为集中荷载)即为该板的破坏荷载。有限元计算所得最终破坏荷载为11.897kN，最终破坏时，板底竖向挠度为47.624mm，变形如图6所示。

从有限元计算结果中可以提取钢筋应力，弥补了试验研究时因板材高温制作而无法在生产过程中在钢筋上贴应变片的不足。破坏时，受拉区钢筋的最大拉应力为210MPa，受压区钢筋最大压应力为139MPa，具体钢筋轴力如图7所示。

由此可见，钢筋的材料强度得到了较大利用，将荷载与对应板材跨中挠度的有限元模拟结果与试验结果对比(如图8所示)可得：有限元数值计算结果与试验结果基本吻合，从而验证了有限元模型的正确性。

3.3 蒸压加气混凝土墙板承载力可靠系数计算

文献[8]中总结了Fangopol和Curley提出的4种结构冗余度，并将其第2种应用于单块蒸压加气混凝土板的承载力可靠性能评估。定义设计板材的承载力可靠系数为k，具体计算公式为：

式中：F_intact为板材破坏的极限强度荷载；F_nominal-为板材的名义承受荷载。参照试验所得结果，由式(3)可计算得到1#，2#，3#，4#板的承载力可靠系数分别为1.985，1.927，2.028，1.932，平均值为1.968。参考有限元计算结果，得到设计板材的承载力可靠系数的计算值为1.911。因此，设计配筋形式的蒸压加气混凝土墙板其强度可以满足设计要求，且具有较大的安全储备。

本文设计的配筋加气混凝土板的结构性能满足规程要求，其设计方法以及有限元模拟研究均可以用来指导日后的蒸压加气混凝土板的配筋设计工作。日前，由于安装造价等因素影响，蒸压加气混凝土板材主要应用于大型工业厂房的墙板工程中。为了进一步扩大应用，使其在工程中能更广泛地作为屋面板或者与其他材料结合形成组合楼板，有必要对其从材料及受力性能方面进一步研究。

4 结论

(1)设计配筋的蒸压加气混凝土墙板在短期挠度检验、出厂阶段检验、承载能力检验3方面均满足相关规程的要求，其破坏模式为以弯曲为主的弯剪破坏。

(2)运用Ansys有限元软件提出了一种有限元数值模型，并从有限元结果中提取钢筋轴力，可指导实际设计中钢筋直径及钢筋强度等级的选取，并弥补试验研究时因板材高温制作而无法在生产过程中在钢筋上贴应变片的不足。

(3)首次将结构冗余度的概念应用于单块蒸压加气混凝土墙板的可靠性能评估中。计算所得设计燕压加气混凝土墙板的承载力可靠系数的试验平均值和数值计算值分别为1.968和1.911。

——摘自《建筑材料学报》2012年——