(广州市电力工程设计院有限公司 510220)
摘要：为研究新型有机复合材料混凝土薄板的破坏机制，采用有限元方法对薄板开展一系列的数值分析。基于非弹性力学分析，提出考虑细长板跨中塑性铰作用产生附加力矩过程计算方法，研究不同长细比以及初始偏心距以及配筋率对承载力以及挠度的影响。研究结果表明：在受力过程中，裂缝开裂由跨中向两边衰减，考虑P-Delta效应预测压弯轴力的计算误差在24%以内，跨中挠度的计算误差在30%以内。
关键词：装配式墙板；复合材料混凝土；新型材料；数值模拟；
0引言
常规水泥在制作过程中排放出占全球7%的二氧化碳，仅次于铝金属和钢材的制作。随着我国经济的高速发展，环境问题日趋严重，为响应南网3C绿化电网建设的号召，本文研究的对象为新型有机复合材料混凝土装配式预制墙板。它采用高比例容量的粉煤灰或火山灰替换水泥，充分利用电厂烧煤过程中产生的副产品，变废为宝。关于新型复合材料混凝土薄板压弯破坏机理，国内外仅有少量文献记载。部分学者通过试验结果演算出经验或半经验公式，但所有经验公式中并未考虑偏心以及材料非线性的影响。薄板在偏心受压的作用下，其极限承载力受初始偏心距以及长细比的影响很大。本文考虑P-Delta效应，并利用SAP2000大型通用有限元软件对薄板进行有限元建模及计算对比分析，提出薄板承载力以及挠度新的计算方法，研究初始偏心距以及长细比对细长板的破坏过程的影响，为预测薄板压弯下轴力最大值提供新的思路。
1有机复合混凝土试样模型构建
针对有机复合混凝土的配合比，目前许多学者已开展过相关方面的研究，研究表明在60℃的熔炉里进行养护一小时的有机复合混凝土强度增长很快，28天后强度可达到33MPa，该强度可与常规混凝土比拟。考虑高温养护的方式对现场浇筑混凝土受限制，本文研究用1:1的粉煤灰和炉渣进行混合并添加硅酸钠作为催化剂，使得即使在室温养护，28天后的混凝土强度可达到45~58 MPa。
为研究化学成分含量以及颗粒大小分布对有机混合物的变形破坏规律的影响，根据X射线荧光分析，二氧化硅在粉煤灰中占的比例（51.88%）最高，而氧化钙仅占4.35%。在粉煤灰和炉渣中的化学成分详见表1。图1和图2分别为粉煤灰和高炉矿渣的颗粒大小分布直方图。从图中可知粉煤灰中的小颗粒容量比高炉煤渣要高。10%的粉煤灰是小于1μm，而高炉煤渣中仅有2.5%的颗粒小于1μm。
表1 在粉煤灰以及高炉矿渣中的化学成分比例
图2高炉矿渣颗粒尺寸分布直方图
1:1的粉煤灰以及高炉矿渣提前与粗骨料和细骨料按照一定的配合比跟进行混合，然后添加硅酸钠以及水进行长达15分钟的搅拌，让硅酸钠充分溶解发生水化热反应形成混凝土试样，其最终的配合比详见表2。
表2 有机复合材料混凝土配合比
2塑性绞理论
2.1 基本假设
1）薄板在跨中受力时出现想对面的纤维屈服但未破坏，形成塑性绞；
2）在极限弯矩值保持不变的情况下，两个无限靠近的相邻截面产生有限的相对转角；
3）塑性绞在长度范围内产生相同的转角。
2.2 弯矩放大系数方程式
装配式墙板在偏心压力作用下产生弯曲变形，特别对于细长薄板，随着偏心距e的增加其变形产生的附加弯矩越大。为了计算其附加弯矩，假设简图3中跨中形成一个塑性绞，在偏心轴力的作用下，产生挠度△，因此附加弯矩为P•△。当挠度△足够小时，可得：
θ=4△/L (1)
图3细长板中塑性铰简图
按照线性材料特性，塑性铰的内部弯矩为：
Mi = qθ (2)
根据力学平衡原理，可得：
(3)
假设极限轴力为Pu = 4q/L，可得：
(4)
因此弯矩放大系数为：
(5)
2.3 挠度计算方程式
由于裂缝的产生，刚度沿墙板高度方向变化，因此挠度计算公式考虑上中下三个截面对挠度的影响，计算公式如下：
(6)
2.4 有机复合材料混凝土的性能
根据大量的测试结果表明有机复合材料混凝土的弹性模量比常规混凝土要小，具体公式如下：
（k=0.716） (7)
3 对比分析
3.1 图形模拟分析法
通过轴力-弯矩承载力曲线（P-M曲线）确定墙板的极限承载力。调整在初设偏心距作用下附加弯矩曲线，以裂缝引起的形状变化。用试验数据演示该方法在设计中的应用，结果表明，该方法适用于确定细长板偏心轴力作用下的极限承载力。详细计算步骤如下：
1．找出给定截面尺寸、配筋和材料强度的偏压构件达到承载力极限状态时所承担的4组Mu、Nu组合关系，并得出P-M关系图（图4），A、D点分别代表构件纯弯曲时的承载力Mu0和构件纯轴力的Nmax；C点则为大小偏心的分界点。
2．画出OX直线与曲线相交，斜率为1/e；
3．通过弯矩放大系数画出OY曲线；
4．得到交点Y(M1, N1)，N1 为墙板的极限承载力。
图4 P-M曲线图
如表3所示，本文在上述图表模型的基础上，同对设计参数的影响进行试验结果分析。本次选取墙板的3个设计参数，分别为长细比系数、初始偏心距e以及配筋率ρv。模型数值结果与试验结果对比系数在0.85~1.24之间。同时通过图5展示了ST1~ST4墙板的P-M曲线图以及试验结果数值的关系图，结果表明该图形模拟分析法为设计计算提供了依据，同时简化了计算。
表3 墙板极限承载力实测值与模型数值的对比表
图5 ST1~ST4墙板P-M曲线图
3.2 挠度模拟结果分析
利用SAP2000有限元方法模拟墙板偏心受压破坏过程，跨中最大水平位移如图6，由于墙板上下对称，仅表示跨中截面以及下端截面的计算结果。本文采用有效刚度计算法，考虑细长板在跨中产生裂缝对刚度的影响，跨中刚度考虑折减系数EcΙg/2.5，而上下端截面不考虑刚度折减，详见公式6。根据试验结果可知，采用有效刚度计算法计算出来的挠度与实测结果非常吻合，详见表4。
表4 墙板跨中挠度实测值与有效刚度计算法挠度对比表
图6 ST1板的计算挠度值（SAP2000计算结果）
4 结论与建议
1）采用弯矩放大系数法，通过偏心受压构件承载力P-M的相关曲线图，能预测墙板的极限承载轴力，压弯轴力计算误差在24%以内，为设计计算提供了依据，同时简化了计算；
2）根据SAP2000有限元模拟结果可知，计算结果跨中挠度的计算误差在30%以内，有效刚度计算法结果满足设计要求，为设计人员提供参考依据；
3）新型有机复合材料墙板破坏机制与常规混凝土墙板相似。本文提供详细化学成分比例以及配合比，填补对新型复合材料混凝土研究数据的空白。
参考文献:
ELMETWALLY, S. E., ASHOUR, A. F. & CHEN, W. F. 1990. INSTABILITY ANALYSIS OF ECCENTRICALLY LOADED CONCRETE WALLS. Journal of Structural Engineering-Asce, 116, 2862-2881.
GANESAN, N., INDIRA, P. V. & SANTHAKUMAR, A. 2013. Prediction of ultimate strength of reinforced geopolymer concrete wall panels in one-way action. Construction and Building Materials, 48, 91-97.
MACGREGOR, J. G. & BREEN, J. E. Design of slender concrete columns. ACI Journal Proceedings, 1970. ACI.
PILLAI, S. U. & PARTHASARATHY, C. V. 1977. ULTIMATE STRENGTH AND DESIGN OF CONCRETE WALLS. Building and Environment, 12, 25-29.
论文作者:黄剑慧
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/11
标签：挠度论文; 弯矩论文; 偏心论文; 混凝土论文; 承载力论文; 墙板论文; 薄板论文; 《电力设备》2018年第30期论文;