史博元，麻鵬飛，程寶軍，高育欣，康升榮

（中建西部建設(shè)建材科學(xué)研究院有限公司，四川成都 610064）

0 前 言

近些年，隨著建筑節(jié)能要求的提高，綠色建筑材料的應(yīng)用日益得到社會(huì)各界的重視[1]。隨著建筑工業(yè)化的發(fā)展，各國(guó)都把建筑部件工廠化預(yù)制和裝配化施工作為建筑現(xiàn)代化和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要標(biāo)志[2]。從發(fā)展歷程來(lái)看，建筑品質(zhì)和性能的提升，均是先對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，從燒結(jié)磚、砌塊等小塊材料向預(yù)制墻板大塊墻材轉(zhuǎn)變，預(yù)制墻板向復(fù)合墻板方向轉(zhuǎn)變[3]。

與其他材料相比，混凝土外圍護(hù)墻板具有整體性好、穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、耐疲勞、耐沖擊振動(dòng)、不容易產(chǎn)生裂縫等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)外高層工業(yè)化住宅采用最多的外圍護(hù)體系[4]。但現(xiàn)有建筑外圍護(hù)墻板普遍存在面密度大、保溫層易脫落、維護(hù)成本高等問(wèn)題。本研究受到速成墻板[5]（見(jiàn)圖1）的啟發(fā)，將原建筑石膏、無(wú)堿玻璃纖維等建筑材料替換為高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料是以水泥漿或砂漿為基體，以纖維為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料[6]。與普通混凝土材料相比，高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料具有高延性、高耐久、裂縫寬度小且裂縫能夠自愈合等特點(diǎn)[7]。故由高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料設(shè)計(jì)的大空腔外墻板殼體具有良好的力學(xué)性能。在其空腔中填充泡沫混凝土等功能芯體材料，可設(shè)計(jì)出集受力、保溫、隔聲、防護(hù)等功能為一體的新型外圍護(hù)復(fù)合墻板（見(jiàn)圖2）。與現(xiàn)有混凝土墻板相對(duì)比，這種墻板具有面密度小、施工難度小、保溫層耐久度好、維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)。

圖1 空心標(biāo)準(zhǔn)速成墻板

圖2 新型外圍護(hù)復(fù)合墻板構(gòu)造示意

本文針對(duì)纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料大空腔外墻板的殼體材料與構(gòu)造進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，驗(yàn)證其工程受力的可靠性。

1 墻板殼體材料力學(xué)性能試驗(yàn)

參照J(rèn)C/T 2461—2018《高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行了高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、軸向拉伸強(qiáng)度以及抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)。殼體基材配比（kg/m3）為m（P·O42.5 水泥）∶m（鋁酸鹽水泥）∶m（粉煤灰）∶m（硅灰）∶m（PVA 纖維）∶m（外加劑）∶m（水）=541∶33∶541∶40∶26∶7.5∶281，水膠比為0.21。

立方體抗壓強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，結(jié)果為75.0 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 和100 mm×100 mm×300 mm，結(jié)果分別為78.5、78.9 MPa；軸向抗拉強(qiáng)度結(jié)果為6.0 MPa；抗折強(qiáng)度試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，結(jié)果為20.0 MPa。

2 墻板殼體材料力學(xué)性能試驗(yàn)?zāi)M

為了對(duì)纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料設(shè)計(jì)的墻板受力進(jìn)行精確模擬，依據(jù)數(shù)字孿生理念，應(yīng)用ANSYS 有限元模擬對(duì)以上抗壓與抗折力學(xué)性能試驗(yàn)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。運(yùn)用ANSYS 建立模型，如圖3 所示。

圖3 ANSYS 受壓模型

根據(jù)試驗(yàn)、相關(guān)文獻(xiàn)[8-9]以及ANSYS HELP 文件，基本材料參數(shù)：SOLID65 單元類型，彈性模量13 585 MPa，泊松比0.25，密度2000 kg/m3，不關(guān)閉壓碎，miso 本構(gòu)模型，拉應(yīng)力釋放系數(shù)為1。

在基本參數(shù)外，與破壞準(zhǔn)則相關(guān)的特有關(guān)鍵常數(shù)[10-11]：C1——張開(kāi)裂縫剪力傳遞系數(shù)βt；C2——閉合裂縫傳遞系數(shù)βc；C3——單軸抗拉強(qiáng)度f(wàn)t；C4——單軸抗壓強(qiáng)度f(wàn)c。

C1、C2取值范圍為0～1，0 代表光滑裂縫，裂縫面間完全喪失剪力傳遞能力；1 代表粗糙裂縫，裂縫面間由于互相嚙合而完全保留剪力傳遞能力。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，C1取值0.35～0.4，C2取值0.9～1.0 較為合適。本文假定材料的初始缺陷均勻分布，通過(guò)對(duì)第1 節(jié)試驗(yàn)內(nèi)容的數(shù)值復(fù)現(xiàn)，對(duì)比破壞應(yīng)力與裂縫分布找到合適的數(shù)值。

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)值模擬

破壞裂縫效果如圖4 所示。

圖4 各尺寸試件的裂縫分布

數(shù)值模擬的裂縫分布屬于典型的受壓破壞斜裂縫。且裂縫從受壓端四周開(kāi)始向中央擴(kuò)展的規(guī)律與實(shí)際相同。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整參數(shù)的模擬驗(yàn)證得出：C1、C2參數(shù)對(duì)受壓破壞荷載影響不大；C3增大受壓破壞荷載稍微減小；受壓破壞荷載大小主要取決于C4的數(shù)值。C4值取120 MPa，模擬得到的立方體抗壓強(qiáng)度為78.0 MPa，150 mm×150 mm×150 mm、100 mm×100 mm×300 mm 尺寸的軸心抗壓強(qiáng)度分別為76.8、74.2 MPa，實(shí)際偏差小于6.3%，則此C4值較為合理。

2.2 軸向拉伸試驗(yàn)數(shù)值模擬

運(yùn)用ANSYS 建立模型如圖5 所示，破壞裂縫效果如圖6所示，拉應(yīng)力分布如圖7 所示。

圖5 ANSYS 受拉模型

圖6 受拉模型裂縫分布

圖7 模型拉應(yīng)力分布

C1、C2參數(shù)對(duì)受拉破壞荷載幾乎沒(méi)有影響；在C4取值固定為120 MPa 的情況下，C3取值20 MPa，則宏觀軸拉破壞應(yīng)力模擬值為7.9 MPa，與試驗(yàn)結(jié)果6.0 MPa 相比略有提升，兩者偏差31.7%，考慮到實(shí)際抗拉試驗(yàn)中夾具不可避免產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，降低構(gòu)件抗拉能力，這樣的模擬結(jié)果可以接受。

2.3 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)值模擬

抗折試驗(yàn)受力簡(jiǎn)圖如圖8 所示，運(yùn)用ANSYS 建立模型如圖9 所示，破壞裂縫效果如圖10 所示，拉應(yīng)力分布如圖11 所示。

圖8 抗折試驗(yàn)受力簡(jiǎn)圖

圖9 ANSYS 抗折模型

圖10 ANSYS 抗折模型裂縫分布

圖11 模型拉應(yīng)力分布

C1、C2參數(shù)對(duì)抗折破壞荷載大小幾乎沒(méi)有影響；在C4取值固定為120 MPa 的情況下，C3取值20 MPa，則宏觀軸拉破壞應(yīng)力模擬值為15.4 MPa，與試驗(yàn)中結(jié)果20.0 MPa 相比略有差距，則C3取值20 MPa 較為保守，偏差30%，考慮到初始缺陷分布的不均勻性，該偏差可以接受。

根據(jù)以上材料力學(xué)試驗(yàn)的模擬，C1取值0.375，C2取值0.95，C3取值20 MPa，C4取值120 MPa，可以較好地模擬墻板殼體材料的受力情況。

3 墻板構(gòu)造設(shè)計(jì)性能模擬

本文運(yùn)用高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料開(kāi)發(fā)了大空腔墻板構(gòu)造，填充功能芯體，達(dá)到了集受力、防水、保溫等性能為一體的目的。本文應(yīng)用ANSYS 有限元模擬對(duì)不同構(gòu)造的大空腔墻板進(jìn)行受力模擬，以求得科學(xué)的墻板構(gòu)造。根據(jù)建筑設(shè)計(jì)中的常用尺寸，本文設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)板高度3000 mm，寬度600 mm。實(shí)際澆筑成型一種空腔個(gè)數(shù)為3，肋板厚度為10 mm 的墻板（如圖12 所示）。并參考GB/T 30100—2013《建筑墻板試驗(yàn)方法》進(jìn)行了均布彎載試驗(yàn)。

圖12 澆筑成型的墻板截面

將養(yǎng)護(hù)28 d 齡期的薄壁大空腔殼體置于簡(jiǎn)支支座上，兩端支座分別為固定鉸支座和滾動(dòng)鉸支座，兩端支座距離邊緣50 mm。并將薄壁大空腔殼體在長(zhǎng)度方向均分為5 個(gè)區(qū)域，采用均布加載的方式測(cè)試其極限抗彎荷載，結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 極限抗彎試驗(yàn)撓度隨荷載變化

極限加載荷載為2.389 kPa，自重110 kg，則墻板的均布破壞荷載為3.00 kPa。

依據(jù)這一試驗(yàn)結(jié)果對(duì)墻板進(jìn)行數(shù)值模擬，得到墻板成型材料的相關(guān)參數(shù)。墻板數(shù)值模型見(jiàn)圖13。

圖13 墻板的數(shù)值模型

對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行均布加載，在基本材料參數(shù)確定的情況下，對(duì)原有C1、C2、C3、C4數(shù)值進(jìn)行微調(diào)，使得數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)相吻合。經(jīng)過(guò)調(diào)整，C1取0.375，C2取0.95，C3取3.2 MPa，C4取120 MPa，可以較好地模擬墻板殼體材料的受力情況。墻板裂縫分布如圖14 所示，撓度為7 mm。墻板的C3與試塊的C3值差別非常大，這是因?yàn)椋海?）養(yǎng)護(hù)條件不同，強(qiáng)度不同；（2）在薄壁受彎結(jié)構(gòu)中，微裂縫受力擴(kuò)展后更容易使構(gòu)件破壞。

圖14 墻板裂縫分布

4 墻板構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)

墻板截面肋板寬與空腔數(shù)量構(gòu)造與墻板受力息息相關(guān)。分別設(shè)置1、2、3、4 個(gè)空腔，對(duì)翼緣、肋板厚度8、10、12、14 mm的不同墻板構(gòu)造進(jìn)行了模擬，將結(jié)果與GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進(jìn)行對(duì)比，從而選出較為合理的空腔數(shù)量與墻板厚度。數(shù)值模擬結(jié)果如表1、表2 所示，考慮集中荷載為撞擊荷載4.8 kN（約6 倍人體重），以及由于偶然組合效應(yīng)而產(chǎn)生的掛點(diǎn)反力2.181 kN；考慮要滿足我國(guó)大多數(shù)地區(qū)高層風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值要求（取值為2.09 kPa，基本風(fēng)壓0.5 kPa，對(duì)應(yīng)基本風(fēng)速28.28 m/s，10 級(jí)風(fēng)），最終確定墻板的寬600 mm、高100 mm，墻板中間留3 個(gè)空腔，肋板厚度10 mm 是科學(xué)合理的構(gòu)造，此時(shí)均布破壞荷載為3.00 kPa。

表1 肋板厚度10 mm 不同空腔構(gòu)造墻板的集中力承載力

表2 3 個(gè)空腔不同肋板厚度墻板的均布荷載承載力

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）根據(jù)材料力學(xué)性能試驗(yàn)，復(fù)合基材抗壓強(qiáng)度78.5 MPa，抗拉強(qiáng)度6 MPa，抗折強(qiáng)度20 MPa，并建立了該材料的ANSYS 數(shù)值模擬模型，相關(guān)參數(shù)為C1取0.375，C2取0.95，C4取120 MPa。

（2）運(yùn)用高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料開(kāi)發(fā)出一種大空腔墻板，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證其均布破壞荷載為3.00 kPa，經(jīng)過(guò)配套數(shù)值模擬研究，進(jìn)一步確定復(fù)合材料的數(shù)值模擬模型C3參數(shù)取為3.2 MPa。

（3）根據(jù)數(shù)值模擬研究，對(duì)不同構(gòu)造的墻板進(jìn)行數(shù)值模擬，并依據(jù)GB 50009—2012 確定3 個(gè)空腔，肋板厚度10 mm 是科學(xué)合理的構(gòu)造。