1、第16卷第4期 建筑 材 料，学 报 V0116，No42013年8月 JOURNAL OF BUILDING MATERIALS Aug，2013文章编号：10079629(2013)04063706EPS材料力学性能测试及装饰构件数值仿真孙立国1， 杜成斌 王大鹏2(1河海大学力学与材料学院，江苏南京210098；2南京巽泽装饰工程有限公司，江苏南京210098)摘要：对组成EPS(聚苯乙烯)装饰线条构件的EPS材料进行抗拉、抗压和抗折试验，得到其基本力学性能参数在此基础上对典型EPS装饰线条构件进行了非线性有限元分析，计算出该构件的极限承裁力，与现场试验获得的极限承载力进行对比后发现二者
2、一致结果表明：基于材料力学性能参数试验结果的EPS装饰线条构件有限元模型可以替代原型试验关键词：聚苯乙烯装饰线条；性能试验；非线性有限元中图分类号：TU973+2 文献标志码：A doi：103969jissn10079629201304015Mechanical Analysis and Numerical Simulationof EPS Exterior Decorative ElementSUN Liguo 1，DU Chengbin 1，WANG Dapeng 2(1College of Mechanics and Material，Hohai University，Nanjing
3、210098，China；2Nanjing Xun-ze Decoration Engineering Co，Ltd，Nanjing 210098，China)Abstract：Experimental studies cover the tension，compressive and bending tests of expanded polystyrene(EPS)foam material thlt was used tO constitute EPS decorative line componentThe basic parameters ofmechanics were there
4、by obtainedBased on these parameters，the nonlinear finite element methods were adopted to analyze the EPS decorative line componentThe ultimate carrying capability of the componentobtained by the numerical simulation was quite identical with that obtained by the experimental methodTherefore，it is re
5、asonable to analyze the mechanics performance of EPS decorative line component by thenumerical simulation with experimental material parameter instead of physical prototype testKey words：expanded p01ystyrene(EPS)decorative line component；performance test；nonlinear finite element随着建材工业的发展和建筑技术的进步，人们对
6、建筑装饰的要求也不断提高聚苯乙烯(EPS)装饰线条构件是以EPS材料为芯材，外辅网格布和聚合物砂浆等材料，用于建筑物立面造型的一种新型外墙装饰构件它具有材质均匀，质量轻，线条流畅，造型丰富，误差微小，可随意切割拼接，粘贴牢固以及安装轻松方便等优点，因而已成为住宅、酒店、商场、会所及旧城改造、旧楼翻新等外墙装饰的理想选择关于EPS材料外墙保温性能的研究已有很多，如温度特征预测模型13以及保温性能试验研究比q，其实际工程应用也相当广泛35EPS装饰线条构件作为现代建筑结构中用于装饰窗台和檐口的一种新型的轻质装饰构件，在其设计年限内会受到风、雪和人等荷载作用，所以其必须有一定的承载能力但目前对EPS
7、材料力学性能的研究尚不多见本文首先通过室内试验对EPS材料的力学性能进行测试，得到该材料的基本力学性能参数；然后基于这些材料参数对典型EPS装饰线条构件进行非线性有限元分析，计算出该构件的极限承载力；最后将其与现场试验获得的极限承载力进行对比，发现两者一致研究表明，基于材料力学性能参数试验结果的EPS装饰线条构件有限元模型可以替代原型试验收稿日期：20120326；修订日期：2012-0709基金项目：江苏省高技术研究项目(51203212)；国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2007cB714104)第一作者：孙立国1978)，男，江苏泗阳人，河海大学讲师，博士Email：sunl
8、92000hhueduCFI万方数据638 建筑材 料学报 第16卷1 EPS材料力学性能试验图1为典型的EPS装饰线条构件断面示意图由图1可见，基层墙体、黏结胶浆、EPS j占材、玻纤网格布和聚合物改性砂浆构成EIs装饰线条构件系统由于现场试验和室内试验均证实EPS装饰构件与基层的拉伸黏结强度大于EtS材料抗拉强度(拉伸破坏总是出现在线条内部)另外EPS芯材表面的玻纤网格布及聚合物改性砂浆保护层比较薄其对构件承载力不起控制作用，只j来保护构件耐久性，所以EPS装饰构件的承载能，J主要取决于EPS材料的力学性能本文通过列Els材料试件进行簟轴压缩试验、单轴拉伸试验和i点弯曲断裂能试验来得到其基
9、本力学性能参数、Base图1 EPS装饰线条构件断面示意图Fig1 Illustration of EPS exterior decorativeelement(size：Inn)11 EPS材料压缩试验压缩试验采川1 00 U1i“11100 mml 00 mm的标准立方体试件在CSS一44010型电子万能材料试验机上通过数字控制器(EDC)控制加载速率为5 Him rain对其进行单轴抗压试验用3组试验平均值确定陔EIS材料的弹性模量、屈服抗压强度和泊松比其ffl弹性模量和屈服抗压强度根据单轴受压应力应变曲线确定；泊松比根据非接触光测技术的变形测试结果确定图2为试件压缩前后照片。；二 I，
10、tff二箱阿后照jFig2 Photos of the specimen before and aher compression由于EPS材料在荷载作用下可发生很大变形，所以常规的泊松比测试手段如贴应变片方法无法对其进行测量为此试验采用了先进的非接触光测方法进行测试图3为试件变形前后的应变云图对经过加载前后的数值图像相关分析后发现3组试件的泊松比均接近0故该EPS材料为完全可压缩材料试验得到的EPS材料的应力一应变关系曲线如图一l所示由图4可见EPS材料的压缩应力一应变曲线与一般的多孔材料压缩特征相似也分为3个阶段(弹性段、塑性心服平台段及致密段)在变形的初始阶段表现为很好的弹性其中在0002
11、应变图3试件变形前后的应变云图Fig3 Strain cloud map of the st)ccjnl。n before and after deformation万方数据第4期 孙立围，等：EPS材料力学性能测试及装饰构件数值仿真I刳 试件单轴毙J乜应力一应变曲线图Figi St ress st rain cur7e of specimentlllder uniaxial compression范围内表现为线弹性行为在此范围内可根据有关试验数据确定弹性模量F有资料一”l表明在压缩条件下，即使超m了线弹性范围EPS材料仍能保持良好的弹性性质EPS材料的总弹性应变区约为其线弹性范围的2倍当荷载
12、超出比例极限后其模量值迅速下降工程上一般取应变一005时的应力为抗压强度”“当应变约为005时EPS材料开始屈服，在塑性屈服平台段其表现为一定的应变硬化，可知EPS材料的屈服并不是I叶J现在某一应力点上而是在某一范围且应力一应变曲线初始阶段是线形的观察图4町知。该EPS材料的塑性屈服平台段的应变范围约为005050当应变继续增长EPS材料呈现明显非线性，这时其孔洞已被挤压在一起，空腔结构遭破坏，材料被压实应力迅速增大此为致密段表1为3组试件按上述方法计算得到的单轴抗压强度民和弹性模量E表1 EPS材料的压缩试验结果fable 1 Results for EPS foam compression
13、 test12 EPS材料拉伸试验拉伸试验采用100 mm100 mm200 mill长方体试件在CSS一44010型电子万能材料试验机上，通过数字控制器(E、)控制加载速率为1 mmrain，对其进行单轴拉伸试验由3组试验的平均值确定该EPS材料的抗拉强度图5为试件拉伸前后照片试件单轴拉伸得到EPS材料的应力一应变关系曲线如图6所示由图6可见，当EPS材料受拉时，其应力一应变曲线与一般的脆性材料特征相200”100图5 试件拉伸前后照片Fig5 Specimens I)efore and after stretch0 0 5 l 0 15 20 2 5Strain X 101图6试件单轴受拉
14、f越力一应变曲线图Fig6 Stress strain CII rye of specimenkinder uniaxiaI tensile似，没有屈服阶段出现T程上一般取瓯：(非比例延伸率为02时的应力)为脆性材料的抗拉强度表2为3组试件按该方法计算得到的单轴抗拉强度乳表2 EPS材料的拉伸试验结果able 2 Results for EPS foam tensile test13 EPS材料断裂能试验断裂能试验采用100 mril100 mnl450 1-11Ill长方体试件支距为300 mm预制裂缝深度为50 Illm试验简图见图7试验采用位移加载控制加载速率为j nlnln、in由3组
15、试验的平均值确定该EPS材料的断裂能冈8为EPS材料断裂能试验照片断裂能按式(1)计算： G；一志J11_】”pd8(1)式中：(；为断裂能。Nm；P为荷载。N；6为试件截面宽度，n；d为试件截面高度，m；为裂缝深度，mEPS材料的荷载一位移关系曲线如图9所示，万方数据建筑 材料学报 第1 6卷Jp罔7断裂能试验简图Fig7 Sketch for fracture energy lest(SiZe：miTl)图8断裂能式验照片Fig8 Photos of fractu re energy test表3为3组试件按式(1)计算得到的EPS材料断裂能200160毛120焉oJ8040图9 断裂能试
16、验的荷载与位移关系罔Fig9 Ioad and dist)lacement diagram of fracture energy lest表3 El，S材料的断裂能试验结果able 3 Results for EPS foam fracture energy test2本构模型的建立与模型参数的确定进行有限)芒计算时EPS装饰构件的主要材料聚苯乙烯(EPS)采用损伤塑性模型；由于现场试验和室内试验均证实EPS装饰构件与基层的拉伸黏结强度大于EPS材料抗拉强度(拉伸破坏总是l叶J现在线条内部)所以EPS装饰构件与基层之间模拟为同接；又因为EPS材料表面的聚合物砂浆保护层比较薄，其对构件承载力不起
17、控制作用故在EPS装饰构件有限元模型中不予考虑21 EPS材料弹塑性损伤模型本模型为连续的、基于塑性的材料损伤模型它假定材料主要因拉伸开裂和压缩破碎而破坏屈服或破坏面的演化由拉伸和压缩等效塑性应变控制整个材料的塑性损伤模型可用式(2)(5)加以概括：盯一(1一d)巧 (2)方一DLll(一EI1) (3)言91=，j(巧，一)”I (4)一一A掣(5)do式中：巧为名义应力；方为有效应力；d为损伤指标；Dil为材料的弹性本构矩阵；矿1为等效塑性应变；言pl为等效塑性应变率；厶为硬化函数；A为塑性乘子；G为塑性势函数式(2)定义了考虑损伤时的有效应力；式(3)定义了有效应力和弹性应变之问的关系；
18、式(4)，(5)定义了材料的塑性行为本文EPS材料的拉压特性可通过试验获得由EPS装饰构件实际的工作状态发现。在荷载作用下构件发生破坏时，受压区的最大压应变远小于050所以数值分析时用图10所示的应力一应变关系曲线来模拟鉴于EPS材料的拉伸表现为典型的脆性，且脆断过程非常迅速单轴拉伸试验无法准确测量出EPS材料的拉伸软化关系，但此关系可通过断裂能试验测fJ所以通过单轴拉伸试验和断裂能试验组合来模拟EPS材料受拉性能的应力一应变关系曲线，见图11图11中一表示特征单元尺寸峨。表示开裂应变图12为开裂损伤与开裂应变之间的关系|十1图12可知用损伤指标c，可以很好地表征材料的损伤程度图10 EPS压
19、缩应力一应变曲线Fig1 0 EPS compression st ress strain curve22 EPS装饰线条构件系统数值分析选取与现场试验相同尺寸的EPS构件进行三维有限元分析模型横断面主要尺寸见图l，纵向长万方数据第4期 孙立围等：ElS材料力学性能测试及装饰构件数值仿真图11 ElS材料拉伸应力一应变曲线Fig1 1 EPS tensile stress SI rain curve图1 2 开裂损伤与开裂应变之间的关系Fig1 2 Relationship botween tensile damage andcracking St rain度为600 rIlm。有限元网格见图
20、13在外墙EPS构件的顶面施加竖直向(Y向)均布荷载通过逐级增加荷载量直至构件破坏来进行典型EPS构件的极限承载力计算图14为所施加总倚载与EPS构件悬挑端(A点)位移关系曲线由最终计算结果发现典型EPS构件极限承载力为5796 kN，极限荷载下EPS构件外边缘A点的位移为6464 mFFI隆I l o”典型l：Ps陶f自；艮Lftq恪Fig1 3 EPS cornt；-onent finite element nlesh原型结构现场试验采用顶面堆载的方法施加竖向荷载，堆载块采用1：o kg的标准铸铁块当堆载到4j块，即竖向简载为j。l kN时EPS构件和墙体相连的上根部受拉五内的抹灰砂浆出现
21、较大裂缝，裂缝表面局部位置的玻璃纤维断裂，裂缝和墙面呈45。向EPS构件内部扩展对比有限元计算和现场原型试验结果发现无论是极限承载力还是结构的最终破坏形式均一致，605040互专30-。12010() 10 ：0 3() 4() 5() 6n 70Displacement of point Amm图1 1 EPS装饰构件荷载一位移曲线图Fig14 Ioad displacement e11rve for ElS comt)onent这说明建立在试验基础上的数值计算方法对结构的分析是有效的3 结论(1)通过实验室测试得到了EPS材料的基本力学性能参数：弹性模量为6 629 kPa泊松比接近0(取
22、0001)单轴抗压强度为147 kPa单轴抗拉强度为293 kPa，断裂能为246 NFn 、(2)采用弹塑性损伤本构模型来描述EPS装饰线条构件的主要组成材料EPS可以较好地体现材料的主要力学特征(3)原型结构的试验结果与数值分析结果一致表明采用数值手段进行试验仿真是可行的(4)数值仿真给EPS装饰线条构件改进设计提供依据可替代部分试验为加快EPS装饰线条构件系统的研发提供有效快速的评价参考 参考文献：侧篡黧篡兰=一黼一一“i哪第一_i|_峨陬一一一扎一一砖一龇一一一一一一一一吓Mm删虬_三州虮体=三阶眦一蛐靴一一一一黼叭刚一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一i
23、一一一一一一。一一一：蓁一一一一一一一一一万方数据656 建筑材料学报 第16卷toric timber buildingsVJEngineering Mechanics，2006，23(10)：168172(in Chinese)r-14王来，王铁成，陈倩低周反复荷载下方钢管混凝土框架抗震性能的试验研究EJ3地震工程与工程振动，2003，23(3)：U3177WANG Lai，WANG Tiecheng，CHEN QianExperimentalstudy on seismic performance of concretefilled rectangular tubular frame u
24、nder lowreversed cyclic loadingr-JEarthquakeEngineering and Engineering Vibration，2003，23(3)：113177(in Chinese)带带掣钟删础求掣谍水水水oe气e弋e带1e气。气。口。口。帑。口，冒e霄。弋。口。督。譬。口oto口。胄。弋。胄。胄。胄oto譬。譬。譬。弋Gto弋。霄。霄。督巳督e(上接第641页)r-sTHOMPSETT D J，WALKER A，RADIEY R J，et a1Design678and construction of expanded polystyrene emban
25、kments：Practical design methods as used in the United KingdomJConstruction and Building Materials，1995，9(6)：403411HORVATH J SExpanded polystyrene(EPS)geofoam：An introduction to material behaviorJGeotextiles and Geomembrances。1994，13(4)：263-280DUSKOV MMaterials research on EPS20 and EPSI 5 underrepre
26、sentative conditions in pavement structuresJGeotextiles and Geomembranees，1997，16(3)：147181熊志远，张俊彦，毛快密度和应变率对聚苯乙烯泡沫(EPS)准静态压缩力学行为的影响r-J材料科学与工程学报，2007，2593(4)：606608XIONG Zhiyuan，ZHANG Junyan，MAO KuaiEffects ofdensity and strain rate on quasi static compressive behavior ofEPSJJournal of Materials Scie
27、nce&Engineering，2007，25(4)：606608(in Chinese)杜骋，杨军聚苯乙烯泡沫(EPS)的特性及应用分析J东南大学学报：自然科学版，2001，31(3)：138142DU ChengYANG JunExpanded polystyrene(EPS)foam：Ananalysis tO characteristics and applicationsJJournal ofSoutheast University：Natural Science，2001，31(3)：138142(in Chinese)万方数据EPS材料力学性能测试及装饰构件数值仿真作者： 孙立国， 杜成斌， 王大鹏， SUN Li-guo， DU Cheng-bin， WANG Da-peng作者单位： 孙立国,杜成斌,SUN Li-guo,DU Cheng-bin(河海大学力学与材料学院,江苏南京,210098)， 王大鹏,WANGDa-peng(南京巽泽装饰工程有限公司,江苏南京,210098)刊名： 建筑材料学报英文刊名： Journal of Building Materials年，卷(期)： 2013,16(4)本文链接：http:/
