运用有限元软件ANSYS分析节能复合墙板
运用有限元软件 ANSYS 分析节能复合墙板
1 引言
节能复合墙板是由双向斜插钢丝与上、下层钢丝网形成空间受力桁架，中间夹一定厚度的聚苯
乙烯泡沫板，然后内、外侧分别浇筑混凝土所构成的钢丝桁架-混凝土板组合结构，具有抗弯
刚度大，承载力高、节能保温的优点。为了研究钢丝混凝土夹芯板组成的复合墙板在横向荷载
作用下的受力性能和破坏机理，为墙板设计提供理论依据，本文采用有限元分析软件 ANSYS
对节能复合墙板进行有限元分析。
2 复合墙板模型介绍
本文研究的基本墙板尺寸取 3000×2500mm ，夹芯层厚度 70mm ，上、下两层分别浇注 35mm 厚
混凝土面板，水平钢丝网取 Ф2@50 冷拔低碳钢丝，斜钢丝取 Ф2@50 冷拔低碳钢丝，斜钢丝
沿墙板短跨方向布置，详见图 1。【图 1】
3 复合墙板数值模型
3.1 基本假定
节能复合墙板数值分析的基本假定如下：
1) 不考虑聚苯乙烯板夹芯层的作用，仅将其质量折算到混凝土的质量中；2) 混凝土与钢丝均各
项同性；3) 忽略墙板的剪切变形，即变形前垂直于中性面的法线，变形后仍保持为直线，且垂
直于中性面。
4) 建立有限元模型时假定钢丝与混凝土之间粘结良好，不考虑板与板之间的相对滑移，结构整
体性良好。不单独考虑钢丝、斜插丝和混凝土的作用，假定三者变形协调。
3.2 材料的本构关系
3.2.1 钢丝的本构关系 Ф2 冷拔钢丝的弹性模量 sE 及屈服强度 yf 按《混凝土结构设计规范》选
取，应力应变关系曲线如图 2 所示。
【图 2】
3.2.2 混凝土的本构关系选用 C20 混凝土，弹性模量 Ec=2.55×104MPa，轴心抗压强度
fc=13.4MPa，抗拉强度 ft=1.54MPa，峰值应变 0e =0.002，极限应变 cue =0.0033，混凝土开裂
截面的剪力传递系数 tb =0.35，裂缝闭合截面的剪力传递系数 cb =0.8，泊松比 n=0.2。混凝土单
轴受压作用下的本构关系如图 3 所示。
【图 3】
3.3 ANSYS 模型
数值分析采用 ANSYS 有限元软件，上、下层混凝土面板用 solid65 单元模拟，混凝土板中的双
向钢丝网用 link8 单元模拟，连接两层混凝土板的斜钢丝用 beam188 单元模拟。
工程应用中，复合外墙板一般在四角与钢框架的梁或柱采用螺拴连接，节点模型可简化为铰
接。数值分析时模拟墙板与钢框架的连接方式，墙板角部设置四个支座支承，支座尺寸为
200×200×150mm ，对支座底面施加约束，使其在 x、y、z 三个方向不发生移动。
在进行有限元分析计算时，混凝土的开裂依据采用 Mises 屈服准则，即认为最大 Mises 应力达
到混凝土极限抗拉强度时混凝土开裂。
模拟工程实际的风荷载，对墙板施加横向水平荷载 0.5kN/m2。采用逐步增加荷载直至有限元
模型失效的方法进行分析。
4 复合墙板抗弯承载力的参数分析
4.1 混凝土面板厚度的影响
为比较混凝土面板厚度对复合墙板抗弯性能的影响，取混凝土面板厚度不同的墙板进行参数分
析。
4.1.1 上、下层混凝土面板厚度相同。。图 4 为混凝土面板厚度与挠度的关系曲线，图 5 为上下
层混凝土面板厚度与应变的关系曲线。从图4 和图 5 可以看出：在上下层混凝土面板厚度相同
的情况下，随着混凝土面板厚度的增大，复合墙板的挠度和混凝土面板的应变均减小，即墙板
抗弯刚度随混凝土面板厚度增加而增加。当混凝土面板厚度取 35mm 时，上下两层混凝土面板
的变形性能协调一致。【图 4-5】
4.1.2 上层混凝土面板厚度改变。。图 6 为混凝土面板厚度与挠度的关系曲线，图 7 为混凝土面
板厚度与应变的关系曲线。由图 6 和图 7 可以看出，当下层混凝土面板厚度为 35mm 时，随着
上层混凝土面板厚度的增加，复合墙板的抗弯刚度增加，墙板的挠度与应变均减小。上下两层
混凝土面板均为 35mm 时，复合墙板表现出完全组合行为(即上下层混凝土面板共同工作，变
形与应变基本相同)。【图 6-7】
4.2 聚苯乙烯泡沫夹芯层厚度的影响
为分析聚苯乙烯泡沫夹芯层厚度对复合墙板抗弯承载力的影响，取夹芯层厚度不同的墙板进行
参数分析，计算结果如图 8 、图 9 所示。【图 8-9】
由分析结果可知，随着夹芯层厚度的增加，墙板的挠度、混凝土应变不断减小，也即增大墙板
中夹芯层厚度会使墙板的抗弯刚度提高；夹芯层厚度不同时，上下两层混凝土的挠度均能保持
较高的一致性；芯层厚度为 65mm 时，上、下层混凝土的应变基本一致，这时上下两层混凝土
面板变形的一致性较好，墙板整体工作性能较好。
4.3 混凝土强度的影响
为比较混凝土强度对复合墙板抗弯承载力的影响，分别采用不同等级混凝土进行参数分析，图
10、图 11 分别是在复合墙板的混凝土强度与挠度关系曲线和混凝土强度与应变关系曲线。
【图 10-11】
由图可知，混凝土强度对节能复合墙板的抗弯性能影响较大，提高混凝土的强度等级对墙板承
载力的提高有明显效果，但随着混凝土混凝土强度的提高，这种影响趋势减弱；混凝土强度不
同时，上下两层混凝土的变形均能保持较高的一致性，墙板整体工作性能良好。
4.4 配筋率的影响
为比较配筋率对复合墙板抗弯承载力的影响，取不同的水平钢丝直径进行参数分析，图 12、13
分别是复合墙板的面板配筋率与挠度关系曲线和面板配筋率与应变关系曲线。【图 12-13】
摘要：
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运用有限元软件ANSYS分析节能复合墙板1引言节能复合墙板是由双向斜插钢丝与上、下层钢丝网形成空间受力桁架，中间夹一定厚度的聚苯乙烯泡沫板，然后内、外侧分别浇筑混凝土所构成的钢丝桁架-混凝土板组合结构，具有抗弯刚度大，承载力高、节能保温的优点。为了研究钢丝混凝土夹芯板组成的复合墙板在横向荷载作用下的受力性能和破坏机理，为墙板设计提供理论依据，本文采用有限元分析软件ANSYS对节能复合墙板进行有限元分析。2复合墙板模型介绍本文研究的基本墙板尺寸取3000×2500mm，夹芯层厚度70mm，上、下两层分别浇注35mm厚混凝土面板，水平钢丝网取Ф2@50冷拔低碳钢丝，斜钢丝取Ф2@50冷拔低碳钢丝，...
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