1 引言
節能復合墻板是由雙向斜插鋼絲與上、下層鋼絲網形成空間受力桁架，中間夾一定厚度的聚苯乙烯泡沫板，然后內、外側分別澆筑混凝土所構成的鋼絲桁架-混凝土板組合結構，具有抗彎剛度大，承載力高、節能保溫的優點。為了研究鋼絲混凝土夾芯板組成的復合墻板在橫向荷載作用下的受力性能和破壞機理，為墻板設計提供理論依據，本文采用有限元分析軟件 ANSYS 對節能復合墻板進行有限元分析。
2 復合墻板模型介紹
本文研究的基本墻板尺寸取 3000×2500mm，夾芯層厚度 70mm，上、下兩層分別澆注 35mm 厚混凝土面板，水平鋼絲網取Ф2@50 冷拔低碳鋼絲，斜鋼絲取 Ф2@50 冷拔低碳鋼絲，斜鋼絲沿墻板短跨方向布置，詳見圖 1?！緢D1】
3 復合墻板數值模型
3.1 基本假定
節能復合墻板數值分析的基本假定如下：
1\\) 不考慮聚苯乙烯板夾芯層的作用，僅將其質量折算到混凝土的質量中；2\\) 混凝土與鋼絲均各項同性；3\\) 忽略墻板的剪切變形，即變形前垂直于中性面的法線，變形后仍保持為直線，且垂直于中性面。
4\\) 建立有限元模型時假定鋼絲與混凝土之間粘結良好，不考慮板與板之間的相對滑移，結構整體性良好。不單獨考慮鋼絲、斜插絲和混凝土的作用，假定三者變形協調。
3.2 材料的本構關系
3.2.1 鋼絲的本構關系Ф2 冷拔鋼絲的彈性模量sE 及屈服強度yf 按《混凝土結構設計規范》選取，應力應變關系曲線如圖2 所示?！緢D2】
3.2.2 混凝土的本構關系選用 C20 混凝土，彈性模量 Ec=2.55×104MPa，軸心抗壓強度 fc=13.4MPa，抗拉強度 ft=1.54MPa，峰值應變0e =0.002，極限應變cue =0.0033，混凝土開裂截面的剪力傳遞系數tb =0.35，裂縫閉合截面的剪力傳遞系數cb =0.8，泊松比n=0.2?；炷羻屋S受壓作用下的本構關系如圖 3 所示?！緢D3】
3.3 ANSYS 模型
數值分析采用 ANSYS 有限元軟件，上、下層混凝土面板用 solid65 單元模擬，混凝土板中的雙向鋼絲網用 link8 單元模擬，連接兩層混凝土板的斜鋼絲用 beam188 單元模擬。
工程應用中，復合外墻板一般在四角與鋼框架的梁或柱采用螺拴連接，節點模型可簡化為鉸接。數值分析時模擬墻板與鋼框架的連接方式，墻板角部設置四個支座支承，支座尺寸為 200×200×150mm，對支座底面施加約束，使其在 x、y、z 三個方向不發生移動。
在進行有限元分析計算時，混凝土的開裂依據采用 Mises 屈服準則，即認為最大 Mises 應力達到混凝土極限抗拉強度時混凝土開裂。
模擬工程實際的風荷載，對墻板施加橫向水平荷載 0.5kN/m2。采用逐步增加荷載直至有限元模型失效的方法進行分析。
4 復合墻板抗彎承載力的參數分析
4.1 混凝土面板厚度的影響
為比較混凝土面板厚度對復合墻板抗彎性能的影響，取混凝土面板厚度不同的墻板進行參數分析。
4.1.1 上、下層混凝土面板厚度相同。。圖 4 為混凝土面板厚度與撓度的關系曲線，圖 5 為上下層混凝土面板厚度與應變的關系曲線。從圖 4和圖 5 可以看出：在上下層混凝土面板厚度相同的情況下，隨著混凝土面板厚度的增大，復合墻板的撓度和混凝土面板的應變均減小，即墻板抗彎剛度隨混凝土面板厚度增加而增加。當混凝土面板厚度取 35mm時，上下兩層混凝土面板的變形性能協調一致?！緢D4-5】
4.1.2 上層混凝土面板厚度改變。。圖 6 為混凝土面板厚度與撓度的關系曲線，圖 7 為混凝土面板厚度與應變的關系曲線。由圖 6 和圖 7可以看出，當下層混凝土面板厚度為 35mm 時，隨著上層混凝土面板厚度的增加，復合墻板的抗彎剛度增加，墻板的撓度與應變均減小。上下兩層混凝土面板均為 35mm 時，復合墻板表現出完全組合行為\\(即上下層混凝土面板共同工作，變形與應變基本相同\\)?！緢D6-7】
4.2 聚苯乙烯泡沫夾芯層厚度的影響
為分析聚苯乙烯泡沫夾芯層厚度對復合墻板抗彎承載力的影響，取夾芯層厚度不同的墻板進行參數分析，計算結果如圖 8、圖 9 所示?！緢D8-9】
由分析結果可知，隨著夾芯層厚度的增加，墻板的撓度、混凝土應變不斷減小，也即增大墻板中夾芯層厚度會使墻板的抗彎剛度提高；夾芯層厚度不同時，上下兩層混凝土的撓度均能保持較高的一致性；芯層厚度為 65mm 時，上、下層混凝土的應變基本一致，這時上下兩層混凝土面板變形的一致性較好，墻板整體工作性能較好。
4.3 混凝土強度的影響
為比較混凝土強度對復合墻板抗彎承載力的影響，分別采用不同等級混凝土進行參數分析，圖 10、圖11 分別是在復合墻板的混凝土強度與撓度關系曲線和混凝土強度與應變關系曲線?！緢D10-11】
由圖可知，混凝土強度對節能復合墻板的抗彎性能影響較大，提高混凝土的強度等級對墻板承載力的提高有明顯效果，但隨著混凝土混凝土強度的提高，這種影響趨勢減弱；混凝土強度不同時，上下兩層混凝土的變形均能保持較高的一致性，墻板整體工作性能良好。
4.4 配筋率的影響
為比較配筋率對復合墻板抗彎承載力的影響，取不同的水平鋼絲直徑進行參數分析，圖 12、13 分別是復合墻板的面板配筋率與撓度關系曲線和面板配筋率與應變關系曲線?！緢D12-13】
隨著墻板配筋率的提高，墻板的變形逐漸減小，但提高墻板配筋率對墻板抗彎剛度的提高有限；當水平鋼絲的直徑>2.5mm 時，上下兩層混凝土的變形能保持較高的一致性，墻板整體工作性能良好。
4.5 斜鋼絲的影響
4.5.1 斜鋼絲直徑的影響取斜鋼絲直徑不同的墻板進行參數分析，圖 14、圖 15 分別是復合墻板的鋼絲直徑與撓度關系曲線和鋼絲直徑與應變關系曲線?！?4-15】
由分析結果可知，隨著墻板斜鋼絲直徑的增加，墻板的變形逐漸減小，增大斜鋼絲直徑對墻板抗彎剛度的提高有明顯效果；當斜鋼絲的直徑>2mm 時，上下兩層混凝土的變形能保持較高的一致性，墻板整體工作性能良好。
4.5.2 斜鋼絲每排間距的影響取斜鋼絲不同排距的墻板進行參數分析，圖 16、圖 17 分別是復合墻板的斜鋼絲間距與撓度關系曲線和斜鋼絲間距與應變關系曲線?！?6-17】
由分析結果可知，隨著斜鋼絲間距的增加，墻板的變形逐漸增大，增大斜鋼絲排距使墻板抗彎承載力降低；當斜鋼絲每排距離≤100mm 時，上下兩層混凝土的變形能保持較高的一致性，墻板整體工作性能良好。
4.5.3 斜鋼絲傾斜角度的影響取不同傾斜角度斜鋼絲的墻板進行參數分析，圖 18、圖 19 分別是復合墻板的斜鋼絲角度與撓度關系曲線和斜鋼絲角度與應變關系曲線?！?8-19】
由分析結果可知，當斜鋼絲與水平鋼絲網夾角為 45°時，墻板抗彎剛度最大，墻板各部分協同工作性能良好。
4.6 開洞情況的影響
針對復合墻板不同的開洞情況\\(洞口高 1.5m，寬度變化\\)進行了討論，分析結果詳見圖 20、圖 21、圖22、圖 23 所示\\(開洞率：洞口的面積與該墻面全面積之比\\)?！?0-22.23略】
由分析結果可知，隨著墻板開洞率的提高，墻板變形增加，墻板抗彎剛度成下降趨勢，且洞口越大抗彎剛度衰減越快；開洞率>30%時，過寬的洞口使洞口周圍形成連梁結構，墻板變形減小，墻板剛度稍有提高；洞口的存在，使洞口邊緣尤其是洞口角部形成應力集中區域，洞口越大應力集中越明顯。開洞率>30%時，洞口角部與支座處形成了應力較高的應力集中帶。因此，對于復合墻板抵抗橫向荷載作用時，應該合理的布置洞口，避免高應力貫通情況的出現。
5 結論
根據參數分析結果，得到復合墻板的抗彎剛度與混凝土面板厚度、聚苯乙烯夾芯層厚度、斜鋼絲的布置、洞口、混凝土的強度等級以及受力鋼絲網的配筋率等有關：
1. 增大混凝土板、夾芯層厚度和水平鋼絲、斜鋼絲直徑均能使墻板的抗彎剛度提高；混凝土強度對節能復合墻板的抗彎剛度影響較大，提高混凝土的強度等級對墻板抗彎性能的提高有明顯效果，但隨著混凝土混凝土強度的提高，這種影響趨勢減弱；斜鋼絲間距的增大以及開洞率的增大均使墻板的抗彎剛度降低。
2. 當上、下層混凝土板厚度為 35mm，夾芯層厚度為 65mm，水平鋼絲直徑為 2.5mm，斜鋼絲直徑為2mm、每排距離 100mm 且與水平鋼絲網夾角為 45°時，上下兩層混凝土面板的變形能保持較高的一致性，連接兩層面板的斜鋼絲具有足夠的強度使得兩層面板能較好地協同工作，墻板整體工作性能良好，如同一塊實體混凝土板。
3. 開洞率>30%時，洞口角部與支座處形成了應力較高的應力集中帶，因此，在墻板設計時應該控制洞口的大小，應避免此高應力貫通情況的出現。
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