劉紅波 袁洪振 周 婷 舒兆濤 郭娟利

(1.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院, 河北邯鄲 056038; 2.天津大學(xué)建筑學(xué)院, 天津 300072; 3.河北順安遠(yuǎn)大環(huán)保科技股份有限公司, 河北保定 072250)

0 引 言

我國(guó)《關(guān)于加快農(nóng)房和村莊建設(shè)現(xiàn)代化的指導(dǎo)意見(jiàn)》中強(qiáng)調(diào)了加快農(nóng)房和村莊建設(shè)現(xiàn)代化、提高農(nóng)房品質(zhì)和提升鄉(xiāng)村建設(shè)水平。村鎮(zhèn)新建的低層房屋中裝配式的應(yīng)用越來(lái)越多,隨著裝配式建筑技術(shù)越來(lái)越成熟,加上國(guó)家相關(guān)政策的調(diào)整,裝配式建筑不斷向著低能耗、綠色和智能化方向發(fā)展。建筑工業(yè)化是未來(lái)建筑行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì),在加速轉(zhuǎn)型升級(jí)中將形成裝配式設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工和管理一體化的建筑方式,然而,目前國(guó)內(nèi)的發(fā)展還處于初步階段,裝配式建筑仍需投入大量的科學(xué)研究。

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系中,墻體的作用至關(guān)重要,肖緒文等提出了一種新型預(yù)制墻體豎向分布鋼筋連接的裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系,通過(guò)數(shù)值模擬研究了參數(shù)變化對(duì)裝配整體式剪力墻抗震性能的影響[1];葛元輝等提出了一種新型裝配式干式連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法,通過(guò)數(shù)值分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性[2];種迅等研究了螺栓連接的裝配式剪力墻水平拼縫位置的抗震性能[3],李建闖、王濤等對(duì)1個(gè)現(xiàn)澆和7個(gè)帶豎縫暗梁連接裝配式混凝土剪力墻試件進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)[4-5];張錫治等對(duì)剪跨比為2∶1的楔形現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)鋼筋混凝土剪力墻進(jìn)行了足尺靜力試驗(yàn)和數(shù)值分析,得出較理想的破壞模式[6];屈雨濃等通過(guò)水平低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究了Tilt-up 建筑體系中新型再生混凝土夾芯保溫墻體的抗震性能[7];黃煒等提出3種干式連接的裝配式復(fù)合墻體,通過(guò)低周往復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)干式連接墻體的破壞過(guò)程基本一致,但剛度和變形能力有所差異[8];Soudki等通過(guò)低周反復(fù)試驗(yàn)研究了預(yù)制墻板水平構(gòu)造連接形式的破壞模式和在荷載作用下的強(qiáng)度損失[9];Tong等對(duì)兩層單跨的半剛接框架復(fù)合剪力墻進(jìn)行了試驗(yàn)研究[10];Carrillo等研究了適用于低層住宅的鋼筋混凝土墻體的抗震性能,并進(jìn)行了低周反復(fù)試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)[11]。上述研究中混凝土墻體的受力性能和連接節(jié)點(diǎn)的研究較為充分,但關(guān)于保溫復(fù)合墻體的干式連接等研究較為缺乏。

本文針對(duì)干式連接的裝配式混凝土結(jié)構(gòu),研發(fā)出一種螺栓連接的企口裝配節(jié)點(diǎn),并提出混凝土格柵復(fù)合墻體、條形夾芯保溫樓板配套的結(jié)構(gòu)體系及其各構(gòu)件之間的連接形式;通過(guò)數(shù)值分析法研究了格柵墻體的承載能力、傳力特性及其破壞模式,并運(yùn)用參數(shù)化分析探討了不同軸壓對(duì)橫向承載能力的影響;為提高格柵墻體的計(jì)算效率,基于殼單元提出了一種簡(jiǎn)化的計(jì)算方法,其結(jié)果與格柵墻體計(jì)算結(jié)果高度一致,可為裝配式混凝土格柵復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)的研究和計(jì)算提供參考。

1 裝配式混凝土格柵復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)構(gòu)造

裝配式混凝土格柵復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)包括預(yù)制格柵墻體、預(yù)制異形柱、預(yù)制保溫樓板、墻體洞口填充物、外保溫層、角鋼、鋼條板和螺栓。該結(jié)構(gòu)中墻體和樓板均減少了材料的使用,其中格柵墻體應(yīng)用于順安遠(yuǎn)大裝配式示范項(xiàng)目,整體上部結(jié)構(gòu)混凝土用量為0.27 m3/m2,鋼筋用量為30 kg/m2,墻體材料用量減少約35%,相較于不開(kāi)洞的墻體,該結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟(jì)合理。

整體結(jié)構(gòu)中所使用的構(gòu)件均為全預(yù)制,通過(guò)螺栓和連接件連接,各受力構(gòu)件之間為全干式連接,幾乎不考慮現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)的狀況,該結(jié)構(gòu)的構(gòu)件由工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行安裝,極大程度地縮短了工期,并有效改善了現(xiàn)場(chǎng)的施工環(huán)境,整體構(gòu)造如圖1所示。

圖1 混凝土格柵墻體結(jié)構(gòu)Fig.1 Concrete grid wall structure

以圖1構(gòu)造為例,設(shè)計(jì)出開(kāi)間、進(jìn)深、高度和厚度分別為3,4.2,3,0.2 m的一間房子。將其與普通現(xiàn)澆混凝土剪力墻房屋進(jìn)行比較可知,由于新型結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化了墻體和樓板構(gòu)件的重量,新結(jié)構(gòu)體系上部結(jié)構(gòu)的用材量減少約31%。

1.1 預(yù)制混凝土格柵墻體與異形柱

墻體主要受力構(gòu)件為格柵混凝土結(jié)構(gòu),室內(nèi)一側(cè)留有混凝土保護(hù)層,防止洞內(nèi)填充物在使用中磕碰受損,保護(hù)層厚度應(yīng)滿足GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》要求;以順安遠(yuǎn)大示范項(xiàng)目和上述所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)為例,其相同尺寸不開(kāi)門(mén)窗的墻體與現(xiàn)澆墻體相比,格柵墻體的重量減少約35%,在保證了結(jié)構(gòu)受力和構(gòu)造要求的同時(shí),也顯著降低了結(jié)構(gòu)自重[12],墻體構(gòu)造如圖2所示。

a—室內(nèi)一側(cè); b—室外一側(cè)。圖2 混凝土格柵墻體Fig.2 Concrete grid wall

為方便產(chǎn)業(yè)化推廣,裝配式結(jié)構(gòu)要盡可能少規(guī)格多組合[12],構(gòu)件生產(chǎn)需滿足模數(shù)要求;房屋結(jié)構(gòu)中L形、T形和十字形的轉(zhuǎn)角最為常見(jiàn),此3種預(yù)制異形柱可很好地完成房屋轉(zhuǎn)角的建造,采用此種異形柱建造房屋不占用室內(nèi)空間,異形柱各個(gè)邊緣均開(kāi)企口,與其他構(gòu)件相互嵌合對(duì)拉螺栓連接即可,現(xiàn)場(chǎng)可快速完成拼裝。異形柱構(gòu)造如圖3所示。

a—L形; b—T形; c—十字形。圖3 異形柱構(gòu)造示意Fig.3 Structural diagram of special-shaped column

1.2 企口接縫設(shè)計(jì)

若要各構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)快速完成拼裝,需要一種操作簡(jiǎn)單便于施工的連接方式,且要減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)。該新型結(jié)構(gòu)中預(yù)制墻體和異形柱開(kāi)有企口通過(guò)對(duì)拉螺栓進(jìn)行連接,該連接形式為一種干式連接。裝配式混凝土格柵墻體房屋結(jié)構(gòu)的墻與基礎(chǔ)、墻與墻、墻與柱、柱與柱之間的連接,均采用這種對(duì)拉螺栓連接,預(yù)制墻體構(gòu)件企口處開(kāi)有螺栓孔和沉槽,用于構(gòu)件之間的安裝,該方式可滿足快速拼裝要求。企口接縫如圖4所示。

圖4 企口接縫示意Fig.4 Schematic diagram of rabbet joint

1.3 墻體外圍護(hù)結(jié)構(gòu)

由于裝配式建筑的特殊性,在設(shè)計(jì)建造時(shí)影響室內(nèi)物理環(huán)境的因素較多,其中,氣密性和保溫性是兩個(gè)非常重要的因素,故提出如圖5所示的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖5 外圍護(hù)層次示意Fig.5 Schematic diagram of peripheral protection layer

1.4 夾芯保溫樓板

樓板為預(yù)制條形樓板,內(nèi)置保溫層,可減輕結(jié)構(gòu)自重和節(jié)省混凝土的使用,樓板連接如圖6b所示,用上下兩塊鋼板條通過(guò)螺栓相連接,該方式可避免全干式連接帶來(lái)的樓板開(kāi)裂問(wèn)題[13]。

a—樓板剖面; b—樓板接縫。圖6 樓板和樓板接縫Fig.6 Floor and floor joint

墻體上下接縫處受力復(fù)雜,因此樓板與墻體的連接應(yīng)避開(kāi)墻體的上下接縫,將墻體的接縫上移,以保證構(gòu)件安裝后接縫的強(qiáng)度。墻體與樓板的連接如圖7所示。

a—墻體上端構(gòu)造; b—墻體與樓板接縫。圖7 墻體與樓板接縫構(gòu)造Fig.7 Structural drawing of wall and floor joint

2 混凝土格柵墻體結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

基于ABAQUS有限元軟件對(duì)墻體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬,獲得墻體結(jié)構(gòu)施加豎向荷載和橫向荷載作用下的結(jié)構(gòu)受力情況,并對(duì)其深入分析以了解結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理。

2.1 格柵墻體數(shù)值模型

圖8 混凝土格柵墻體Fig.8 Concrete grid wall

格柵墻體結(jié)構(gòu)建模過(guò)程中,鋼材采用雙折線彈塑性模型,混凝土的本構(gòu)關(guān)系采用GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]中的本構(gòu)模型;格柵墻體、墊片和螺栓采用實(shí)體單元(C3D8R),鋼筋采用三維桁架單元(T3D2);各構(gòu)件之間的接觸采用面與面接觸,鋼筋則采用嵌入功能;底座的底面采用固定約束,荷載采用位移加載。

2.2 軸壓作用下墻體分析

在軸壓作用下荷載由加載梁傳遞給格柵墻體結(jié)構(gòu),格柵墻體結(jié)構(gòu)中豎向荷載主要由柱承擔(dān),暗梁自始至終受力較小。當(dāng)墻體處于彈性階段時(shí),中間暗柱受力大于兩個(gè)邊柱,位移與邊柱基本一致;墻體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形時(shí),中間暗柱的位移大于兩側(cè)邊柱的位移,豎向力開(kāi)始轉(zhuǎn)向邊柱承擔(dān);豎向力傳遞至柱腳時(shí)開(kāi)始向底梁成扇形擴(kuò)散,并繼續(xù)由底梁承擔(dān)荷載;底梁通過(guò)企口面與基礎(chǔ)面的接觸將荷載傳遞給基礎(chǔ),企口接縫的螺栓中部由于螺栓洞口的擠壓受到剪切作用。

彈性階段時(shí)中間暗柱的應(yīng)力大于邊柱,應(yīng)力沿墻體暗柱以折線分布形式逐漸增大并趨于均勻分布;當(dāng)進(jìn)入塑性階段時(shí),邊柱與中柱共同承擔(dān)荷載,中間暗柱的應(yīng)力與邊柱趨于一致;加載過(guò)程中六邊形墻體洞口靠近柱子的折角處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象;結(jié)構(gòu)破壞時(shí)混凝土最大應(yīng)力值為34.31 MPa,并且此時(shí)的鋼筋已達(dá)到屈服強(qiáng)度,最大應(yīng)力值為438.6 MPa,螺栓和鋼板墊片在加載過(guò)程中兩側(cè)柱腳處螺栓應(yīng)力值較大,最大值為148.7 MPa,尚未達(dá)到屈服應(yīng)力,驗(yàn)證了塑性階段邊柱為主要承重部分。墻體與鋼筋應(yīng)力分布如圖9所示。

圖10所示為鋼筋混凝土格柵墻體結(jié)構(gòu)在軸壓作用下的荷載-位移曲線?？梢钥闯?鋼筋混凝土格柵墻體的最大荷載為3 067.6 kN,該墻體表現(xiàn)出了較為理想的承受荷載能力。

圖10 軸壓作用下荷載-位移曲線Fig.10 Load-displacement curve under axial pressure

2.3 軸壓與橫向力作用下墻體分析

當(dāng)軸壓比為0.15時(shí)所對(duì)應(yīng)的豎向荷載值為276 kN,在該軸壓比作用下施加橫向荷載,結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如圖11和圖12所示。可看出:隨著橫向荷載增加,加載一側(cè)的邊柱應(yīng)力逐漸向上部集中,中柱隨荷載的增加,應(yīng)力逐漸沿對(duì)角傾斜并減小,另一側(cè)的邊柱應(yīng)力開(kāi)始向柱底部集中,墻體的暗梁應(yīng)力逐漸增大;應(yīng)力主要分布于加載一側(cè)邊柱的上端、中間的暗梁和另一側(cè)邊柱底部,破壞時(shí)混凝土應(yīng)力最大值為34.15 MPa,此時(shí)的鋼筋應(yīng)力值為430.6 MPa,鋼筋最大應(yīng)力出現(xiàn)于短梁折角處,此時(shí)鋼筋已達(dá)到屈服強(qiáng)度。

a—混凝土應(yīng)力; b—鋼筋應(yīng)力。圖11 軸壓與橫向荷載下應(yīng)力分布 MPaFig.11 Stress distribution under axial compression and transverse load

a—受壓損傷; b—受拉損傷。圖12 墻體混凝土拉壓損傷分布 MPaFig.12 Damage distribution of wall concrete under tension and compression

當(dāng)軸壓比c分別為0.15、0.30和0.45時(shí),荷載隨位移變化的曲線如圖13所示?？梢?jiàn):隨著軸壓比的增大,墻體在橫向荷載作用下的承載力逐漸增大,但墻體延性有所降低;軸壓比為0.15時(shí),塑性變形較大,荷載有上升的趨勢(shì),且軸壓比越大,上升趨勢(shì)越平緩,不同軸壓比對(duì)應(yīng)的極值點(diǎn)處的峰值荷載分別為160.8,178.2,186.4 kN,由此可知,隨軸壓比的增大,承載力逐漸增大,但增長(zhǎng)的幅度越來(lái)越小。

圖13 不同軸壓比作用下荷載-位移曲線Fig.13 Load-displacement curve under different axial compression ratios

3 基于殼單元建模的格柵墻體分析

上述有限元模型均采用實(shí)體單元建模,此種建模方式運(yùn)算量較大,無(wú)法進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的運(yùn)算,且建模過(guò)程繁雜,因此提出一種殼單元建模方法。因?yàn)闅卧嬖谄涮赜械膶傩?在使用殼單元建立格柵墻體模型時(shí)需了解其精確性。殼單元墻體模型與實(shí)體單元模型除墻體用殼單元建模外,其余條件均相同,本次模擬將格柵墻體按照等效原則簡(jiǎn)化為不開(kāi)洞口的整片墻體,等效勻質(zhì)墻體厚度計(jì)算式如式(1)所示[15]。

Ecbeqh=EcAc+EqAq

(1)

式中:Ec為混凝土彈性模量,MPa;Eq為格柵中填充體的彈性模量,MPa;Ac為預(yù)制墻板各混凝土肋柱橫截面面積之和,mm2;Aq為墻板填充體的水平投影面積總和,mm2;h為預(yù)制墻板截面高度,mm;beq為等效墻板厚度,mm。

按照式(1)所計(jì)算的等效墻體厚度為70 mm,企口厚度仍保持為100 mm。利用ABAQUS的鋼筋層功能來(lái)添加墻體的鋼筋,鋼筋為平均分布。螺栓采用了連接器功能進(jìn)行了簡(jiǎn)化,簡(jiǎn)化后的墻體模型如圖14所示。殼墻體與底梁的接觸為面面接觸,在選擇殼體邊緣時(shí),選中殼墻體下邊緣區(qū)域的結(jié)點(diǎn),面面接觸的切向行為摩擦系數(shù)取為0.22,法向行為采用“硬”接觸,墻體受軸壓和橫向荷載共同作用,其中軸壓比取為0.15,與實(shí)體模型荷載一致。

圖14 墻體模型示意Fig.14 Schematic diagram of wall model

3.1 殼單元模型應(yīng)力分布

對(duì)建立好的模型進(jìn)行分析,獲得殼墻體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布,如圖15所示。可見(jiàn):墻體的應(yīng)力整體沿對(duì)角分布,應(yīng)力分布于上端加載角處和底端右側(cè)角處,螺栓洞口出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大應(yīng)力出現(xiàn)于螺栓洞口應(yīng)力集中處;與實(shí)體單元建模分布一致,但應(yīng)力值與實(shí)體建模相差較大,且不可查看細(xì)部應(yīng)力,當(dāng)位移、荷載繼續(xù)增大時(shí),殼墻體出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象。

圖15 殼墻體應(yīng)力分布 MPaFig.15 Stress distribution of shell wall

3.2 勻質(zhì)殼墻體與格柵墻體結(jié)果對(duì)比

大型有限元分析使用格柵墻體時(shí),若部件采用實(shí)體單元,則需要付出很大的計(jì)算代價(jià),因此應(yīng)對(duì)格柵墻體進(jìn)行簡(jiǎn)化,但需保證結(jié)構(gòu)承載能力和剛度的一致性。

螺栓的簡(jiǎn)化方式對(duì)荷載-位移曲線存在一定影響,為此采用了ABAQUS的連接器功能,并提供了兩種簡(jiǎn)化螺栓的方式。第一種方法為建立線條特征賦予連接截面,將螺栓影響區(qū)域與所建立的參考點(diǎn)進(jìn)行耦合,約束3個(gè)平動(dòng)自由度U1、U2、U3和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度UR1、UR2、UR3,即可完成螺栓的簡(jiǎn)化,簡(jiǎn)化后的荷載-位移如圖16所示。第二種簡(jiǎn)化螺栓建模方法是在相對(duì)應(yīng)的螺栓位置創(chuàng)建參考點(diǎn),建立局部坐標(biāo)系和連接截面,然后基于參考點(diǎn)創(chuàng)建捆綁,目標(biāo)表面選擇“按估計(jì)值捆綁指定表面”,選擇相對(duì)應(yīng)部件表面,準(zhǔn)則中的附加方法為“面到面”,屬性中物理半徑定義為實(shí)際螺栓半徑。本次模擬的螺栓半徑為5 mm,選擇連接截面和方向,即完成簡(jiǎn)化螺栓的建立,如圖17所示。

圖16 簡(jiǎn)化螺栓方法1勻質(zhì)殼墻體荷載-位移曲線Fig.16 Simplified load-displacement curve of uniform shell wall with bolt Ⅰ

圖17 簡(jiǎn)化螺栓方法2勻質(zhì)殼墻體荷載-位移曲線Fig.17 Simplified load-displacement curve of uniform shell wall with bolt Ⅱ

格柵墻體以實(shí)體單元建模,連接螺栓也采用了實(shí)體單元,而簡(jiǎn)化的殼單元墻體與底梁的連接采用了簡(jiǎn)化螺栓方法,因此簡(jiǎn)化螺栓方法1所建殼墻體與格柵墻體的模擬在彈性階段完全吻合,但進(jìn)入塑性階段后出現(xiàn)了較小的偏差。由圖16可以看出,當(dāng)墻體進(jìn)入塑性階段后殼單元墻體的延性相較于格柵實(shí)體單元墻體稍差,但簡(jiǎn)化殼單元墻體與格柵實(shí)體單元墻體的剛度和承載能力基本一致。由圖17可見(jiàn),簡(jiǎn)化螺栓方法2中模型與實(shí)體單元的模型結(jié)果更加接近。由上可知,在進(jìn)行格柵墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可采用簡(jiǎn)化的殼單元來(lái)模擬。

4 結(jié) 論

提出裝配式混凝土格柵復(fù)合墻體結(jié)構(gòu),采用有限元軟件ABAQUS對(duì)格柵墻體構(gòu)件進(jìn)行了模擬,并驗(yàn)證格柵墻體采用殼單元建模的正確性,主要結(jié)論如下:

1)裝配式混凝土格柵復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單,各構(gòu)件之間全干式連接,該墻體與現(xiàn)澆墻體相比較材料用量減少了35%,大大降低了構(gòu)件自重。

2)通過(guò)ABAQUS有限元模擬,發(fā)現(xiàn)開(kāi)有六邊形洞口的格柵墻體具有良好的承載能力,且力的傳遞路徑清晰合理,可作為類(lèi)剪力墻構(gòu)件使用。

3)提出了殼單元簡(jiǎn)化模型,為格柵墻體結(jié)構(gòu)有限元分析提供了計(jì)算方式,墻體和結(jié)點(diǎn)均進(jìn)行了簡(jiǎn)化,避免了建模過(guò)程中的煩瑣操作,有效地提高了計(jì)算效率,與實(shí)體模型的計(jì)算結(jié)果吻合度較高。