保温墙模复合剪力墙结构体系施工安全性分析

闫 生 李建宇

0 引言

轻骨料免拆保温墙模复合剪力墙结构体系作为一种新型结构体系,在每层墙模砌筑完成后,墙模所形成的空腔即作为浇筑混凝土时的模板,墙模与其中绑扎的钢筋和浇筑的混凝土形成整体,即复合剪力墙结构体系。在本体系墙模砌筑过程中,技术性强、多工种相互配合协调,墙模砌筑完成后作为复合剪力墙体系的模板,浇筑混凝土后不再拆除,且施工过程中不加任何侧向支撑,在施工过程中可能会出现由于墙模开裂而引起浇筑混凝土时墙体局部倒塌,从而导致现场人员伤亡,造成损失。因此,本章建立ANSYS分析模型,模拟单片墙体施工中受到施工机具或人员碰撞墙体等水平外力作用时以及在浇筑混凝土过程中,墙模开裂造成墙体局部破坏或墙体倒塌,分析其施工的安全性,经分析研究为今后该体系的施工提供必要的实践经验、规律和措施[1]。

1 结构参数与分析模型

1.1 结构概况

该模型为一个3层的试验楼,各层层高均为3.3 m,结构外墙厚240 mm,内墙厚200 mm,其材料的抗压强度及弹性模量均采用试验中得出的理论计算值,墙模内浇筑的混凝土强度等级为C30,楼板厚度均为100 mm,混凝土强度等级为C25,连梁尺寸均为250 mm×500 mm,混凝土强度等级为C25。

轻骨料免拆保温墙模复合剪力墙结构体系的内墙墙模的强度略高于外墙墙模,因而只分析外墙墙模的施工安全性,只要外墙安全性能够得到保证,内墙的施工安全性也必然能够得到保证。

1.2 结构构件模型的建立[2]

有限元模型的建立方法通常分为直接建模法和间接建模法。直接建模法为直接按照系统结构的几何外形尺寸建立节点和单元,因此,直接建模法通常适用于简单几何外形的系统结构,并且用于系统结构的节点和单元数目比较少的场合。反之,间接法适用于节点及单元数目较多的复杂几何外形机械结构系统。该方法通过点、线、面、体积,先建立有限元模型,再进行实体网格划分,完成有限元模型的建立。

体系中要分析的实体模型几何外形简单,并且系统结构的节点和单元数目较少,故采用直接建模法。首先建立关键点,由点连成线,然后由线组合成面,最后由面组合建立体。建立宽4.5 m、高3.0 m、厚0.24 m的模型作为分析的实体模型,然后定义单元属性,定义网格划分控制,生成有限元网格(见图1)。

1.3 网格划分

可采用Smartsize自动划分网格工具,自由网格划分对单元没有特殊限制,也没有指定的分布模式,映射体只包含六面体单元。Smartsize算法首先对待划分网格的面或体的所有线估算单元边长,然后对几何体中的弯曲近似区域的线进行细化。由于所有的线和面在生成网格划分开始时已经指定大小,生成网格的质量与待划分的网格的面或体顺序无关。Smartsize有自己的内部计算机制,使用Smartsize在很多情况下更有利于在网格生成过程中生成形状合理的单元,Smartsize值越小,网格划分效果越好。

采用ANSYS所提供的强大网格划分工具来自动分网,这时只需输入网格的尺寸、形式即可,为了耦合的方便,在本文中钢筋混凝土的单元为棱长是50 mm的正方体,碳纤维布的单元为边长是50 mm的正方形。

1.4 对墙体施加荷载分析[3]

因全部墙模为平行砌起,考虑横向墙模的约束作用,进行施工安全性分析。在墙体单元的左侧、右侧及下侧施加DOF约束,确定边界条件。同时考虑墙模施工过程中,上表面堆积待砌筑的墙模即其他外来荷载,在其上表面施加0.2 N/m2的均布荷载。

加载分两个荷载步进行,第一步在墙面上施加风荷载,可认为是面荷载,第二步在图中所示位置逐级施加集中力,为点荷载。

由荷载规范查得河北地区年最大风荷载为0.48 kN/m2,同时考虑外力作用点的不利位置,在如图1所示的位置处施加水平外力,形成最不利荷载组合,进行模拟计算,分析其产生的应力及位移情况。

在进行加载计算时,荷载从小到大逐级增加,荷载从500 N增加到3 000 N,当集中荷载逐级增加时,墙模产生的应力、应变及最大位移情况如图2～图7所示。

通过模拟试算可以得出,在模受到外界500 N的外力作用时,墙模发生的最大位移是8.352 mm,在墙模受到外界3 000 N的外力作用时,墙模发生的最大位移是22.098 mm,在这个过程中,随着墙体位移的逐渐增加,墙模逐渐被拉裂,因而在施工过程中应参照模拟分析的结果,避免对已砌好的墙模作用过大的水平外力,如施工机具及人员对墙体的碰撞,以免引起墙模开裂,造成墙体局部破坏及施工事故。各级荷载产生的应力及位移情况如表1所示。

表1 各级荷载情况下墙体应力及位移数值

2 结语

通过建立模型,施加外力分析其产生的应变及位移情况,为轻骨料免拆保温墙模复合剪力墙结构体系在施工时的安全性提供了相应的参考依据,施工过程中应注意对墙模的保护,避免在外力作用下发生开裂,引起墙体局部破坏及施工事故。

[1]李 珠,裴成霞,朱维高.新型复合剪力墙体系的特性及发展前景[J].山西建筑,2006,32(3):6-7.

[2]李 珠,卫 丽,郝玉柱.EPS轻骨料混凝土剪力墙体系墙体保温技术分析[J].山西建筑,2006,32(3):3-4.

[3]李 珠,芦建军,张泽平,等.超轻骨料免拆墙模复合剪力墙体系保温性能研究[J].太原理工大学学报,2006(37):256-258.