新型装配式混凝土格栅复合墙体结构力学性能研究*

刘红波 袁洪振 周 婷 舒兆涛 郭娟利

(1.河北工程大学土木工程学院, 河北邯郸 056038; 2.天津大学建筑学院, 天津 300072; 3.河北顺安远大环保科技股份有限公司, 河北保定 072250)

0 引 言

我国《关于加快农房和村庄建设现代化的指导意见》中强调了加快农房和村庄建设现代化、提高农房品质和提升乡村建设水平。村镇新建的低层房屋中装配式的应用越来越多,随着装配式建筑技术越来越成熟,加上国家相关政策的调整,装配式建筑不断向着低能耗、绿色和智能化方向发展。建筑工业化是未来建筑行业发展的必然趋势,在加速转型升级中将形成装配式设计、生产、施工和管理一体化的建筑方式,然而,目前国内的发展还处于初步阶段,装配式建筑仍需投入大量的科学研究。

装配式混凝土结构体系中,墙体的作用至关重要,肖绪文等提出了一种新型预制墙体竖向分布钢筋连接的装配整体式剪力墙结构体系,通过数值模拟研究了参数变化对装配整体式剪力墙抗震性能的影响[1];葛元辉等提出了一种新型装配式干式连接节点的设计方法,通过数值分析验证了设计结果的准确性[2];种迅等研究了螺栓连接的装配式剪力墙水平拼缝位置的抗震性能[3],李建闯、王涛等对1个现浇和7个带竖缝暗梁连接装配式混凝土剪力墙试件进行了拟静力试验[4-5];张锡治等对剪跨比为2∶1的楔形现浇节点钢筋混凝土剪力墙进行了足尺静力试验和数值分析,得出较理想的破坏模式[6];屈雨浓等通过水平低周反复荷载试验研究了Tilt-up 建筑体系中新型再生混凝土夹芯保温墙体的抗震性能[7];黄炜等提出3种干式连接的装配式复合墙体,通过低周往复试验发现干式连接墙体的破坏过程基本一致,但刚度和变形能力有所差异[8];Soudki等通过低周反复试验研究了预制墙板水平构造连接形式的破坏模式和在荷载作用下的强度损失[9];Tong等对两层单跨的半刚接框架复合剪力墙进行了试验研究[10];Carrillo等研究了适用于低层住宅的钢筋混凝土墙体的抗震性能,并进行了低周反复试验和振动台试验[11]。上述研究中混凝土墙体的受力性能和连接节点的研究较为充分,但关于保温复合墙体的干式连接等研究较为缺乏。

本文针对干式连接的装配式混凝土结构,研发出一种螺栓连接的企口装配节点,并提出混凝土格栅复合墙体、条形夹芯保温楼板配套的结构体系及其各构件之间的连接形式;通过数值分析法研究了格栅墙体的承载能力、传力特性及其破坏模式,并运用参数化分析探讨了不同轴压对横向承载能力的影响;为提高格栅墙体的计算效率,基于壳单元提出了一种简化的计算方法,其结果与格栅墙体计算结果高度一致,可为装配式混凝土格栅复合墙体结构的研究和计算提供参考。

1 装配式混凝土格栅复合墙体结构构造

装配式混凝土格栅复合墙体结构包括预制格栅墙体、预制异形柱、预制保温楼板、墙体洞口填充物、外保温层、角钢、钢条板和螺栓。该结构中墙体和楼板均减少了材料的使用,其中格栅墙体应用于顺安远大装配式示范项目,整体上部结构混凝土用量为0.27 m3/m2,钢筋用量为30 kg/m2,墙体材料用量减少约35%,相较于不开洞的墙体,该结构更加经济合理。

整体结构中所使用的构件均为全预制,通过螺栓和连接件连接,各受力构件之间为全干式连接,几乎不考虑现场湿作业的状况,该结构的构件由工厂标准化生产,运输至现场直接进行安装,极大程度地缩短了工期,并有效改善了现场的施工环境,整体构造如图1所示。

图1 混凝土格栅墙体结构Fig.1 Concrete grid wall structure

以图1构造为例,设计出开间、进深、高度和厚度分别为3,4.2,3,0.2 m的一间房子。将其与普通现浇混凝土剪力墙房屋进行比较可知,由于新型结构体系优化了墙体和楼板构件的重量,新结构体系上部结构的用材量减少约31%。

1.1 预制混凝土格栅墙体与异形柱

墙体主要受力构件为格栅混凝土结构,室内一侧留有混凝土保护层,防止洞内填充物在使用中磕碰受损,保护层厚度应满足GB 50016—2014《建筑设计防火规范》要求;以顺安远大示范项目和上述所设计的结构为例,其相同尺寸不开门窗的墙体与现浇墙体相比,格栅墙体的重量减少约35%,在保证了结构受力和构造要求的同时,也显著降低了结构自重[12],墙体构造如图2所示。

a—室内一侧; b—室外一侧。图2 混凝土格栅墙体Fig.2 Concrete grid wall

为方便产业化推广,装配式结构要尽可能少规格多组合[12],构件生产需满足模数要求;房屋结构中L形、T形和十字形的转角最为常见,此3种预制异形柱可很好地完成房屋转角的建造,采用此种异形柱建造房屋不占用室内空间,异形柱各个边缘均开企口,与其他构件相互嵌合对拉螺栓连接即可,现场可快速完成拼装。异形柱构造如图3所示。

a—L形; b—T形; c—十字形。图3 异形柱构造示意Fig.3 Structural diagram of special-shaped column

1.2 企口接缝设计

若要各构件现场快速完成拼装,需要一种操作简单便于施工的连接方式,且要减少现场湿作业。该新型结构中预制墙体和异形柱开有企口通过对拉螺栓进行连接,该连接形式为一种干式连接。装配式混凝土格栅墙体房屋结构的墙与基础、墙与墙、墙与柱、柱与柱之间的连接,均采用这种对拉螺栓连接,预制墙体构件企口处开有螺栓孔和沉槽,用于构件之间的安装,该方式可满足快速拼装要求。企口接缝如图4所示。

图4 企口接缝示意Fig.4 Schematic diagram of rabbet joint

1.3 墙体外围护结构

由于装配式建筑的特殊性,在设计建造时影响室内物理环境的因素较多,其中,气密性和保温性是两个非常重要的因素,故提出如图5所示的外围护结构。

图5 外围护层次示意Fig.5 Schematic diagram of peripheral protection layer

1.4 夹芯保温楼板

楼板为预制条形楼板,内置保温层,可减轻结构自重和节省混凝土的使用,楼板连接如图6b所示,用上下两块钢板条通过螺栓相连接,该方式可避免全干式连接带来的楼板开裂问题[13]。

a—楼板剖面; b—楼板接缝。图6 楼板和楼板接缝Fig.6 Floor and floor joint

墙体上下接缝处受力复杂,因此楼板与墙体的连接应避开墙体的上下接缝,将墙体的接缝上移,以保证构件安装后接缝的强度。墙体与楼板的连接如图7所示。

a—墙体上端构造; b—墙体与楼板接缝。图7 墙体与楼板接缝构造Fig.7 Structural drawing of wall and floor joint

2 混凝土格栅墙体结构数值分析

基于ABAQUS有限元软件对墙体结构进行了数值模拟,获得墙体结构施加竖向荷载和横向荷载作用下的结构受力情况,并对其深入分析以了解结构的受力机理。

2.1 格栅墙体数值模型

图8 混凝土格栅墙体Fig.8 Concrete grid wall

格栅墙体结构建模过程中,钢材采用双折线弹塑性模型,混凝土的本构关系采用GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[14]中的本构模型;格栅墙体、垫片和螺栓采用实体单元(C3D8R),钢筋采用三维桁架单元(T3D2);各构件之间的接触采用面与面接触,钢筋则采用嵌入功能;底座的底面采用固定约束,荷载采用位移加载。

2.2 轴压作用下墙体分析

在轴压作用下荷载由加载梁传递给格栅墙体结构,格栅墙体结构中竖向荷载主要由柱承担,暗梁自始至终受力较小。当墙体处于弹性阶段时,中间暗柱受力大于两个边柱,位移与边柱基本一致;墙体结构产生塑性变形时,中间暗柱的位移大于两侧边柱的位移,竖向力开始转向边柱承担;竖向力传递至柱脚时开始向底梁成扇形扩散,并继续由底梁承担荷载;底梁通过企口面与基础面的接触将荷载传递给基础,企口接缝的螺栓中部由于螺栓洞口的挤压受到剪切作用。

弹性阶段时中间暗柱的应力大于边柱,应力沿墙体暗柱以折线分布形式逐渐增大并趋于均匀分布;当进入塑性阶段时,边柱与中柱共同承担荷载,中间暗柱的应力与边柱趋于一致;加载过程中六边形墙体洞口靠近柱子的折角处出现应力集中现象;结构破坏时混凝土最大应力值为34.31 MPa,并且此时的钢筋已达到屈服强度,最大应力值为438.6 MPa,螺栓和钢板垫片在加载过程中两侧柱脚处螺栓应力值较大,最大值为148.7 MPa,尚未达到屈服应力,验证了塑性阶段边柱为主要承重部分。墙体与钢筋应力分布如图9所示。

图10所示为钢筋混凝土格栅墙体结构在轴压作用下的荷载-位移曲线。可以看出:钢筋混凝土格栅墙体的最大荷载为3 067.6 kN,该墙体表现出了较为理想的承受荷载能力。

图10 轴压作用下荷载-位移曲线Fig.10 Load-displacement curve under axial pressure

2.3 轴压与横向力作用下墙体分析

当轴压比为0.15时所对应的竖向荷载值为276 kN,在该轴压比作用下施加横向荷载,结构应力分布如图11和图12所示。可看出:随着横向荷载增加,加载一侧的边柱应力逐渐向上部集中,中柱随荷载的增加,应力逐渐沿对角倾斜并减小,另一侧的边柱应力开始向柱底部集中,墙体的暗梁应力逐渐增大;应力主要分布于加载一侧边柱的上端、中间的暗梁和另一侧边柱底部,破坏时混凝土应力最大值为34.15 MPa,此时的钢筋应力值为430.6 MPa,钢筋最大应力出现于短梁折角处,此时钢筋已达到屈服强度。

a—混凝土应力; b—钢筋应力。图11 轴压与横向荷载下应力分布 MPaFig.11 Stress distribution under axial compression and transverse load

a—受压损伤; b—受拉损伤。图12 墙体混凝土拉压损伤分布 MPaFig.12 Damage distribution of wall concrete under tension and compression

当轴压比c分别为0.15、0.30和0.45时,荷载随位移变化的曲线如图13所示。可见:随着轴压比的增大,墙体在横向荷载作用下的承载力逐渐增大,但墙体延性有所降低;轴压比为0.15时,塑性变形较大,荷载有上升的趋势,且轴压比越大,上升趋势越平缓,不同轴压比对应的极值点处的峰值荷载分别为160.8,178.2,186.4 kN,由此可知,随轴压比的增大,承载力逐渐增大,但增长的幅度越来越小。

图13 不同轴压比作用下荷载-位移曲线Fig.13 Load-displacement curve under different axial compression ratios

3 基于壳单元建模的格栅墙体分析

上述有限元模型均采用实体单元建模,此种建模方式运算量较大,无法进行整体结构的运算,且建模过程繁杂,因此提出一种壳单元建模方法。因为壳单元存在其特有的属性,在使用壳单元建立格栅墙体模型时需了解其精确性。壳单元墙体模型与实体单元模型除墙体用壳单元建模外,其余条件均相同,本次模拟将格栅墙体按照等效原则简化为不开洞口的整片墙体,等效匀质墙体厚度计算式如式(1)所示[15]。

Ecbeqh=EcAc+EqAq

(1)

式中:Ec为混凝土弹性模量,MPa;Eq为格栅中填充体的弹性模量,MPa;Ac为预制墙板各混凝土肋柱横截面面积之和,mm2;Aq为墙板填充体的水平投影面积总和,mm2;h为预制墙板截面高度,mm;beq为等效墙板厚度,mm。

按照式(1)所计算的等效墙体厚度为70 mm,企口厚度仍保持为100 mm。利用ABAQUS的钢筋层功能来添加墙体的钢筋,钢筋为平均分布。螺栓采用了连接器功能进行了简化,简化后的墙体模型如图14所示。壳墙体与底梁的接触为面面接触,在选择壳体边缘时,选中壳墙体下边缘区域的结点,面面接触的切向行为摩擦系数取为0.22,法向行为采用“硬”接触,墙体受轴压和横向荷载共同作用,其中轴压比取为0.15,与实体模型荷载一致。

图14 墙体模型示意Fig.14 Schematic diagram of wall model

3.1 壳单元模型应力分布

对建立好的模型进行分析,获得壳墙体结构的应力分布,如图15所示。可见:墙体的应力整体沿对角分布,应力分布于上端加载角处和底端右侧角处,螺栓洞口出现应力集中现象,最大应力出现于螺栓洞口应力集中处;与实体单元建模分布一致,但应力值与实体建模相差较大,且不可查看细部应力,当位移、荷载继续增大时,壳墙体出现翘曲现象。

图15 壳墙体应力分布 MPaFig.15 Stress distribution of shell wall

3.2 匀质壳墙体与格栅墙体结果对比

大型有限元分析使用格栅墙体时,若部件采用实体单元,则需要付出很大的计算代价,因此应对格栅墙体进行简化,但需保证结构承载能力和刚度的一致性。

螺栓的简化方式对荷载-位移曲线存在一定影响,为此采用了ABAQUS的连接器功能,并提供了两种简化螺栓的方式。第一种方法为建立线条特征赋予连接截面,将螺栓影响区域与所建立的参考点进行耦合,约束3个平动自由度U1、U2、U3和3个转动自由度UR1、UR2、UR3,即可完成螺栓的简化,简化后的荷载-位移如图16所示。第二种简化螺栓建模方法是在相对应的螺栓位置创建参考点,建立局部坐标系和连接截面,然后基于参考点创建捆绑,目标表面选择“按估计值捆绑指定表面”,选择相对应部件表面,准则中的附加方法为“面到面”,属性中物理半径定义为实际螺栓半径。本次模拟的螺栓半径为5 mm,选择连接截面和方向,即完成简化螺栓的建立,如图17所示。

图16 简化螺栓方法1匀质壳墙体荷载-位移曲线Fig.16 Simplified load-displacement curve of uniform shell wall with bolt Ⅰ

图17 简化螺栓方法2匀质壳墙体荷载-位移曲线Fig.17 Simplified load-displacement curve of uniform shell wall with bolt Ⅱ

格栅墙体以实体单元建模,连接螺栓也采用了实体单元,而简化的壳单元墙体与底梁的连接采用了简化螺栓方法,因此简化螺栓方法1所建壳墙体与格栅墙体的模拟在弹性阶段完全吻合,但进入塑性阶段后出现了较小的偏差。由图16可以看出,当墙体进入塑性阶段后壳单元墙体的延性相较于格栅实体单元墙体稍差,但简化壳单元墙体与格栅实体单元墙体的刚度和承载能力基本一致。由图17可见,简化螺栓方法2中模型与实体单元的模型结果更加接近。由上可知,在进行格栅墙体结构设计时可采用简化的壳单元来模拟。

4 结 论

提出装配式混凝土格栅复合墙体结构,采用有限元软件ABAQUS对格栅墙体构件进行了模拟,并验证格栅墙体采用壳单元建模的正确性,主要结论如下:

1)装配式混凝土格栅复合墙体结构构造简单,各构件之间全干式连接,该墙体与现浇墙体相比较材料用量减少了35%,大大降低了构件自重。

2)通过ABAQUS有限元模拟,发现开有六边形洞口的格栅墙体具有良好的承载能力,且力的传递路径清晰合理,可作为类剪力墙构件使用。

3)提出了壳单元简化模型,为格栅墙体结构有限元分析提供了计算方式,墙体和结点均进行了简化,避免了建模过程中的烦琐操作,有效地提高了计算效率,与实体模型的计算结果吻合度较高。