基于鋁模的新型現(xiàn)澆空心混凝土隔墻性能有限元分析

劉玉靜，鄒明洋，何 晏

(中鐵成都規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)裝配式建筑施工正在大力推廣，傳統(tǒng)施工中的木模板回收利用率低，無(wú)法滿足綠色建筑施工要求。鋁模板自身密度小、重量輕，周轉(zhuǎn)次數(shù)可達(dá)300多次，具備經(jīng)濟(jì)高效、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，其在高層建筑中的廣泛應(yīng)用對(duì)我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重大意義[1]。

鋁模施工技術(shù)要求將外墻砌體填充墻全部?jī)?yōu)化為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，與主體結(jié)構(gòu)同時(shí)現(xiàn)澆，從而降低工程造價(jià)，提高施工質(zhì)量，縮減建設(shè)周期。然而此種做法會(huì)造成結(jié)構(gòu)自重變大、剛度變大，進(jìn)而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)剪力墻軸壓比超限、基礎(chǔ)承載力不足等問(wèn)題，影響主體結(jié)構(gòu)安全。傳統(tǒng)的解決辦法是增大基礎(chǔ)、提高基礎(chǔ)整體承載力、加大上部結(jié)構(gòu)配筋和截面，但這會(huì)造成整體成本的增加和建設(shè)周期的延長(zhǎng)。

白翔[2]針對(duì)全現(xiàn)澆混凝土在施工過(guò)程中出現(xiàn)的墻體開(kāi)裂和彈性變形能力下降等問(wèn)題，提出了采用結(jié)構(gòu)拉縫技術(shù)達(dá)到釋放變形量，進(jìn)而減小對(duì)主體結(jié)構(gòu)影響的目的。然而這種技術(shù)只能解決結(jié)構(gòu)剛度不受影響的問(wèn)題，對(duì)結(jié)構(gòu)自重的增加無(wú)法解決。基于此，本文提出了一種新型現(xiàn)澆空心混凝土隔墻(以下簡(jiǎn)稱(chēng)空心墻)，利用通用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行參數(shù)建模分析[3]，得出4種不同管徑的空心墻在極限狀態(tài)下的性能參數(shù)，為空心墻的利用及推廣提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

某工程由13棟層數(shù)為32～33層的高層住宅樓和商業(yè)、配套、設(shè)備用房、地下室車(chē)庫(kù)及附屬設(shè)施組成，項(xiàng)目總建筑面積約291 120.11 m2。本項(xiàng)目高層住宅占比較大，采用鋁模加爬架的施工工藝，用以提高施工效率，降低工程成本，提高施工效率，實(shí)現(xiàn)建筑外墻一次性現(xiàn)澆成型。

2 隔墻選取

對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有現(xiàn)澆混凝土隔墻材料容重、施工工藝、結(jié)構(gòu)性能、成本等方面進(jìn)行綜合比較(見(jiàn)表1)，空心墻在鋁模施工中有明顯優(yōu)勢(shì)，故選取為本項(xiàng)目隔墻做法。

3 空心墻有限元模型的建立

3.1 模型概況

為了實(shí)現(xiàn)空心墻，可采用的芯模主要有紙管、泡沫塑料條、聚苯乙烯塑料條、PVC管、GRC管等。綜合比較以上材料的優(yōu)缺點(diǎn)，本工程選用PVC管作為墻體芯模材料，并針對(duì)市場(chǎng)上在售PVC管的直徑種類(lèi)，分別選用89 mm、114 mm、141 mm和168 mm四種直徑，放置于截面尺寸為3 000 mm×2 000 mm×200 mm的混凝土墻體中進(jìn)行模擬分析。

表1 方案比選一覽表Tab.1 List of alternatives

3.2 材料本構(gòu)關(guān)系

本項(xiàng)目將ABAQUS的塑性損傷模型作為材料的本構(gòu)模型，模擬單元采取收斂性較好的C3D8R單元(見(jiàn)圖1)，該單元是八節(jié)點(diǎn)六面體，具體有限元計(jì)算模型(見(jiàn)圖2)。塑性損傷模型基于壓縮塑性和同向拉伸的模式來(lái)表示混凝土的非彈性行為，可真實(shí)反映構(gòu)件的剛度退化現(xiàn)象，同時(shí)可以用于構(gòu)件的循環(huán)加載、動(dòng)態(tài)加載、非比例加載和單向加載等復(fù)雜情況，符合本次有限元模擬的基本要求。

3.3 混凝土材料參數(shù)確定

ABAQUS需要填入曲線對(duì)應(yīng)的特征值，可以直接被程序調(diào)用。本項(xiàng)目采用的鋼筋材料和混凝土材料性質(zhì)如表2和表3所示。

表2 鋼筋材料性質(zhì)Tab.2 Properties of steel bars

表3 混凝土材料性質(zhì) Tab.3 Properties of concrete bars

3.4 荷載的施加

在有限元分析中，為更好地研究結(jié)構(gòu)的抗震性能，可通過(guò)對(duì)構(gòu)件施加低周反復(fù)荷載，建立結(jié)構(gòu)在地震力作用下的恢復(fù)力特性，確定結(jié)構(gòu)恢復(fù)力的有限元計(jì)算模型。本項(xiàng)目所施加的位移加載曲線如圖3所示。

4 模型計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 塑性損傷分析

為了進(jìn)一步比較4種管徑下的空心墻在極限荷載下的破壞情況，分別提取4種情況下的混凝土受壓積累損傷，即塑性損傷云圖(見(jiàn)圖4～7)，并計(jì)入損傷因子d，損傷因子越大，表明構(gòu)件損傷程度越大。可以看出，4種管徑的墻體破壞形態(tài)基本一致，所有破壞并未擴(kuò)散至整個(gè)構(gòu)件。最大損傷因子分別為0.534 5，0.403 6，0.944 8，0.887 4，管徑89 mm與114 mm的損傷因子相差甚微，管徑141 mm與168 mm的損傷因子較為接近。

圖3 位移加載曲線Fig.3 Displacement loading curve

圖4 管徑89 mm受壓損傷云圖Fig.4 Pipe diameter 89 mm compression damage cloud

圖5 管徑114 mm受壓損傷云圖Fig.5 Pipe diameter 114 mm compression damage cloud

圖6 管徑141 mm受壓損傷云圖Fig.6 Pipe diameter 141 mm compression damage cloud

圖7 管徑168 mm受壓損傷云圖Fig.7 Pipe diameter 168 mm compression damage cloud

4.2 滯回曲線分析

滯回曲線能夠反映構(gòu)件在周期性反復(fù)荷載作用過(guò)程中的剛度退化、能量消耗和變形特性[4]，形狀越飽滿說(shuō)明其越能較好地吸收地震能量，具備更好的抗震性能和耗能能力。4種管徑下的空心墻滯回曲線如圖8～11所示，由圖可知，4種空心墻滯回曲線均為梭形，滯回環(huán)飽滿，構(gòu)件具有非線性恢復(fù)力特性。加載初期，變形均能完全恢復(fù)；屈服階段時(shí)，構(gòu)件承載力均有一定程度的提高，對(duì)于管徑168 mm的墻體提高程度最為明顯；卸載后，各構(gòu)件混凝土均有較好的恢復(fù)，但管徑168 mm的包絡(luò)面積最大，表明其耗能能力最好，抗震性能最優(yōu)，管徑89 mm次之。

4.3 骨架曲線分析

骨架曲線是將滯回曲線中的極值點(diǎn)依次連接得到的包絡(luò)曲線，反映了構(gòu)件變形與受力不同階段的特性，能夠較為準(zhǔn)確地反映循環(huán)加載達(dá)到最大峰值應(yīng)力的軌跡[5]。4種不同管徑的空心墻骨架曲線對(duì)比如圖12所示，由圖可知，加載初期，彈性階段中變形速率大致相同，隨后進(jìn)入塑性階段，斜率均逐漸減小，進(jìn)入屈服階段時(shí)，破壞沿節(jié)點(diǎn)域向四周擴(kuò)散，墻體發(fā)生彎剪破壞，所有模型的承載力均開(kāi)始趨于平穩(wěn)，168 mm管徑空心墻承載力峰值最高，抵抗變形能力較強(qiáng)，管徑89 mm次之，141 mm管徑空心墻承載性能最弱。由于4種模型空心率的不同，承載力下降速度發(fā)生相應(yīng)變化。

圖8 管徑89 mm滯回曲線Fig.8 Pipe diameter 89mm hysteretic curve

圖9 管徑114 mm滯回曲線Fig.9 Pipe diameter 114mm hysteretic curve

圖10 管徑141 mm滯回曲線Fig.10 Pipe diameter 141 mm hysteretic curve

圖11 管徑168 mm滯回曲線Fig.11 Pipe diameter 168mm hysteretic curve

圖12 四種管徑空心墻骨架曲線對(duì)比Fig.12 Comparison of skeleton curves of four hollow walls with different diameters

4.4 剛度退化分析

剛度是彈性變形難易程度的表征，反映了構(gòu)件在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力，同時(shí)也是構(gòu)件塑性變形發(fā)展的充分體現(xiàn)[6]。根據(jù)滯回曲線的形狀，在荷載為零時(shí)所確定的切線剛度，可作為加載或卸載的剛度[7]。在循環(huán)反復(fù)荷載作用下，構(gòu)件剛度可用割線剛度K表示，正向加載時(shí)，按照公式(1)進(jìn)行計(jì)算；負(fù)向加載時(shí)，按照公式(2)進(jìn)行計(jì)算：

Ki=Pi/Θi

(1)

ki=pi/θi

(2)

式中：Pi為第i級(jí)正向荷載值；Θi為Pi對(duì)應(yīng)的位移值；pi為第i級(jí)負(fù)向荷載值；θi為pi對(duì)應(yīng)的位移值。由公式可計(jì)算出施加荷載的剛度退化值，將這些數(shù)值連接起來(lái)便得到剛度退化曲線，如圖13所示。

圖13 四種管徑空心墻剛度曲線對(duì)比Fig.13 Comparison of stiffness curves of hollow walls with four diameters

4種管徑的空心墻剛度退化曲線均對(duì)稱(chēng)，在整個(gè)加載過(guò)程構(gòu)件剛度隨著位移的增大而減小，整個(gè)過(guò)程中一直在退化，且4種模型的剛度退化趨勢(shì)幾乎一致。168 mm管徑空心墻初始剛度最大，管徑141 mm最小。隨著位移的增加，斜率均趨于平穩(wěn)，剛度退化逐漸減弱。

5 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益分析

本工程所使用的以PVC管作為內(nèi)模的空心墻，具有材料容重輕、對(duì)結(jié)構(gòu)剛度影響小、結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定、施工工藝簡(jiǎn)單、施工速度快等特點(diǎn)，且對(duì)材料的要求較低、取材方便、施工成本較低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，此項(xiàng)目總計(jì)節(jié)省建設(shè)周期約30 d，直接節(jié)省成本約300萬(wàn)元。

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于ABAQUS有限元分析軟件，建立了4種不同管徑的空心墻模型，研究了其受力性能和空心率對(duì)構(gòu)件自身屬性的影響。相同條件下，PVC管直徑為168 mm時(shí)空心外墻的自身性能最好，但此時(shí)混凝土保護(hù)層厚度較小，會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全性和承載能力[8]。綜合考慮，采用直徑為89 mm的PVC管作為其最優(yōu)空心率進(jìn)行實(shí)施。

同時(shí)，本文解決了基于鋁模施工的全現(xiàn)澆混凝土施工工藝對(duì)主體建筑性能影響的問(wèn)題，既避免了現(xiàn)澆混凝土隔墻影響結(jié)構(gòu)剛度、降低抗震性能，也避免了混凝土隔墻增加的荷載影響結(jié)構(gòu)配筋及基礎(chǔ)安全。該方法在推廣鋁模加爬架施工工藝的行業(yè)背景下，對(duì)解決施工工藝與建筑性能的沖突具有較大的借鑒及推廣意義。