鋼框架裝配式混凝土抗側力墻板結構受力性能

【摘要】在很多工程建設中都會選用鋼框架裝配式混凝土抗側力墻板結構，該結構優勢明顯，集中了兩個結構的很多優點，但是在實際應用中，為了保證建筑工程結構的安全性，必須對該結構的受力情況進行分析，在施工應用前進行試驗，主要選擇了三種工況，分析其受力變化情況，從而得到在不同結構中，不同載荷下結構的穩定性，受力是否平衡和安全，下面就對這些方面進行分析，希望給有關人士一些借鑒。

【關鍵詞】混凝土抗側力；墻板結構；受力性能

對于鋼框架裝配式混凝土抗側力墻板結構而言，其優勢比較明顯，主要原理是將內填式混凝土墻和鋼框架組成到一起，這樣就集中了這兩個結構的優點，在實際應用中可以進行多道抗震設防，具有非常好的延展性，在抗側面剛度非常大，隨著科學技術的發展，當前已經研究出了很多種的內填式墻體，例如在我國常用的主要有鋼—混凝土組合剪力墻、鋼板剪力墻、鋼筋混凝土剪力墻等，下面就分析在實際應用中其受力情況。

1、案例

1.1分析試驗試件情況

在試驗過程中選用的試件材料為型鋼，構件為一個框架柱，其材料規格為HW300×300×10×15，選用的框架梁規格為HN350×175×7×11，也是一種型鋼，該試件層高達到了2.8m，整個跨度長為4.2m，對于梁和柱的節點連接，技術人員選用了栓焊剛性連接的方式。在此基礎上，選用了預制混凝土抗側力墻結構，在這一結構中設置了2根型鋼，型號為I10，墻體的設計規格為1200mm×120mm，整個墻高達到了2180mm，這一墻體整體的配筋情況如下圖所示。

1.2分析試件中使用型鋼的主要力學參數

為了保證施工質量，對使用型鋼的主要力學參數進行分析，進行澆筑時預留100mm的立方體混凝土，同時對其進行養護，得到其平均抗壓強度是31.3MPa。

1.3對試件采取加載的方式分析

在研究中主要的加載方式有三種，分別是模擬施工安裝階段墻體定位時受力狀態，模擬施工安裝階段螺栓終擰時受力狀態，模擬使用階段墻體受力狀態。

注：每種工況施加完畢后，卸荷，再進入下一工況；300kN約為一層樓面的恒載和施工活荷載之和，450kN約為9層樓面的使用活荷載；終擰預緊力參照JGJ82—1991《鋼結構高強度螺栓連接的設計、施工及驗收規程》取值，定位初擰預緊力約為終擰預緊力的2%；300kN分3級加載，每級增量100kN，450kN分4級加載，前三級每級增量100kN，最后一級增量為150kN。

2、分析豎向荷載的整體分配情況

相關技術人員為了能夠有效研究出試件在使用中的受力情況，因此選擇在三種不同受力情況下進行分析，從根本上了解試件的各項參數，進而從中優選出最佳的方案。在施工安裝階段和使用階段豎向荷載傳遞規律，根據所設置邊界條件的不同，對試件進行加載，在這次分析中主要設計了3種豎向加載工況。在墻體頂部中所設置的高強螺栓，共設置了兩個狀態，分別是終擰和定位初擰，對于墻體的底部還設置了千斤頂，也有兩種狀態，分別是放松和頂緊兩種狀態，做好這些方面的工作之后，就可以對下層墻體和上層墻體之間的約束情況進行模擬和分析。第一種情況，對施工安裝階段進行模擬，先完成墻體的定位工作，分析其實際的受力狀態。在墻體頂部使用高強度的螺栓，將試件進行定位，位置設置好之后就可以進行初擰。對于在墻體底部的千斤頂而言，將其設置在放松狀態，這樣就表示下層墻體的螺栓主要作用就是進行定位與初擰，其對上層墻體產生的約束非常小。第二種情況，對施工安裝階段進行模擬分析，先將螺栓進行終擰，然后分析其受力狀態，墻體頂部的高強度螺栓進行終擰，對墻體底部的千斤頂設置為放松狀態，這樣就表示下層墻體螺栓尚未終擰。第三種情況，對使用階段進行模擬，分析墻體實際的受力情況，這一層墻體頂部高強螺栓終擰，墻體底部千斤頂設置為頂緊狀態。

3、分析不同因素對試件試驗效果的影響情況

3.1對有限元的分析

在分析的過程中，技術人員使用了ABAOUS軟件進行有限元的分析，對于系統中的摩擦型高強螺栓、抗側力墻體、鋼框架等，都使用C3D8 R進行模擬分析，對于其中的鋼筋網而言，選用了桁架T3D2進行模擬分析。其中在分析抗側力墻體、鋼框架時，所使用的單元網格尺寸是0mm，而分析螺栓時其單元網格尺寸是3mm。對于混凝土構件選用了損傷塑性模型進行分析，對于鋼材的構件選用同性彈塑性材料進行模型。分析螺栓預緊力時主要采取了兩個步驟，第一步，內表面選擇了螺栓桿的中間截面，基準軸是螺栓中心線。在第二步中部改變螺栓的長度，對其施加一定的預緊力，再對螺栓的接觸屬性進行定義，硬接觸方式應用到了法向上，在框架梁1200mm×175mm范圍內的節點中施加力，這樣就可以模擬出這一構件在豎向上所承擔的荷載，并對框架柱腳進行有效的約束，約束自由度時必須從6個方向，分析在試驗情況下，千斤頂作用范圍內的節點對上層墻體的產生的作用情況。具體的有限元分析情況可以參考下圖進行分析。

3.2分析擰緊力對受力的影響情況

當控制預緊力是0kN時，整個框架柱所承擔的豎向荷載占到99%，抗側力墻體卻只擔負1%，在這種情況下框架梁會出現很大的變形，預算其最大變量為5.8mm，但是在底部不會出現很大的變形。不斷增加預緊力過程中，框架柱能夠承擔的力開始降低，抗側力墻體承擔的力開始增加，直到不出現移動為止，在這種情況下，框架柱會擔負60%的力，抗側力墻體會擔負40%的力，這是二者的變形量是相同的。通過這些內容的試驗可知，為了確保抗側力墻體所承擔的力變小，在開始定位過程中也要將預緊力的取值設置較小為宜。

3.3分析墻體發生偏移的影響情況

在工程中實際應用時，必須對門洞、窗口進行分析，綜合考慮布置情況，一般偏移比設置為η，分析其有限元情況，通過試驗分析，當對設置的墻體位進行改變時，不會影響抗側力墻體承擔的荷載，而框架柱承擔的荷載大約占到總荷載的32%，抗側力墻體承擔荷載占到總的68%，當墻體的位移不斷變大之后，距離

墻體很近的框架柱受力開始發生變化，由于結構發生改變，其所承受的荷載也開始變化，通過計算發現其承受的荷載呈下降趨勢，而開始遠離墻體的框架柱承擔的荷載就不斷升高，兩端所承擔的荷載之差分別是0%，17%，26%，28%，由此可見，當墻體位置發生偏移之后，其所受力情況發生很明顯的改變，而且兩端承受的力不斷變大。

4、鋼框架裝配式混凝土抗側力墻板結構試驗結果分析

4.1分析試驗的基本情況

將使用的螺栓終擰，然后試件在工況一第二級荷載情況下進行加載，然后進行滑動[1]，達到第三級荷載之后這個加載過程就完成了，試件在工況二和三情況下進行加載，螺栓擰緊時沒有發生上述的滑動問題。通過對這三種工況分析，發現試件結構都沒有發生太大的變化，而且抗側力墻體也沒有出現明顯的裂縫，無裂縫產生。通過對應變片數據的分析發現構件都處于彈性工作階段。

4.2對實踐試驗中的變形分析

通過分析得知，當試件在同一種工況下，當構件的豎向荷載開始增加會，框架梁撓度開始增大，當試件在工況一情況下，工作人員對其進行加載后，頂部框架梁發生嚴重變形，變量在4mm左右，和工況二、工況三對比，變形情況要大很多，根本原因就是定位螺栓擰緊程度只達到2%，由于載荷超過100kN，其開始發生滑動。在工況二的情況下進行加載發現和工況一、工況三對比，試件底部的變形量要大很多[2]。

4.3分析在豎向試件受力情況

在工況一中，完成試件加載后，發現抗側力墻體只承擔18%豎向荷載。在工況二中，框架柱荷載分擔率是44%，在工況三中墻體頂部高強螺栓終擰且底部千斤頂頂緊，墻體承擔大部分豎向荷載，分擔率是94%[3]。

4.4對試驗結果進行綜合論述

上述主要分析了鋼框架一預制混凝土抗側力墻裝配式結構體系，為了掌握試件在實際應用中的受力情況，分析不同設計應用的效果，從而選擇一種最佳的設計方式。主要分析了試件在三種不同工況下的加載情況，最終得到下面幾方面的結論。第一點，施工時先對墻體進行定位，在這一體系中框架柱能夠承擔建筑上部大部分的豎向荷載，抗側力墻體所承載的豎向荷載非常小，進行安裝過程中，

選用從上到下的擰緊方式，這樣框架柱所承擔的豎向荷載占到總的60%，而抗側力墻體所承擔的豎向荷載占到40%。投入使用之后，荷載會由抗側力墻體和框架柱共同承擔荷載，框架柱豎向荷載會承擔32%，而抗側力墻體豎向荷載會承擔68%。第二點，對其進行安裝過程中，為了降低抗側力墻體所承擔的荷載，工作人員在對其進行定位初擰時，所設置的預緊力必須要小，同時使用從下到上的擰緊順序，這樣墻體所承擔的載荷變小。第三點，在實際使用過程中，墻寬梁跨之間的比例值開始增大，這樣在豎向上框架柱所能承擔的荷載變小，抗側力墻體承擔的力就會變大。第四點，在實際應用過程中，一般不會選擇居中的方式設置抗側力墻體，直接導致在其兩側的框架柱承載的荷載不均勻，因此在施工中具體應用時，如果工程對洞口、門窗沒有什么特殊的要求，可以選擇居中方式設置。

總結：

通過以上對鋼框架裝配式混凝土抗側力墻板結構受力性能分析，在施工安裝時，抗側力墻體承擔的豎向荷載很小，擰緊了的取值也很小，在使用過程中，由于墻體整體寬度增加，其在豎向的荷載分擔開始降低，但是抗側力墻體在荷載開始增加，在使用的時候，在中間布置抗側力墻體，這樣兩側的框架柱受力分布不均勻，因此在實踐工程應用中，如果工程對窗戶洞口沒有特別的要求，那么就可以在中間布置抗側力墻體，確保整體的受力安全。