解 瑞 曹啟坤 沈燕梅

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

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·結(jié)構(gòu)·抗震·

高層EPS格構(gòu)式墻體與傳統(tǒng)墻體地震響應(yīng)分析★

解 瑞 曹啟坤 沈燕梅

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

基于一棟12層框架—EPS格構(gòu)式混凝土墻體結(jié)構(gòu)高層住宅，一棟剪力墻結(jié)構(gòu)及一棟砌體結(jié)構(gòu),在8度基本設(shè)防的EL-Centro波地震作用下，運(yùn)用ANSYS大型有限元數(shù)值模擬軟件,對其進(jìn)行了非線性時(shí)程分析，并對三個(gè)結(jié)構(gòu)模型的加速度峰值、層間位移角和抗側(cè)剛度作了對比，得出格構(gòu)式墻體結(jié)構(gòu)抗震性能強(qiáng)于砌體結(jié)構(gòu)，弱于剪力墻結(jié)構(gòu)，為其在以后實(shí)際工程中應(yīng)用提供了依據(jù)。

格構(gòu)式混凝土墻體，砌體結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)，地震響應(yīng)，ANSYS

1 概述

水泥聚苯模殼(Expandable Polystyrene Shuttering，簡稱EPS)格構(gòu)式混凝土墻體中水泥聚苯模殼是由聚苯顆粒、水泥、水、外加劑等混合攪拌,按一定的規(guī)格尺寸澆筑模壓成型的單片模殼,再經(jīng)模壓合模,形成具有縱、橫向內(nèi)芯孔的整塊殼體墻體材料,根據(jù)需要在芯孔內(nèi)配置一定數(shù)量的鋼筋,澆筑免振搗自密實(shí)混凝土,即形成格構(gòu)式復(fù)合墻體[1],國外也稱納士塔(RASTRA)墻體[2，3]。水泥聚苯模殼具有良好的保溫、防火性能，并且在施工階段作為澆筑格構(gòu)式混凝土梁、柱的模板,在使用階段作為建筑外墻保溫材料,該模殼可預(yù)先在工廠生產(chǎn)再到現(xiàn)場拼裝成墻板,亦可在工廠制成墻板運(yùn)到現(xiàn)場再進(jìn)行拼裝[4]。

水泥聚苯模殼格構(gòu)式混凝土墻體是一種集輕質(zhì)、保溫、承重、防火、隔聲、抗震、耐久和環(huán)保等多功能于一體的，不同于傳統(tǒng)建筑保溫墻體結(jié)構(gòu)形式的新型復(fù)合墻體建筑結(jié)構(gòu)體系[5]。但是該墻體目前在國內(nèi)外僅用于6層以下的承重保溫墻體建筑[4]，因此對高層格構(gòu)式混凝土墻體地震響應(yīng)分析是很有意義的。在高層EPS格構(gòu)式混凝土墻體地震響應(yīng)分析中，得出在不同設(shè)防烈度作用下，EL-Centro波對結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)最大。本文在此基礎(chǔ)上，研究EPS格構(gòu)式墻體與傳統(tǒng)墻體地震響應(yīng)，從而對這種新型節(jié)能墻體進(jìn)行更充分的研究，為實(shí)際工程提供依據(jù)。

2 結(jié)構(gòu)與有限元模型

2.1 模型一

框架與EPS格構(gòu)式混凝土墻體混合結(jié)構(gòu)，12層高層住宅，層高為2.8 m，結(jié)構(gòu)開間為3.6 m～4.5 m?？拐鹪O(shè)防烈度為8度，抗震設(shè)防為丙類，地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。建筑結(jié)構(gòu)樓板厚100 mm，結(jié)構(gòu)墻均為250 mm厚，模殼芯孔直徑160 mm，芯孔圓心間距為400 mm，考慮端柱、邊柱、轉(zhuǎn)角柱加強(qiáng)，1層～12層樓板墻體均采用強(qiáng)度等級為C30的混凝土，梁柱混凝土強(qiáng)度等級C35。有限元模型材料參數(shù)見表1。

表1 有限元模型材料參數(shù)

有限元結(jié)構(gòu)模型建立時(shí)，墻體運(yùn)用Beam188單元，樓板采用單元Shell63，4 500開間的洞口尺寸為2 800×1 200，3 600開間的洞口尺寸為2 000×1 200，戶門洞口尺寸為2 800×2 000，計(jì)算模型每層包括結(jié)構(gòu)外圍的EPS格構(gòu)式混凝土墻體和內(nèi)部的4根400×400的框架柱，總計(jì)12層。計(jì)算單元數(shù)包括：18 750個(gè)Beam單元，7 015個(gè)Shell單元，總計(jì)單元數(shù)25 765個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)是16 080個(gè)。結(jié)構(gòu)模型本構(gòu)關(guān)系采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化(Bilinear Kinematic Hardening Plasticity)材料模型。首層結(jié)構(gòu)圖見圖1，新型格構(gòu)式墻體有限元模型見圖2。

2.2 模型二

由于格構(gòu)式混凝土結(jié)構(gòu)墻體是先砌筑EPS模殼，粘合組裝成墻體，在其內(nèi)部孔槽澆筑混凝土或者穿插鋼筋后澆筑混凝土，在墻體內(nèi)部形成剛性骨架。與砌體結(jié)構(gòu)的施工砌筑過程有一定的相似性，因此，“模型二”選用相同結(jié)構(gòu)布置的砌體結(jié)構(gòu)[6]作為對比分析。計(jì)算單元數(shù)包括：3 268個(gè)Beam單元，15 583個(gè)Shell單元，總計(jì)單元數(shù)18 851個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)是15 564個(gè)。

2.3 模型三

格構(gòu)式混凝土結(jié)構(gòu)墻體源于剪力墻結(jié)構(gòu)，格構(gòu)式混凝土結(jié)構(gòu)又稱為多孔剪力墻，因此，“模型三”選用相同結(jié)構(gòu)布置、幾何尺寸、材料的實(shí)體剪力墻結(jié)構(gòu)[7]作為對比分析，計(jì)算單元數(shù)包括：3 268個(gè)Beam單元，15 583個(gè)Shell單元，總計(jì)單元數(shù)18 851個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)是15 564個(gè)；由GB 50003—2011砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[8](以下簡稱《砌規(guī)》)與《混規(guī)》查得：剪力墻結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)見表2，其有限元模型見圖3。

3 三種不同結(jié)構(gòu)模型的地震響應(yīng)

表2 有限元模型材料參數(shù) MPa

結(jié)構(gòu)模型的地震響應(yīng)分別從加速度、位移、抗側(cè)剛度等分析結(jié)構(gòu)的抗震性能。其中抗側(cè)剛度等于剪力與層間位移的比值?？箓?cè)剛度是指在單位力作用下，工程結(jié)構(gòu)頂部的側(cè)移。側(cè)移剛度的大小與材料本身的彈性模量、剪切模量、構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的截面形狀、邊界條件等因素以及外力的作用形式有關(guān)?？紤]彈塑性時(shí)，抗側(cè)剛度數(shù)值不同，如果是線彈性分析，抗側(cè)剛度是個(gè)定值。模型一與模型二可對比“格構(gòu)式墻體結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)”在抗震地區(qū)抗震性能的優(yōu)劣勢；與模型三可對比“墻體有無網(wǎng)格”對結(jié)構(gòu)模型應(yīng)力分布與抗震的影響。

3.1 加速度方面

模型一、二、三在EL-Centro波8度基本設(shè)防地震作用下頂層的加速度時(shí)程曲線如圖4所示，三個(gè)模型各樓層處加速度峰值和加速度放大系數(shù)見表3。

表3 各層代表節(jié)點(diǎn)加速度峰值及放大系數(shù)

標(biāo)高/m峰值加速度/cm·s-2加速度放大系數(shù)模型一模型二模型三模型一模型二模型三2.874.2653.3629.490.370.270.155.6161.70115.5167.480.810.580.348.4244.99181.49114.481.220.910.5711.2319.76245.62166.861.601.230.8314.0384.83305.10221.711.921.531.1116.8441.25357.85277.572.211.791.3919.6502.74402.76333.082.512.011.6722.4555.64446.86390.042.782.231.9525.2600.73503.65451.493.002.522.2628.0641.51555.06509.453.212.782.5530.8686.52603.54562.783.433.022.8133.6722.61654.39611.073.613.273.06

從圖4中加速度時(shí)程曲線可知：模型三(剪力墻結(jié)構(gòu))的加速度值最小，模型二(砌體結(jié)構(gòu))次之，模型一(芯孔直徑為160 mm的格構(gòu)式墻體結(jié)構(gòu))的加速度值最大。表3中模型一的加速度放大系數(shù)最大，模型三的最小，模型二位于中間。

3.2 位移方面

模型一、二、三在EL-Centro波8度基本設(shè)防地震作用下頂層的加速度時(shí)程曲線如圖5所示，三個(gè)模型各樓層處位移峰值和層間位移角見表4。

表4 各層代表節(jié)點(diǎn)峰值位移及層間位移角

標(biāo)高/m峰值位移/mm層間位移角模型一模型二模型三模型一模型二模型三2.83.951.951.040.00140.00070.00045.68.764.882.650.00170.00100.00068.413.728.224.570.00180.00120.000711.218.6511.766.690.00180.00130.000814.023.4415.348.940.00170.00130.000816.828.0018.9611.240.00160.00130.000819.632.2622.5713.530.00150.00130.000822.436.1526.0315.750.00140.00120.000825.239.6929.3017.880.00130.00120.000828.042.7832.4419.860.00110.00110.000730.845.3735.4521.690.00090.00110.000733.647.4938.2023.380.00080.00100.0006

由表4與圖5可知：模型總體從底層至頂層位移峰值呈增大趨勢；各模型層間位移角從底層至4層逐漸增大、5層至頂層逐漸減小，且模型一、模型二的最大層間位移角為0.001 8，0.001 3,都超過《抗規(guī)》中關(guān)于抗震墻結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值，但遠(yuǎn)小于塑性層間位移角限值；模型三的最大層間位移角為0.000 8，小于抗震墻結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值，說明模型一、二在8度基本設(shè)防地震作用下處于塑性狀態(tài)，模型三仍處于彈性階段。

EL-Centro波作用下(0.2g)模型的層間位移角見圖6。

3.3 抗側(cè)剛度方面

表5 各層代表節(jié)點(diǎn)剪力、層間位移及抗側(cè)剛度

模型一、二、三的各層剪力、層間位移、抗側(cè)剛度列于表5中，由表中數(shù)據(jù)可知：模型二(砌體結(jié)構(gòu))的整體抗側(cè)剛度大于模型一(格構(gòu)式墻體結(jié)構(gòu))且小于模型三(剪力墻結(jié)構(gòu))，隨著樓層升高，各模型抗側(cè)剛度均減小，說明結(jié)構(gòu)越高在地震作用下，越易發(fā)生側(cè)移。模型二與模型一抗側(cè)剛度進(jìn)行對比可知：在1層～10層模型二的抗側(cè)剛度均大于模型一，但11，12層開始小于模型一，說明砌體結(jié)構(gòu)的延性較差，不適合高層建筑結(jié)構(gòu)，且隨著樓層上升，抗側(cè)剛度減幅逐漸變緩在地震作用下易破壞。模型三與模型一抗側(cè)剛度進(jìn)行對比可知：在一到頂層，模型三的抗側(cè)剛度均大于模型一，且模型三的抗側(cè)剛度減少幅值均大于模型一，說明剪力墻較格構(gòu)式墻體更利于抗震、安全性[9]較高，但從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，在保證建筑結(jié)構(gòu)安全性能的前提下，格構(gòu)式墻體結(jié)構(gòu)的造價(jià)更低，用材更省，減少對環(huán)境的影響從而實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)材料(如混凝土)的低消費(fèi)，降低浪費(fèi)同時(shí)消除模板。同時(shí)從結(jié)構(gòu)和可持續(xù)性建筑的觀點(diǎn)出發(fā)，旨在保持預(yù)制建筑方法同時(shí)改善傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)保溫性能，從而減少建筑物整個(gè)生命周期的能源需求。

4 結(jié)語

本章基于高層框架—EPS格構(gòu)式混凝土墻體結(jié)構(gòu)高層住宅，一棟剪力墻結(jié)構(gòu)及一棟砌體結(jié)構(gòu)，運(yùn)用ANSYS大型有限元數(shù)值模擬軟件對其進(jìn)行了非線性時(shí)程對比分析，并在8度基本設(shè)防的EL-Centro波地震作用下，對三個(gè)結(jié)構(gòu)模型的加速度峰值、層間位移角和抗側(cè)剛度分別對比，得出以下結(jié)論：

1)各建筑結(jié)構(gòu)模型在8度基本設(shè)防地震(0.20g)作用下，模型三(剪力墻結(jié)構(gòu))滿足《抗規(guī)》中規(guī)定的鋼筋混凝土抗震墻彈性最大層間位移角限值要求，處于彈性變形階段；模型一和模型二均進(jìn)入塑性階段且位于鋼筋混凝土抗震墻彈塑性層間位移角限值之內(nèi)。

2)通過三種不同結(jié)構(gòu)模型的地震響應(yīng)對比分析可知：結(jié)構(gòu)模型在8度基本設(shè)防地震(0.20g)作用下，模型三(剪力墻結(jié)構(gòu))的加速度放大系數(shù)、層間位移角、抗側(cè)剛度依次大于模型二(砌體結(jié)構(gòu))、模型一(格構(gòu)式墻體結(jié)構(gòu))，其中10層以上模型二(砌體結(jié)構(gòu))的抗側(cè)剛度小于模型一(格構(gòu)式墻體結(jié)構(gòu))，說明砌體結(jié)構(gòu)的延性較差，不適合高層建筑結(jié)構(gòu)。

3)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)對比表明：EPS格構(gòu)式混凝土墻體住宅就是將其剪力墻的剛度降低，從而增減其變形能力，即提高剪力墻的延性，進(jìn)而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身的抗震性能。與此同時(shí)，與傳統(tǒng)剪力墻、砌體結(jié)構(gòu)相比，從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，在保證建筑結(jié)構(gòu)安全性能的前提下，格構(gòu)式墻體結(jié)構(gòu)的造價(jià)更低、用材更省，減少對環(huán)境的影響從而實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)材料(如混凝土)的低消費(fèi)、消除模板使用。同時(shí)從結(jié)構(gòu)和可持續(xù)性建筑的觀點(diǎn)出發(fā)，旨在保持預(yù)制建筑方法同時(shí)改善傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)保溫性能，從而減少建筑物整個(gè)生命周期的能源需求。

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Seismic response analysis of high-rise EPS lattice type wall and traditional wall★

Xie Rui Cao Qikun Shen Yanmei

(CollegeofCivilEngineering,LiaoningTechincalUniversity,Fuxin123000,China)

This paper was based on a twelve story frame-EPS lattice type concrete wall structure high-rise residential building, a shear wall structure and a masonry structure, the nonlinear time history analysis was carried out by using the ANSYS large finite element numerical simulation software under EL-Centro wave seismic action of 8 degree basic fortification,the acceleration peak value, the displacement angle and the lateral stiffness of the three structure models were compared, it is concluded that the seismic performance of the frame wall structure is stronger than that of the masonry structure, which is weaker than that of the shear wall structure, and the conclusion provideds some basis for the application of lattice type wall structure in practical engineering.

lattice type concrete wall, masonry structure, shear wall structure, seismic response, ANSYS

1009-6825(2017)10-0030-04

2017-01-23★:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51474045)

解 瑞(1993- )，男，在讀碩士

TU352

A