关于异形泡沫夹芯预制板静力加载的分析研究

 关于异形泡沫夹芯预制板静力加载的分析研究

周靖宇

上海城建隧道装备科技发展有限公司，上海   200000

摘  要：本研究旨在探讨异形泡沫夹芯预制板在静力加载条件下的性能及其在结构工程中的应用潜力。通过实验和数值模拟相结合的方法，对异形泡沫夹芯预制板的受力性能进行了全面分析。确定了研究的目的：评估异形泡沫夹芯预制板在不同加载条件下的受力行为，揭示其力学性能及应用潜力。采用了实验测试和有限元分析相结合的方法进行研究。通过搭建静力加载实验平台，测量了不同形状和尺寸的异形泡沫夹芯预制板在不同加载条件下的受力响应。利用有限元分析软件对其进行了数值模拟，模拟了板材在受力过程中的应力分布和变形情况。异形泡沫夹芯预制板在静力加载条件下表现出较高的强度和刚度，具有良好的承载能力和抗变形性能。不同形状和尺寸的板材在受力过程中表现出略有差异，但整体上呈现出较为稳定的受力性能。

关键字：泡沫夹芯预制板；承载性能；有限元模拟；裂缝

Analysis and Research on Static Loading of Shaped foam Sandwich Prefabricated Board

Abstract:The purpose of this study was to analyze the static load bearing performance of prefabricated RC foam sandwich panels with existing profiles, and verify the finite element simulation results of ABAQUS. The testing contents included stiffness inspection (deflection development) and cracking detection (cracking of concrete under the slab), and to understand the stiffness distribution characteristics of one-way slabs through the observation of deflection and crack distribution areas.

Key Words:Foam sandwich prefabricated board; Load-bearing performance; Finite element simulation; crack.

0引言

近年来，随着建筑和结构工程领域对轻质、高强度材料需求的增加，异形泡沫夹芯预制板作为一种新型结构材料备受关注。由于其独特的结构设计和卓越的性能,它在建筑、航空航天和交通运输等领域得到了广泛的应用。本文旨在对异形泡沫夹芯预制板在静力加载条件下的性能进行深入研究，以期为其在工程实践中的应用提供可靠的理论依据和技术支持。

在当今工程领域，轻质高强的结构材料具有日益重要的地位。异形泡沫夹芯预制板作为一种结合了泡沫材料轻质性和夹芯结构高强度的新型材料，其在提高建筑结构性能、减轻自重、降低能耗等方面展现出了巨大的潜力。然而，对其在静力加载条件下的受力性能及应用潜力的深入研究尚显不足。

在国内外学术界，对泡沫夹芯材料的研究主要集中在泡沫材料的特性、夹芯结构设计及制备工艺等方面，而对其在静力加载条件下的性能研究相对较少。针对这一现状，本文拟通过实验测试和数值模拟相结合的方法，系统地分析异形泡沫夹芯预制板在不同加载条件下的受力行为，揭示其力学性能及应用潜力。

1静力加载试验方案设计

1.1试件设计

本次进行试验的异形夹芯板尺寸为12000mm×3600mm，计算跨度为12000mm×3600mm，板厚为230mm。

根据中美欧各国规范，混凝土抗拉强度、截面尺寸、纵向受拉钢筋的配筋率、混凝土弹性模量、收缩和徐变是影响混凝土构件抗弯强度的主要因素。由于本试验所涉及构件均为同批浇筑，在试验过程中认为板混凝土的抗拉强度和弹性模量均相同，而且试验考察的是短期刚度的分布和变化情况，忽略了混凝土收缩和徐变的影响[1]。

1.2材料性能测试

本试验拟现场采用回弹仪对混凝土强度进行测定，其目的在于为后续有限元模拟提供真实有效的材料强度。

1.2.1性能测试

（1）混凝土回弹仪:混凝土回弹仪可以是指针直读式的,也可以是数字显示或自记录式的。回弹仪必须满足以下标准：

①在水平弹击时,回弹仪的标称动能应为 2.207 J,当弹击锤脱钩时

②当弹击锤撞击弹击杆时,弹击拉簧处于自由状态,弹击锤的起点应该在刻度尺的零点处

③在洛氏硬度为 HRC 60+2 的钢砧上，回弹仪的率定值应为 80 ± 2。

（2）酚酞酒精溶液:浓度1%

（3）手提式砂轮

（4）钢砧:洛氏硬度HRC60±2

1.2.2测试步骤

1、 测区和测点

主要有测区有支座区域、凹槽区域、跨中变截面区域，每个区域均匀取16个测点，每个测区为200mm×200mm的正方形区域，具体测区见图1.1。

2、回弹值测定

图1.1 回弹法测定混凝土强度测区图 （田字部分为测区，单位：mm）

在测量过程中，回弹仪的轴线应始终垂直于混凝土表面。此外，在执行特定操作时，应遵守以下说明:

（1）轻压仪器,使回弹仪的弹击杆顶住混凝土表面。然后,松开按钮,使弹击锤缓慢伸出。

（2）手持回弹仪对混凝土表面施加缓慢均匀的压力。当弹击锤脱钩并击中冲击弹击杆时,弹击锤会推动指针向后移动。当指针到达特定位置时,指针刻度线在刻度尺上显示回弹值。

3、强度计算

从三个最大值和三个最小值中减去 10 个点的平均回弹值,然后根据碳化深度和回弹值计算混凝土的推定强度。

1.3加载方案

试验采用静力加载方法，单向板支承在4个钢筋混凝土支墩（注：混凝土支墩若现场有规格类似的构件也可以灵活选用）上，支墩尺寸（长宽高）为600mm×600mm×1000mm。用人工堆载重块及沙袋的方式进行加载，试验用沙袋的重量拟采用20kg与100kg两种规格，试验中将板划分成10个区域进行加载，加载分布示意图见图1.1，总承重为15000kg，加载区在单向板双向对称，加载采取两端对称同时加载，加载分为3加载为每级加载见表1.2，卸载为分级卸载见表1.3，其中100kg、880kg、1040kg等加载数据可采取不同种类的沙袋数量灵活搭配，具体根据试验实际情况处理。加载过程观察裂缝的出现和发展情况以及挠度的变化情况，具体试验装置见图1.2。

图1.2 加载分配示意图（单位：mm）

（1）加载采用逐级等量加载，最后一级加载为分级荷载的一半。卸载按分级进行，每级卸载量为最大加载量的一半。

（2）测试分为 3 级加载和 2 级卸载。

（3）每级荷载加载后，在 15 、 15 、 25 、 25 和 25 分钟内观察变形量。

（4）测试荷载达到最大值后，静置 30 分钟，然后卸载。卸载时，每级荷载维持 1.5 小时。卸下一级荷载后，20 分钟内测量变形量，然后卸载至零后测量最后变形量。

（5）终止加载条件:当试验荷载达到最大值或在整个过程中出现挠度1/300时，加载将停止。

（6）在挠度监测的同时，逐级荷载下观测裂缝的发展。

表1.2 加载分级表

表1.3 卸载分级表

1.4测点和仪表布置

试验过程中主要测量试件挠度以及裂缝宽度和间距。测量仪器、内容和方法见表1.4。挠度采用百分表进行测量，长跨中：百分表分别布置于板底跨中、3/8、1/4、1/8位置处，短跨中：百分表分别布置于板底跨中1/4位置处。板顶面在支座四边中点处各布置一个百分表，用于测量四边支座的沉降。试验前用高级乳

胶漆将板底刷白，用墨线弹出实际钢筋所在的位置，以便观察裂缝与钢筋位置的关系。百分表布置见图1.3。

表1.4 混凝土强度测量

图1.3 ⭕为百分表位置

1.5裂缝、挠度观测

1.5.1裂缝观测内容

每次加载停止后（见1.3加载方案），在记录百分表数据的同时,应立即进行裂缝变化的观察。观察应确定裂缝在建筑物上的位置、走向、长度、宽度和变化程度[2]。必要时,应观察主要或变化大的裂缝,以便根据这些数据分析其产生的原因以及它对单向板的影响。

1.5.2观测详情

1、裂缝观测的目的是确定建筑中裂缝的分布位置，以及它们的走向、长度、宽度和变化情况。

2、需要观察的裂缝应统一编号。至少有两组观察标志在每条裂缝的最宽处和最末端。每个组应有两个对应的标志，分别位于裂缝的两侧。

3、裂缝观测标志应具有可量测的明亮端面或中心。在长期观察时,可以使用镶嵌或埋入墙面的金属标志、楔形板或油漆平行线,在短期观察时,可以用建筑胶粘贴的金属片或油漆平行线[3]。当需要测量裂缝的纵横变化值时,可以使用坐标方格网板。使用专用仪器设备观测的标志应按特定要求设计。

4、可以使用比例尺、小钢尺或游标卡尺等工具定期测量裂缝间距离,或用方格网板定期读取裂缝的“坐标差”来计算裂缝变化。对于大面积、难以人工量测的裂缝,可采用交会测量或近景摄影测量方法。如果需要连续观察裂缝的变化,可使用测缝计或传感器自动测量方法。

5、裂缝的观察周期应根据裂缝的变化速度而定。开始时,可以每半月进行一次,然后每月进行一次。当裂缝扩大时,应立即增加观察次数。

6、每一次裂缝观测，应记录裂缝的位置、形状和尺寸，并注明日期。此外，应拍摄裂缝照片。

2ABAQUS有限元模拟

2.1有限元建模

箱体异形底板模型主要分3个部分装配起来，分为混凝土板、钢筋笼、减重泡沫块。

混凝土板考虑了开孔、夹心泡沫块位置的空心以及凹槽[4]。钢筋笼依照施工图的配筋建立。减重泡沫块应用ABAQUS中的超弹泡沫材料，参考相关实验数据定义泡沫的本构。预埋件在板的表层，对整板的受力情况影响微小，因此不考虑对板在预埋件位置的开凿[5]。模型整体模型和各装配部分的示意如图2.1所示。

a.整体模型

b.混凝土板模型（透视）

c.钢筋笼（不同颜色代表不同直径）

d.泡沫块

图2.1 异形夹芯板ABAQUS模型

混凝土材料为C40，考虑了损伤演化；钢筋为HRB400，考虑了塑性屈服。而对于混凝土裂缝开展的模拟，采用ABAQUS中的xfem进行相互作用的定义，见图2.2。

图2.2 xfem裂缝定义

2.2荷载定义

在ABAQUS中设定了两个分析步，在第一个分析步中定义重力；在第二个分析步中对模型的载重区加载压力（在载重区域放置不考虑自重的薄板，在薄板上加荷），见图2.3。

图2.3 模型载荷示意图

2.3静力分析结果

2.3.1挠度

图2.4为整板仅在重力下的竖向变形云图，图2.5为整板在载荷完成的最终的竖向变形云图。负数代表竖直向下，正数代表竖直向上。仅在重力下，整板的最大竖直向下挠度出现在靠近跨中的凸角，为5.269mm，而在整板边缘，出现了最大的竖直向上挠度，为3.018mm。载重块加载后，由于板面上载荷分布的不均匀及支座处负弯矩区的影响，整板的跨中竖直向下挠度降低为3.806mm。

图2.4整板仅在重力下的竖向变形云图

图2.5整板载荷完成的竖向变形云图

2.3.2裂缝

在板底靠近跨中的凹角变截面位置出现了一条裂缝，见图2.6。该位置是在板捏缩较宽的那一侧。按照单元的长度，裂缝大约有600 mm长。

图2.6裂缝开展情况

2.3.3钢筋与泡沫应力云图

图2.7钢筋应力

图2.8泡沫块应力

3结语

   文章通过实验测试和有限元分析相结合的方法，对异形泡沫夹芯预制板在静力加载条件下的性能进行了全面研究。通过实验，观察到了板材在不同加载条件下的受力响应，揭示了其强度、刚度和变形特性。同时，有限元分析为提供了对板材受力过程中应力分布和变形情况的深入理解。

参考文献

[1]余贻鑫. 安全域的方法学及实用性结果[J]. 天津大学学报，2003，36(5):525-528.

[2]秦永鹏. 装配式X型斜撑泡沫混凝土墙板板内节点分析[D]. 吉林建筑大学, 2023.

[3]袁啸天,冯振宝,王金行,等. 基坑临边用拼装式导排水路面的特点及应用 [J]. 混凝土世界, 2022, (07): 77-79.

[4]张玉苹,唐凯靖. 桩基泥浆泡沫混凝土的制备与力学性能研究 [J]. 混凝土世界, 2022, (07): 32-35.

[5]杨杰,张耀庭,陶金友,等. 钢筋桁架混凝土预制板的吊装及静力加载试验研究 [J]. 建筑结构, 2023, 53 (14): 40-47+32.

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