郭培蕾 許秋華

【摘?要】為了能夠滿足裝配式綠色農(nóng)房產(chǎn)業(yè)化的要求，以及江西省重建裝配式自建房的設(shè)計(jì)要求，選取了一種江西雄宇筑工科技有限公司生產(chǎn)的板材產(chǎn)品—ALC（蒸壓輕質(zhì)混凝土）墻板，作為此次農(nóng)村自建房的主要外圍墻板。本文采用佳構(gòu)STRAT通用建筑結(jié)構(gòu)軟件建造該工程所需要的三層框架結(jié)構(gòu)農(nóng)房的三維模型，并對(duì)此結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行構(gòu)件驗(yàn)算和整體分析。通過對(duì)三維結(jié)構(gòu)模型變換ALC墻板的厚度（100mm，120mm，150mm）來研究不同板厚對(duì)該整體結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：ALC墻板的厚度越薄，墻板所能承受的外力越小，整體結(jié)構(gòu)的振型位移越大，混凝土梁的撓度越大，整體結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定越不牢固。

【關(guān)鍵詞】裝配式綠色農(nóng)房;鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系;不同厚度ALC墻板;有限元模型分析;數(shù)值分析

引言

隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，裝配式建筑成為了一種潮流趨勢(shì)。裝配式建筑是指把傳統(tǒng)建造方式中的大量現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工作轉(zhuǎn)移到工廠進(jìn)行，在工廠加工制作好建筑用的構(gòu)件和配件（如樓板、墻板、樓梯、陽臺(tái)等），運(yùn)輸?shù)浇ㄖ┕がF(xiàn)場(chǎng)，通過可靠的連接方式在現(xiàn)場(chǎng)裝配安裝而成的建筑。與傳統(tǒng)的建造方式相比裝配式建筑具有節(jié)約資源能源、減少施工污染的綠色環(huán)保的特點(diǎn)，以及提升勞動(dòng)生產(chǎn)效率和帶動(dòng)住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的優(yōu)勢(shì)。裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)多層住宅體系是鋼部件和混凝土或鋼筋混凝土部件組合成為整體而共同工作的一種用于多層住宅的結(jié)構(gòu)體系。

本文所研究的裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)多層住宅體系的外圍墻使用的是ALC墻板（見圖1）。ALC墻板是以粉煤灰（或硅砂）、水泥、石灰等為主原料，內(nèi)含經(jīng)過處理的鋼筋增強(qiáng)，通過高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)而形成的多氣孔混凝土成型板材，是一種性能優(yōu)越的新型建筑材料。并具有保溫隔熱、高強(qiáng)輕質(zhì)、抗震環(huán)保、阻燃耐火、吸聲隔音、施工便捷、經(jīng)濟(jì)節(jié)約的優(yōu)點(diǎn)。隨著對(duì)綠色環(huán)保建筑施工觀念的加強(qiáng)，ALC墻板在我國建筑業(yè)使用的越來越多，現(xiàn)在很多重點(diǎn)項(xiàng)目都在使用ALC墻板。

1 工程概況

本工程為江西省重建裝配式自建房，占地面積118.43平方米，建筑面積301.82平方米。建筑層數(shù)地上三層，建筑高度為10.95米。建筑結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，為了突出地域風(fēng)貌元素和便于工業(yè)化生產(chǎn)，采用江西馬頭墻的建筑風(fēng)格。其建筑3D模型如圖2所示。整棟房屋使用ALC墻板代替混凝土砌塊，使ALC墻板在性能和施工方面的優(yōu)勢(shì)得到了充分的體現(xiàn)，不僅可以加快施工速度，而且還可以節(jié)約人工、縮短工期。本文章采用佳構(gòu)STRAT通用有限元分析軟件對(duì)整棟房屋進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，并通過改變ALC墻板的厚度，來研究不同厚度的ALC墻板對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響。

2 建立非線性有限元模型

2.1 模型設(shè)計(jì)

該農(nóng)房別墅使用ALC墻板的板厚為150mm，墻板的混凝土強(qiáng)度等級(jí)取C20，柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)取C30，所使用剛材的強(qiáng)度等級(jí)取Q345。房屋的樓板是用預(yù)制圈梁現(xiàn)澆筑的混凝土，強(qiáng)度能達(dá)到C30。該結(jié)構(gòu)需建三層，一層3.9 m，二層3.3m，三層3.3m?；窘孛嬷辛喝【匦谓孛鎸挒?50mm高為120mm，柱子取方形截面邊長為150mm，羅馬柱取方形截面邊長為300mm，連接墻板與墻板之間的增強(qiáng)龍骨型鋼簡(jiǎn)化后取框形截面外圍長為110mm寬為50mm框厚為3mm。荷載取估算值，標(biāo)準(zhǔn)層板的恒荷載取1.5KN/，活荷載取2 KN/，而陽臺(tái)板的活荷載取2.5 KN/，衛(wèi)生間板的恒荷載取2 KN/，樓頂考慮保溫防水和瓦片恒荷載取0.5 KN/。該裝配式自建房的正立面（圖3）和側(cè)立面（圖4）如下圖所示。

2.2 模型建立

首先打開佳構(gòu)STRAT通用有限元軟件進(jìn)入圖形前處理（prep）模塊進(jìn)行建模，保存文件并命名為別墅0.15（其中0.15表示ALC墻板的厚度，以米為單位），保存后綴名為“._Pre”的前處理模型文件。進(jìn)行樓層的設(shè)置，增加樓層數(shù)為三層，層高分別為3.9m，3.3m，3.3m。輸入梁?jiǎn)卧⒃O(shè)置截面為0.15×0.12（單位為米），使用偏移復(fù)制命令完成其余梁的布置并用刪除命令刪除多余的梁?jiǎn)卧?。輸入柱單元并設(shè)置普通柱的截面為0.15×0.15，羅馬柱的截面為0.3×0.3，增強(qiáng)龍骨型鋼簡(jiǎn)化為柱的框截面為0.11×0.05，其厚為0.003?？蜻x梁?jiǎn)卧?，在?jié)點(diǎn)處布上普通柱和四根羅馬大柱，在梁上根據(jù)結(jié)合ALC墻板的長度布置簡(jiǎn)化的框柱。

輸入空心板并設(shè)置材料參數(shù)C30、C20混凝土和Q345鋼，輸入面單元荷載，然后樓層復(fù)制并修改二三層的板和面單元荷載值，接下來進(jìn)行總體參數(shù)設(shè)置和構(gòu)件驗(yàn)算，其中混凝土的驗(yàn)算抗震等級(jí)調(diào)整為構(gòu)造不抗震，并生成計(jì)算文件。計(jì)算模型如圖5所示。

2.3 模型計(jì)算

進(jìn)入Strat結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，再進(jìn)入Plots通用后處理模塊進(jìn)行板的計(jì)算，然后進(jìn)入Archi建筑結(jié)構(gòu)后處理模塊進(jìn)行梁、柱、墻的計(jì)算，最后進(jìn)入Design施工圖的配筋計(jì)算。文章主要研究不同ALC墻板的厚度對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響，所以主要側(cè)重于Archi建筑結(jié)構(gòu)后處理這一模塊。該工程用的是150mm厚的ALC墻板，而普通柱子的厚為150mm，那么改變ALC墻板板厚這一參數(shù)就需要將數(shù)值向下調(diào)動(dòng)（小于柱厚150mm），于是改變ALC墻板的厚度分別為120mm，100mm。先對(duì)該別墅（ALC墻板為150mm厚）模型進(jìn)行計(jì)算。其振型（圖6）、組合內(nèi)力包絡(luò)圖（圖7）、混凝土梁撓度（圖8）如下所示。

文章將別墅模型的振型圖、組合內(nèi)力包絡(luò)圖、混凝土梁撓度圖來作為分析整體結(jié)構(gòu)的指標(biāo)。由上圖6可見150mmALC墻板厚的別墅模型振型圖中最大位移達(dá)到99.4305mm，而振型位移越大則表明整體結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定。由圖7可知其組合內(nèi)力包絡(luò)圖中最大的墻面內(nèi)彎矩絕對(duì)值為802.45KN·m，而彎矩越大則說明所能承受的外力比較大，進(jìn)而表明整體結(jié)構(gòu)比較牢固。由彎矩計(jì)算公式：

可知力臂的值為固定的，則最大彎矩的值越大所能承受的外力越大。由圖8可知150mmALC墻板厚的別墅模型混凝土梁撓度的最大值為8.47212mm，而混凝土梁撓度越大則表明整體結(jié)構(gòu)越不牢固。

2.4 改變板厚

2.4.1?120mmALC墻板厚的別墅模型計(jì)算

打開之前保存的別墅0.15.Pre前處理模型文件，進(jìn)入墻單元板塊在“wall”的命令下輸入“ch”輸入墻單元厚度為：0.12，然后利用綜合區(qū)的過濾功能只顯示圖層中的柱、梁、墻，并用刪除命令刪除0.15m板厚的墻單元，重新分層布置0.12m厚的墻單元，完成后取消過濾功能并查看整體結(jié)構(gòu)三維模型，之后保存為別墅0.12.Pre前處理模型文件。設(shè)置總體參數(shù)和構(gòu)件驗(yàn)算并生成計(jì)算文件，前后分別進(jìn)入Plots通用后處理和Archi建筑結(jié)構(gòu)后處理模塊中進(jìn)行計(jì)算?？傻?20mmALC墻板厚的別墅模型振型（圖9）、其組合內(nèi)力包絡(luò)圖（圖10）、其混凝土梁撓度（圖11）如下所示：

由上圖可知120mmALC墻板厚的別墅模型的振型最大位移為116.485mm，其組合內(nèi)力包絡(luò)圖中最大的墻面內(nèi)彎矩絕對(duì)值為687.426KN·m，其混凝土梁撓度的最大值為12.8553mm。

2.4.2?100mmALC墻板厚的別墅模型計(jì)算

類似地進(jìn)入墻單元板塊在“wall”的命令下輸入“ch”輸入墻單元厚度為：0.10，之后保存為別墅0.10.Pre前處理模型文件。計(jì)算可得100mmALC墻板厚的別墅模型振型（圖12）、其組合內(nèi)力包絡(luò)圖（圖13）、其混凝土梁撓度（圖14）如下所示：

同樣地由上圖可知100mmALC墻板厚的別墅模型的振型最大位移為119.969mm，其組合內(nèi)力包絡(luò)圖中最大的墻面內(nèi)彎矩絕對(duì)值為622.453KN·m，其混凝土梁撓度的最大值為12.9913mm。

2.5 數(shù)值比較

對(duì)上述地不同厚度（150mm，120mm，100mm）ALC墻板別墅模型不同結(jié)構(gòu)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，將其數(shù)值繪制成（表1）如下所示：

根據(jù)表1分別繪制出不同厚度的ALC墻板的振型最大位移折線圖（圖15）、組合內(nèi)力包絡(luò)圖中墻面內(nèi)最大彎矩絕對(duì)值折線圖（圖16）和混凝土梁最大撓度折線圖（圖17）如下所示：

由振型最大位移折線圖可知ALC墻板越薄，別墅模型的振型最大位移越大，那么整體結(jié)構(gòu)就越不穩(wěn)定。

由墻面內(nèi)最大彎矩絕對(duì)值折線圖可知ALC墻板越薄，別墅模型的墻面內(nèi)最大彎矩絕對(duì)值越小，則說明墻面內(nèi)所承受的外力越小，整體結(jié)構(gòu)就越不牢固。

由混凝土梁最大撓度折線圖可知ALC墻板越薄，別墅模型的混凝土梁最大撓度越大，那么結(jié)構(gòu)變形就越大，整體結(jié)構(gòu)就越不穩(wěn)定。

3 結(jié)論

通過對(duì)不同厚度ALC墻板的別墅模型進(jìn)行有限元分析和數(shù)值分析，得出了ALC墻板的厚度越薄，墻板所能承受的外力越小，整體結(jié)構(gòu)的振型位移越大，混凝土梁的撓度越大，整體結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定越不牢固。所以在裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)多層住宅體系中選擇制定合適的ALC墻板的厚度也是很關(guān)鍵的。

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作者簡(jiǎn)介：

郭培蕾，女，1993年生，南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究生方向?yàn)檠b配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。許秋華，男，1960年生，教授級(jí)高工，研究方向?yàn)檠b配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。

（作者單位：南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院）