高層EPS格構式墻體與傳統墻體地震響應分析★

解 瑞 曹啟坤 沈燕梅

(遼寧工程技術大學建筑工程學院，遼寧 阜新 123000)

?

·結構·抗震·

高層EPS格構式墻體與傳統墻體地震響應分析★

解 瑞 曹啟坤 沈燕梅

(遼寧工程技術大學建筑工程學院，遼寧 阜新 123000)

基于一棟12層框架—EPS格構式混凝土墻體結構高層住宅，一棟剪力墻結構及一棟砌體結構,在8度基本設防的EL-Centro波地震作用下，運用ANSYS大型有限元數值模擬軟件,對其進行了非線性時程分析，并對三個結構模型的加速度峰值、層間位移角和抗側剛度作了對比，得出格構式墻體結構抗震性能強于砌體結構，弱于剪力墻結構，為其在以后實際工程中應用提供了依據。

格構式混凝土墻體，砌體結構，剪力墻結構，地震響應，ANSYS

1 概述

水泥聚苯模殼(Expandable Polystyrene Shuttering，簡稱EPS)格構式混凝土墻體中水泥聚苯模殼是由聚苯顆粒、水泥、水、外加劑等混合攪拌,按一定的規格尺寸澆筑模壓成型的單片模殼,再經模壓合模,形成具有縱、橫向內芯孔的整塊殼體墻體材料,根據需要在芯孔內配置一定數量的鋼筋,澆筑免振搗自密實混凝土,即形成格構式復合墻體[1],國外也稱納士塔(RASTRA)墻體[2，3]。水泥聚苯模殼具有良好的保溫、防火性能，并且在施工階段作為澆筑格構式混凝土梁、柱的模板,在使用階段作為建筑外墻保溫材料,該模殼可預先在工廠生產再到現場拼裝成墻板,亦可在工廠制成墻板運到現場再進行拼裝[4]。

水泥聚苯模殼格構式混凝土墻體是一種集輕質、保溫、承重、防火、隔聲、抗震、耐久和環保等多功能于一體的，不同于傳統建筑保溫墻體結構形式的新型復合墻體建筑結構體系[5]。但是該墻體目前在國內外僅用于6層以下的承重保溫墻體建筑[4]，因此對高層格構式混凝土墻體地震響應分析是很有意義的。在高層EPS格構式混凝土墻體地震響應分析中，得出在不同設防烈度作用下，EL-Centro波對結構的地震響應最大。本文在此基礎上，研究EPS格構式墻體與傳統墻體地震響應，從而對這種新型節能墻體進行更充分的研究，為實際工程提供依據。

2 結構與有限元模型

2.1 模型一

框架與EPS格構式混凝土墻體混合結構，12層高層住宅，層高為2.8 m，結構開間為3.6 m～4.5 m。抗震設防烈度為8度，抗震設防為丙類，地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。建筑結構樓板厚100 mm，結構墻均為250 mm厚，模殼芯孔直徑160 mm，芯孔圓心間距為400 mm，考慮端柱、邊柱、轉角柱加強，1層～12層樓板墻體均采用強度等級為C30的混凝土，梁柱混凝土強度等級C35。有限元模型材料參數見表1。

表1 有限元模型材料參數

有限元結構模型建立時，墻體運用Beam188單元，樓板采用單元Shell63，4 500開間的洞口尺寸為2 800×1 200，3 600開間的洞口尺寸為2 000×1 200，戶門洞口尺寸為2 800×2 000，計算模型每層包括結構外圍的EPS格構式混凝土墻體和內部的4根400×400的框架柱，總計12層。計算單元數包括：18 750個Beam單元，7 015個Shell單元，總計單元數25 765個，節點數是16 080個。結構模型本構關系采用雙線性隨動強化(Bilinear Kinematic Hardening Plasticity)材料模型。首層結構圖見圖1，新型格構式墻體有限元模型見圖2。

2.2 模型二

由于格構式混凝土結構墻體是先砌筑EPS模殼，粘合組裝成墻體，在其內部孔槽澆筑混凝土或者穿插鋼筋后澆筑混凝土，在墻體內部形成剛性骨架。與砌體結構的施工砌筑過程有一定的相似性，因此，“模型二”選用相同結構布置的砌體結構[6]作為對比分析。計算單元數包括：3 268個Beam單元，15 583個Shell單元，總計單元數18 851個，節點數是15 564個。

2.3 模型三

格構式混凝土結構墻體源于剪力墻結構，格構式混凝土結構又稱為多孔剪力墻，因此，“模型三”選用相同結構布置、幾何尺寸、材料的實體剪力墻結構[7]作為對比分析，計算單元數包括：3 268個Beam單元，15 583個Shell單元，總計單元數18 851個，節點數是15 564個；由GB 50003—2011砌體結構設計規范[8](以下簡稱《砌規》)與《混規》查得：剪力墻結構與砌體結構的材料參數見表2，其有限元模型見圖3。

3 三種不同結構模型的地震響應

表2 有限元模型材料參數 MPa

結構模型的地震響應分別從加速度、位移、抗側剛度等分析結構的抗震性能。其中抗側剛度等于剪力與層間位移的比值。抗側剛度是指在單位力作用下，工程結構頂部的側移。側移剛度的大小與材料本身的彈性模量、剪切模量、構件或結構的截面形狀、邊界條件等因素以及外力的作用形式有關。考慮彈塑性時，抗側剛度數值不同，如果是線彈性分析，抗側剛度是個定值。模型一與模型二可對比“格構式墻體結構與砌體結構”在抗震地區抗震性能的優劣勢；與模型三可對比“墻體有無網格”對結構模型應力分布與抗震的影響。

3.1 加速度方面

模型一、二、三在EL-Centro波8度基本設防地震作用下頂層的加速度時程曲線如圖4所示，三個模型各樓層處加速度峰值和加速度放大系數見表3。

表3 各層代表節點加速度峰值及放大系數

標高/m峰值加速度/cm·s-2加速度放大系數模型一模型二模型三模型一模型二模型三2.874.2653.3629.490.370.270.155.6161.70115.5167.480.810.580.348.4244.99181.49114.481.220.910.5711.2319.76245.62166.861.601.230.8314.0384.83305.10221.711.921.531.1116.8441.25357.85277.572.211.791.3919.6502.74402.76333.082.512.011.6722.4555.64446.86390.042.782.231.9525.2600.73503.65451.493.002.522.2628.0641.51555.06509.453.212.782.5530.8686.52603.54562.783.433.022.8133.6722.61654.39611.073.613.273.06

從圖4中加速度時程曲線可知：模型三(剪力墻結構)的加速度值最小，模型二(砌體結構)次之，模型一(芯孔直徑為160 mm的格構式墻體結構)的加速度值最大。表3中模型一的加速度放大系數最大，模型三的最小，模型二位于中間。

3.2 位移方面

模型一、二、三在EL-Centro波8度基本設防地震作用下頂層的加速度時程曲線如圖5所示，三個模型各樓層處位移峰值和層間位移角見表4。

表4 各層代表節點峰值位移及層間位移角

標高/m峰值位移/mm層間位移角模型一模型二模型三模型一模型二模型三2.83.951.951.040.00140.00070.00045.68.764.882.650.00170.00100.00068.413.728.224.570.00180.00120.000711.218.6511.766.690.00180.00130.000814.023.4415.348.940.00170.00130.000816.828.0018.9611.240.00160.00130.000819.632.2622.5713.530.00150.00130.000822.436.1526.0315.750.00140.00120.000825.239.6929.3017.880.00130.00120.000828.042.7832.4419.860.00110.00110.000730.845.3735.4521.690.00090.00110.000733.647.4938.2023.380.00080.00100.0006

由表4與圖5可知：模型總體從底層至頂層位移峰值呈增大趨勢；各模型層間位移角從底層至4層逐漸增大、5層至頂層逐漸減小，且模型一、模型二的最大層間位移角為0.001 8，0.001 3,都超過《抗規》中關于抗震墻結構的彈性層間位移角限值，但遠小于塑性層間位移角限值；模型三的最大層間位移角為0.000 8，小于抗震墻結構的彈性層間位移角限值，說明模型一、二在8度基本設防地震作用下處于塑性狀態，模型三仍處于彈性階段。

EL-Centro波作用下(0.2g)模型的層間位移角見圖6。

3.3 抗側剛度方面

表5 各層代表節點剪力、層間位移及抗側剛度

模型一、二、三的各層剪力、層間位移、抗側剛度列于表5中，由表中數據可知：模型二(砌體結構)的整體抗側剛度大于模型一(格構式墻體結構)且小于模型三(剪力墻結構)，隨著樓層升高，各模型抗側剛度均減小，說明結構越高在地震作用下，越易發生側移。模型二與模型一抗側剛度進行對比可知：在1層～10層模型二的抗側剛度均大于模型一，但11，12層開始小于模型一，說明砌體結構的延性較差，不適合高層建筑結構，且隨著樓層上升，抗側剛度減幅逐漸變緩在地震作用下易破壞。模型三與模型一抗側剛度進行對比可知：在一到頂層，模型三的抗側剛度均大于模型一，且模型三的抗側剛度減少幅值均大于模型一，說明剪力墻較格構式墻體更利于抗震、安全性[9]較高，但從經濟性角度出發，在保證建筑結構安全性能的前提下，格構式墻體結構的造價更低，用材更省，減少對環境的影響從而實現對傳統材料(如混凝土)的低消費，降低浪費同時消除模板。同時從結構和可持續性建筑的觀點出發，旨在保持預制建筑方法同時改善傳統結構保溫性能，從而減少建筑物整個生命周期的能源需求。

4 結語

本章基于高層框架—EPS格構式混凝土墻體結構高層住宅，一棟剪力墻結構及一棟砌體結構，運用ANSYS大型有限元數值模擬軟件對其進行了非線性時程對比分析，并在8度基本設防的EL-Centro波地震作用下，對三個結構模型的加速度峰值、層間位移角和抗側剛度分別對比，得出以下結論：

1)各建筑結構模型在8度基本設防地震(0.20g)作用下，模型三(剪力墻結構)滿足《抗規》中規定的鋼筋混凝土抗震墻彈性最大層間位移角限值要求，處于彈性變形階段；模型一和模型二均進入塑性階段且位于鋼筋混凝土抗震墻彈塑性層間位移角限值之內。

2)通過三種不同結構模型的地震響應對比分析可知：結構模型在8度基本設防地震(0.20g)作用下，模型三(剪力墻結構)的加速度放大系數、層間位移角、抗側剛度依次大于模型二(砌體結構)、模型一(格構式墻體結構)，其中10層以上模型二(砌體結構)的抗側剛度小于模型一(格構式墻體結構)，說明砌體結構的延性較差，不適合高層建筑結構。

3)與傳統結構對比表明：EPS格構式混凝土墻體住宅就是將其剪力墻的剛度降低，從而增減其變形能力，即提高剪力墻的延性，進而增強結構本身的抗震性能。與此同時，與傳統剪力墻、砌體結構相比，從經濟性角度出發，在保證建筑結構安全性能的前提下，格構式墻體結構的造價更低、用材更省，減少對環境的影響從而實現對傳統材料(如混凝土)的低消費、消除模板使用。同時從結構和可持續性建筑的觀點出發，旨在保持預制建筑方法同時改善傳統結構保溫性能，從而減少建筑物整個生命周期的能源需求。

[1] 喬 巍,馬志春,常海亮.格構式混凝土墻體用水泥聚苯模殼生產與應用研究[J].墻材革新與建筑節能,2013(8):52-59.

[2] Chen Bing,Liu Juanyu.Properties of lightweight expanded polystyrene concrete reinforced with steel fiber[J].Cement and Concrete Research,2004(34):1259-1263.

[3] Babu K C,Babu D S.Behavior of lightweight expanded polystyrene concrete containing silica fume[J].Cement and Concrete Research,2004(33):755-762.

[4] CECS 173—2004，水泥聚苯模殼格構式混凝土墻體住宅技術規程[S].

[5] 張良純.水泥聚苯模殼格構式混凝土建筑體系技術應用[J].建設科技,2008(17):74-75.

[6] 張 巍.免拆墻模復合剪力墻體系保溫性能與抗震性能的分析與研究[D].太原：太原理工大學,2004.

[7] 章紅梅.剪力墻結構基于性態的抗震設計方法研究[D].上海：同濟大學,2007.

[8] GB 50003—2011,砌體結構設計規范[S].

[9] 周 攀.隧道型鋼鋼架噴混凝土支護安全性分析[D].北京：北京交通大學,2011.

Seismic response analysis of high-rise EPS lattice type wall and traditional wall★

Xie Rui Cao Qikun Shen Yanmei

(CollegeofCivilEngineering,LiaoningTechincalUniversity,Fuxin123000,China)

This paper was based on a twelve story frame-EPS lattice type concrete wall structure high-rise residential building, a shear wall structure and a masonry structure, the nonlinear time history analysis was carried out by using the ANSYS large finite element numerical simulation software under EL-Centro wave seismic action of 8 degree basic fortification,the acceleration peak value, the displacement angle and the lateral stiffness of the three structure models were compared, it is concluded that the seismic performance of the frame wall structure is stronger than that of the masonry structure, which is weaker than that of the shear wall structure, and the conclusion provideds some basis for the application of lattice type wall structure in practical engineering.

lattice type concrete wall, masonry structure, shear wall structure, seismic response, ANSYS

1009-6825(2017)10-0030-04

2017-01-23★:國家自然科學基金項目(51474045)

解 瑞(1993- )，男，在讀碩士

TU352

A