位移关系曲线、破坏形态、刚度退化以及延性等力学性能指标.结果表明：该新型格构式墙体的极限荷载随着高宽比增大而减小；格构柱数量越多，该墙体的抗震能力越强；在往复荷载作用下，GW-1、GW-2墙体呈弯曲破坏形态，GW-3墙体呈弯剪破坏形态，GW-4墙体呈剪切破坏形态；该格构式墙体的刚度退化现象从开裂状态到极限状态变化较大；当该新型墙体的高宽比大于1时，墙体的格构柱数量越多，高宽比越小，该墙体抵抗外界变形能力就越强.建筑工程
杨 璐1， 陈 虹1， 刘 洋2
(1. 沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870； 2. 沈阳铸锻工业有限公司 大型铸件分公司， 沈阳 110142)
摘要：为了研究水泥聚苯模壳混凝土墙体的抗震性能，采用ABAQUS有限元分析软件建立墙体的有限元分析模型.基于不同高宽比及格构柱布置方式，研究了低周往复荷载作用下墙体的荷载位移关系曲线、破坏形态、刚度退化以及延性等力学性能指标.结果表明：该新型格构式墙体的极限荷载随着高宽比增大而减小；格构柱数量越多，该墙体的抗震能力越强；在往复荷载作用下，GW-1、GW-2墙体呈弯曲破坏形态，GW-3墙体呈弯剪破坏形态，GW-4墙体呈剪切破坏形态；该格构式墙体的刚度退化现象从开裂状态到极限状态变化较大；当该新型墙体的高宽比大于1时，墙体的格构柱数量越多，高宽比越小，该墙体抵抗外界变形能力就越强.
关键词：水泥聚苯模壳； 格构式； 混凝土墙体； 破坏形态； 抗震性能； 荷载位移曲线； 刚度退化； 延性
近年来，国家把研究新型建筑材料作为发展“资源节约型，环境友好型”社会的重要内容[1-2].为了响应国家提倡发展装配式建筑理念，水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体作为一种具有节能环保、抗震性能好、隔热防火较好、施工方便、造价低等优点的新型墙体被设计与制造.该墙体由水泥、聚苯颗粒、水和其他外加剂原料组成，符合国家绿色建筑的理念[3]，因此，其具有广泛的建筑产业应用前景，同时产生较大的经济效益与环保效益.众多学者对此墙体性能及墙体参数进行了研究.蔡贤辉等[4]对6片不同高宽比的水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体进行轴向压力和水平往复侧推力作用下的试验，分析了墙体的抗侧强度、刚度和延性等力学性能；孙利铭[5]研究了采用价格较低的本土化材料进行替代水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体材料的可能性，从而降低模壳的生产成本，提高该墙体的市场竞争力；陈晟[6]釆用ANSYS有限元分析软件和SOLID65单元模拟了格构柱，建立了格构柱有限元模型，并分别对风作用下的均布荷载和地震作用下的结构响应进行非线性数值模拟分析，表明格构柱能够提高墙体承载和变形能力；王志泽[7]通过对不同高宽比下的三组试件施加低周往复荷载进行拟静力试验研究，并对试验结果进行理论分析，研究了格构式再生混凝土墙体的抗震性能；史崇新[8]对不同高宽比的6片一体化墙体进行抗侧力试验，得到了不同高宽比下墙体的破坏特征.
为了研究格构柱平面布置及墙体高宽比对水泥聚苯模壳格构式墙体抗震性能的影响，分析水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体的受力过程，本文采用有限元分析软件建立水泥聚苯模壳格构式墙体有限元分析模型，研究其在低周往复荷载作用下的结构响应.
本文所采用的墙体尺寸参数见文献[8]，模壳尺寸采用辽宁省地方性规程推荐的通用性模壳尺寸，即900 mm×600 mm×250 mm，模壳内部格构梁和柱之间中心间距均为300 mm，墙体采用普通C25混凝土，纵向受力钢筋采用直径为12 mm的HRB400级钢筋，其他钢筋采用HPB300级钢筋.格构式墙体的具体尺寸如图1所示(单位：mm).为了研究格构柱平面布置及墙体高宽比对水泥聚苯模壳格构式墙体抗震性能的影响，根据墙体高宽比和构造梁柱的平面布置数量建立了四组墙体，墙体构造参数如表1所示.
图1格构式墙体的尺寸
Fig.1Sizeoflatticedwall表1不同试件的几何参数
Tab.1Geometricparametersfordifferentspecimens
混凝土的本构关系选取ABAQUS自带混凝土塑性损伤本构模型.混凝土的压缩、拉伸应力应变本构关系参照《混凝土结构设计规范》[9]，并引用刚度恢复系数与损伤指数来模拟在低周往复荷载下混凝土的刚度退化过程.钢材采用的是双线性随动强化模型，并考虑包辛格效应，屈服后弹性模量为初始弹性模量的0.01倍.水泥聚苯模壳本构关系根据材料试验结果，并严格参照《水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体建筑技术规程》.
水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体采用结构化网格划分技术，水泥聚苯模壳采用8节点三维实体单元(C3D8R)，混凝土采用线性三角形与四面体单元(C3D4)，钢筋采用两节点三维模型桁架单元(T3D2).对结构应力分布较为集中的区域进行网格细化，如构造梁和柱相交处等局部位置，如图2所示.
图2网格划分示意图
Fig.2Schematicmeshdivision
为了真实反应水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体实际工作中应力应变的传递途径和传递方式，本文中钢筋与混凝土的接触关系为：将具有定义属性的钢筋骨架嵌入到混凝土骨架中，即嵌入混凝土单元之内的钢筋单元节点的自由度会被约束，忽略钢筋与混凝土之间的粘结滑移，保证在受力过程中协同工作.混凝土与模壳之间的接触关系采用有限元软件中自带的库仑摩擦模型，两者之间的接触关系为法向采用“硬接触”的方式传递，切向设置为摩擦约束，有利于墙体模型的收敛.
在加载梁顶部的格构柱所对应的位置均加载50 kN的竖向力，并在加载梁侧面的耦合点处施加水平往复荷载.为了保证墙体平面外稳定性，约束加载梁和墙体的Z轴位移和转角，同时对基础梁底部的固定端进行全界面约束，具体加载方式及边界条件如图3所示.
墙体结构在低周循环往复荷载作用下的荷载位移曲线既是综合反映结构的荷载与位移关系、刚度退化、位移延性等抗震性能指标[10]，又是评价整个墙体结构力学性能的一个重要依据.以模型GW-1为例，对破坏时的应力云图与文献[8]试验破坏形态进行对比分析，结果如图4所示.由图4可知，当该墙体达到极限状态时，受拉端格构柱的根部出现应力集中现象较为严重，应力集中现象已扩散到各个格构柱的根部，墙体的其他部位应力集中现象并不明显，与试验的结果基本吻合.图5为模拟的滞回曲线与文献[8]试验的滞回曲线对比结果，可见模拟值与试验值吻合较好，但曲线的饱满程度并不一致，这是由于模拟中忽略了钢筋与混凝土之间的粘结滑移现象，所以捏缩现象不如试验的明显，但两者之间的误差在可接受的范围之内，从而验证了水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体有限元模型的建立以及接触关系布置的合理性与准确性.
图3加载方式及边界条件
Fig.3Loadingmodesandboundaryconditions
图4GW-1试验与模拟破坏形态对比
Fig.4ComparisoninfailuremorphologiesoftestandsimulationforGW-1wall
图5GW-1滞回曲线对比
Fig.5ComparisoninhysteresiscurvesforGW-1wall
通过对低周循环往复荷载作用下的四组墙体进行数值模拟分析，得到了其往复荷载作用下的荷载位移关系曲线，如图6所示.
图6不同墙体的滞回曲线对比
Fig.6Comparisoninhysteresiscurvesfordifferentwalls
由图6可知，四组墙体滞回曲线的形状比较饱满，反映整体结构的塑性变形能力比较强.在外力较小时，发生弯剪破坏的构件的滞回曲线呈饱满状，随着剪力增大，刚度发生急剧退化.捏缩效应对滞回曲线产生滑移影响，滞回环的面积较大，也具有较好的抗震性能.对比四组墙体的滞回曲线可知，墙体的受力性能受轴压比影响较大，墙体的极限承载力随高宽比的增大而减小，随着格构柱数量的增加而增大.
为了研究循环加载达到水平力最大峰值的轨迹，表明往复荷载作用下墙体在不同受力阶段的受力和变形性能，本文采用骨架曲线进行分析.四组水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体的荷载位移骨架曲线对比如图7所示.
图7不同墙体的骨架曲线对比
Fig.7Comparisoninskeletoncurvesfordifferentwalls
由图7可知，随着水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体的高宽比越小，骨架曲线对应的值越大，格构柱越多，墙体的抗震性能越强.GW-4、GW-3、GW-2、GW-1墙体结构中骨架曲线有明显下降趋势，因此，高宽比最小、格构柱数量最多的GW-4墙体的整体抗侧承载力最优.
四组墙体破坏阶段的应力云图如图8所示.由图8可知，GW-1墙体的高宽比为3∶1，应力集中现象逐渐延伸到中间的格构柱，最后当达到墙体的极限状态时，受拉端格构式墙体的根部与底梁接触区域的应力集中现象最为明显，并已扩散到整个格构柱的根部，墙体的其他部位应力集中现象并不明显，为典型的弯曲破坏形态；GW-2墙体的高宽比为3∶2，与GW-1墙体的破坏现象基本一致，当达到墙体的极限状态时，受拉端的格构柱根部应力集中明显，塑性变形较为明显，但墙体其他部位的应力集中现象并不明显，同样为弯曲破坏形态；GW-3墙体的高宽比为1∶1，当该水泥聚苯模壳格构式墙体达到极限状态时，受压侧格构柱的底部出现斜向应力集中现象，为弯剪破坏形态；GW-4墙体的高宽比为3∶4，当水泥聚苯模壳格构式墙体达到极限状态时，在格构式墙体的中下部形成多处斜向应力集中区域，受压区多个格构柱的底部出现斜向应力集中现象，尤其受压区边缘格构柱底的应力集中现象最为明显，为剪切破坏形态.
图8各墙体破坏形态对比
Fig.8Comparisoninfailurepatternforvariouswalls
为了研究水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体在循环往复荷载作用下的塑性变形能力随顶点位移增大而逐渐下降的趋势，本文采用刚度退化来描述这一现象，其计算公式为
(1)
式中：Kj为第j次循环墙体结构的等效刚度；Pj、-Pj分别为第j次循环中墙体结构正、负向顶点荷载；Δj、-Δj分别为第j次循环中墙体结构正、负向顶点位移.
图9为墙体的刚度随高宽比变化曲线.由图9可知，GW-1、GW-2、GW-3、GW-4四面墙体均随着高宽比的增大，等效开裂刚度和极限刚度均逐渐降低，尤其墙体GW-1、GW-2在开裂刚度到极限刚度的退化趋势最为明显，墙体GW-3、GW-4的刚度退化趋势相对平缓.通过研究表明水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体从开裂到极限状态的过程中，刚度退化较为明显，同时证明了墙体高宽比越小，墙体的格构柱越多，该墙体的刚度越大.
图9墙体的刚度随高宽比变化曲线
Fig.9Changecurvesofstiffnesswithheight-widthratioofwall
位移延性系数一般应用于宏观结构.因此，本文采用位移延性系数分析水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体的抵抗变形能力.采用延性系数μΔ表示该墙体的延性，其表达式为
(2)
式中：Δμ为墙体结构的极限位移，即85%峰值荷载所对应的极限位移；Δy为墙体结构的屈服位移.各墙体的延性系数如表2所示.
表2墙体的延性系数
Tab.2Ductilitycoefficientsofwalls
由表2可知，GW-2、GW-4、GW-1、GW-3墙体的位移延性系数逐渐降低，抵抗变形能力逐渐下降.GW-2比GW-1的延性系数高47.9%，表明当高宽比大于1时，新型一体化墙体的格构柱数量越多，高宽比越小，该墙体抵抗外界变形能力就越强.
本文采用有限元软件对低周往复荷载作用下的水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体建立有限元模型，通过对水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体的荷载位移曲线、破坏形态、刚度退化、位移延性等力学性能进行对比分析，得到如下结论：
1) 水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体的抗震性能强度随着墙体高宽比的减小，格构柱增多.
2) 根据参数分析可知，随着高宽比不断变化，破坏形态发生改变.在往复荷载作用下，GW-1、GW-2墙体呈弯曲破坏形态，GW-3墙体呈弯剪破坏形态，GW-4墙体呈剪切破坏形态.
3) 水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体从开裂后到达到极限状态时，刚度退化较为明显，表明了墙体的刚度受高宽比以及格构柱的数量影响较大.
4) 当新型墙体的高宽比大于1时，新型一体化墙体的格构柱数量越多，高宽比越小，该墙体抵抗外界变形能力就越强.
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YANG Lu1, CHEN Hong1, LIU Yang2
(1. School of Architectural and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. Large Casting Branch Company, Shenyang Foundry and Forging Industry Co. Ltd., Shenyang 110142, China)
Abstract：In order to study the seismic performance of expansive polystyrene granule cement form latticed concrete walls, the finite element analysis model for the walls was established with the ABAQUS finite element analysis software. Based on the different height-width ratio and the arrangement mode of latticed columns, such mechanical property indexes as the load-displacement curve, failure morphology, stiffness degradation and ductility of the walls under the low reciprocating loading were studied. The results show that the ultimate load of new latticed walls decreases with increasing the height-width ratio. The more the number of latticed columns is, the stronger the seismic performance of the walls is. Under the action of reciprocating loading, the GW-1 and GW-2 walls show the bending failure morphology, the GW-3 wall shows the bending and shearing failure morphology, and the GW-4 wall shows the shearing failure morphology. The stiffness degradation phenomenon of the latticed wall changes obviously from the cracking to ultimate states. When the height-width ratio of new walls is greater than 1, the number of latticed columns of the walls is the most. The smaller the height-width ratio is, the stronger the anti-deformation capability of the walls is.
Keywords：expansive polystyrene granule cement form; lattice; concrete wall; failure morphology; seismic performance; load-displacement curve; stiffness degradation; ductility
doi：10.7688/j.issn.1000-1646.2018.05.18
* 本文已于2018-08-30 10∶17在中国知网优先数字出版. 网络出版地址： http：∥kns.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20180828.1107.006.html
作者简介：杨 璐(1973-)，女，山东掖县人，教授，博士，主要从事混凝土弹塑性损伤本构和ABAQUS数值模拟等方面的研究.
基金项目：国家自然科学基金资助项目(11102118).
收稿日期：2017-01-10.
文章编号：1000-1646(2018)05-0582-06
文献标志码：A
中图分类号：TU 398
(责任编辑：钟 媛 英文审校：尹淑英)