閆 生 李建宇

0 引言

輕骨料免拆保溫墻模復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)體系作為一種新型結(jié)構(gòu)體系,在每層墻模砌筑完成后,墻模所形成的空腔即作為澆筑混凝土?xí)r的模板,墻模與其中綁扎的鋼筋和澆筑的混凝土形成整體,即復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)體系。在本體系墻模砌筑過(guò)程中,技術(shù)性強(qiáng)、多工種相互配合協(xié)調(diào),墻模砌筑完成后作為復(fù)合剪力墻體系的模板,澆筑混凝土后不再拆除,且施工過(guò)程中不加任何側(cè)向支撐,在施工過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)由于墻模開(kāi)裂而引起澆筑混凝土?xí)r墻體局部倒塌,從而導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)人員傷亡,造成損失。因此,本章建立ANSYS分析模型,模擬單片墻體施工中受到施工機(jī)具或人員碰撞墻體等水平外力作用時(shí)以及在澆筑混凝土過(guò)程中,墻模開(kāi)裂造成墻體局部破壞或墻體倒塌,分析其施工的安全性,經(jīng)分析研究為今后該體系的施工提供必要的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、規(guī)律和措施[1]。

1 結(jié)構(gòu)參數(shù)與分析模型

1.1 結(jié)構(gòu)概況

該模型為一個(gè)3層的試驗(yàn)樓,各層層高均為3.3 m,結(jié)構(gòu)外墻厚240 mm,內(nèi)墻厚200 mm,其材料的抗壓強(qiáng)度及彈性模量均采用試驗(yàn)中得出的理論計(jì)算值,墻模內(nèi)澆筑的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,樓板厚度均為100 mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25,連梁尺寸均為250 mm×500 mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25。

輕骨料免拆保溫墻模復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)墻墻模的強(qiáng)度略高于外墻墻模,因而只分析外墻墻模的施工安全性,只要外墻安全性能夠得到保證,內(nèi)墻的施工安全性也必然能夠得到保證。

1.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型的建立[2]

有限元模型的建立方法通常分為直接建模法和間接建模法。直接建模法為直接按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的幾何外形尺寸建立節(jié)點(diǎn)和單元,因此,直接建模法通常適用于簡(jiǎn)單幾何外形的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),并且用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)目比較少的場(chǎng)合。反之,間接法適用于節(jié)點(diǎn)及單元數(shù)目較多的復(fù)雜幾何外形機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。該方法通過(guò)點(diǎn)、線、面、體積,先建立有限元模型,再進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分,完成有限元模型的建立。

體系中要分析的實(shí)體模型幾何外形簡(jiǎn)單,并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)目較少,故采用直接建模法。首先建立關(guān)鍵點(diǎn),由點(diǎn)連成線,然后由線組合成面,最后由面組合建立體。建立寬4.5 m、高3.0 m、厚0.24 m的模型作為分析的實(shí)體模型,然后定義單元屬性,定義網(wǎng)格劃分控制,生成有限元網(wǎng)格(見(jiàn)圖1)。

1.3 網(wǎng)格劃分

可采用Smartsize自動(dòng)劃分網(wǎng)格工具,自由網(wǎng)格劃分對(duì)單元沒(méi)有特殊限制,也沒(méi)有指定的分布模式,映射體只包含六面體單元。Smartsize算法首先對(duì)待劃分網(wǎng)格的面或體的所有線估算單元邊長(zhǎng),然后對(duì)幾何體中的彎曲近似區(qū)域的線進(jìn)行細(xì)化。由于所有的線和面在生成網(wǎng)格劃分開(kāi)始時(shí)已經(jīng)指定大小,生成網(wǎng)格的質(zhì)量與待劃分的網(wǎng)格的面或體順序無(wú)關(guān)。Smartsize有自己的內(nèi)部計(jì)算機(jī)制,使用Smartsize在很多情況下更有利于在網(wǎng)格生成過(guò)程中生成形狀合理的單元,Smartsize值越小,網(wǎng)格劃分效果越好。

采用ANSYS所提供的強(qiáng)大網(wǎng)格劃分工具來(lái)自動(dòng)分網(wǎng),這時(shí)只需輸入網(wǎng)格的尺寸、形式即可,為了耦合的方便,在本文中鋼筋混凝土的單元為棱長(zhǎng)是50 mm的正方體,碳纖維布的單元為邊長(zhǎng)是50 mm的正方形。

1.4 對(duì)墻體施加荷載分析[3]

因全部墻模為平行砌起,考慮橫向墻模的約束作用,進(jìn)行施工安全性分析。在墻體單元的左側(cè)、右側(cè)及下側(cè)施加DOF約束,確定邊界條件。同時(shí)考慮墻模施工過(guò)程中,上表面堆積待砌筑的墻模即其他外來(lái)荷載,在其上表面施加0.2 N/m2的均布荷載。

加載分兩個(gè)荷載步進(jìn)行,第一步在墻面上施加風(fēng)荷載,可認(rèn)為是面荷載,第二步在圖中所示位置逐級(jí)施加集中力,為點(diǎn)荷載。

由荷載規(guī)范查得河北地區(qū)年最大風(fēng)荷載為0.48 kN/m2,同時(shí)考慮外力作用點(diǎn)的不利位置,在如圖1所示的位置處施加水平外力,形成最不利荷載組合,進(jìn)行模擬計(jì)算,分析其產(chǎn)生的應(yīng)力及位移情況。

在進(jìn)行加載計(jì)算時(shí),荷載從小到大逐級(jí)增加,荷載從500 N增加到3 000 N,當(dāng)集中荷載逐級(jí)增加時(shí),墻模產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變及最大位移情況如圖2～圖7所示。

通過(guò)模擬試算可以得出,在模受到外界500 N的外力作用時(shí),墻模發(fā)生的最大位移是8.352 mm,在墻模受到外界3 000 N的外力作用時(shí),墻模發(fā)生的最大位移是22.098 mm,在這個(gè)過(guò)程中,隨著墻體位移的逐漸增加,墻模逐漸被拉裂,因而在施工過(guò)程中應(yīng)參照模擬分析的結(jié)果,避免對(duì)已砌好的墻模作用過(guò)大的水平外力,如施工機(jī)具及人員對(duì)墻體的碰撞,以免引起墻模開(kāi)裂,造成墻體局部破壞及施工事故。各級(jí)荷載產(chǎn)生的應(yīng)力及位移情況如表1所示。

表1 各級(jí)荷載情況下墻體應(yīng)力及位移數(shù)值

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立模型,施加外力分析其產(chǎn)生的應(yīng)變及位移情況,為輕骨料免拆保溫墻模復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)體系在施工時(shí)的安全性提供了相應(yīng)的參考依據(jù),施工過(guò)程中應(yīng)注意對(duì)墻模的保護(hù),避免在外力作用下發(fā)生開(kāi)裂,引起墻體局部破壞及施工事故。

[1]李 珠,裴成霞,朱維高.新型復(fù)合剪力墻體系的特性及發(fā)展前景[J].山西建筑,2006,32(3):6-7.

[2]李 珠,衛(wèi) 麗,郝玉柱.EPS輕骨料混凝土剪力墻體系墻體保溫技術(shù)分析[J].山西建筑,2006,32(3):3-4.

[3]李 珠,蘆建軍,張澤平,等.超輕骨料免拆墻模復(fù)合剪力墻體系保溫性能研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006(37):256-258.