錢(qián)坤, 劉圓, 封元
(吉林建筑大學(xué),長(zhǎng)春 130118)
近幾十年以來(lái),中國(guó)飛速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)使其成為現(xiàn)今全球最大規(guī)模的建筑市場(chǎng)。墻板作為建筑的主要組成部分,在材料的能耗中占比較大,因此國(guó)家大力倡導(dǎo)發(fā)展新型綠色建材的裝配式復(fù)合墻板,使得裝配式復(fù)合墻板迎來(lái)新的歷史發(fā)展機(jī)遇。與傳統(tǒng)的墻板相比,裝配式復(fù)合墻板輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫隔熱、低能耗、節(jié)省資源、具有良好的抗震性能,是推廣節(jié)能建筑、實(shí)現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化的重要途徑[1]。于此同時(shí),施工裝配化使構(gòu)件生產(chǎn)由工地化向工業(yè)化轉(zhuǎn)變,從而提升施工效率,提高相關(guān)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,促進(jìn)建筑行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。所以,該項(xiàng)施工技術(shù)具有較高的應(yīng)用價(jià)值,成為當(dāng)前建筑墻板發(fā)展的主流趨勢(shì)。
文中通過(guò)優(yōu)化人字形斜撐頂端和底端節(jié)點(diǎn)處的配筋、鋼筋的錨固位置、混凝土的加固、邊框梁上端的梁柱節(jié)點(diǎn)的方式,探討其對(duì)對(duì)墻板力學(xué)性能的影響。
文中設(shè)計(jì)了一種帶有鋼筋混凝土人字形斜撐的復(fù)合墻板(編號(hào)為FB-1),設(shè)計(jì)尺寸與配筋見(jiàn)圖1、圖2。
圖1 FB-1墻板配筋(單位:mm)
圖2 FB-1主要配筋詳圖(單位:mm)
圖3 混凝土受拉本構(gòu)曲線
(1)混凝土本構(gòu)關(guān)系。建模選用的是混凝土本構(gòu)模型中的塑性損傷模型。公式、表達(dá)式的確定依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》。
混凝土受拉時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變公式如(4)所示,計(jì)算過(guò)程如下:
式中,ft,r為抗拉強(qiáng)度代表值,可取ft、ft,k、ft,m;εt,r為與ft,r對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變;dt為混凝土受拉損傷演化參數(shù);αt為應(yīng)力應(yīng)變下降段參數(shù)。
混凝土受壓時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變公式如(7)所示,計(jì)算過(guò)程如下:
式中,αc為應(yīng)力應(yīng)變曲線下降段參數(shù);fc,r為抗壓強(qiáng)度代表值,可取fc、fc,k、fc,m;εc,r為與fc,r對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變;dc為混凝土受壓損傷演化參數(shù)。
圖4 混凝土受壓本構(gòu)曲線
(2)泡沫混凝土本構(gòu)關(guān)系。FB-1模型采用的泡沫混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基于研究[3,4]確定。本構(gòu)方程如式(10)所示。
(3)鋼筋本構(gòu)關(guān)系。研究的模型選用的是理想彈塑性模型。本構(gòu)表達(dá)式:
式中,Es為鋼筋的彈性模量;fy為鋼筋屈服強(qiáng)度的代表值;εy為鋼筋的屈服應(yīng)變值。
圖5 鋼筋雙直線模型
通過(guò)建立泡沫混凝土板、混凝土框架、縱筋以及箍筋等部件,賦予材料屬性,最后裝配形成人字撐泡沫混凝土復(fù)合墻板,如圖6所示。
圖6 有限元模型
由表1可得,在墻板內(nèi)部設(shè)置人字形斜撐是有利的,它能夠承受和傳遞部分水平荷載,將部分水平力分解為豎向力,人字撐與異形柱框架結(jié)構(gòu)結(jié)合形成受力體系,從而提高了墻板的極限承載力。
表1 FB-1模型承載力
觀察上圖復(fù)合墻板混凝土、鋼筋骨架的主要受力位置及破壞程度,可以推出墻體的破壞過(guò)程大致如下:泡沫混凝土區(qū)域裂縫貫通并逐漸脫落,然后靠近作動(dòng)器一側(cè)的人字形斜撐受拉破壞從而喪失工作能力,最后在人字形斜撐頂部、梁柱節(jié)點(diǎn)以及異形柱上出現(xiàn)不同程度的混凝土脫落和鋼筋變形,并隨著荷載的繼續(xù)施加破壞加劇,直到墻體最終失去承載能力。該過(guò)程與實(shí)際試驗(yàn)的情況較為一致,模擬結(jié)果是比較合理的。
圖7 FB-1模型應(yīng)力云圖
如圖8(a)所示,F(xiàn)B-1模型在疊合梁下部設(shè)置了兩側(cè)人字形斜撐相交節(jié)點(diǎn),鋼筋在后澆疊合梁處搭接錨固。為了改善模型左右側(cè)水平受力不均的情況,設(shè)計(jì)了BRW-1模型,在構(gòu)件疊合梁內(nèi)設(shè)置了兩側(cè)人字形斜撐相交節(jié)點(diǎn),如圖8(b)所示。
圖8 FB-1與BRW-1人字撐頂部節(jié)點(diǎn)對(duì)比圖(單位:mm)
鋼筋錨固位置影響著人字撐頂部節(jié)點(diǎn)的剛度大小,故設(shè)計(jì)了BRW-2、BRW-3模型,BRW-2模型在預(yù)制疊合梁頂端進(jìn)行鋼筋錨固,如圖9(a)所示;BRW-3模型在預(yù)制疊合梁底端進(jìn)行鋼筋錨固,見(jiàn)圖9(b)。
圖9 BRW-2與BRW-3人字撐頂部節(jié)點(diǎn)對(duì)比圖(單位:mm)
為提高人字撐底部節(jié)點(diǎn)剛度,設(shè)計(jì)了BRW-4模型,見(jiàn)圖10(b),BRW-4模型在后澆異形柱范圍內(nèi)設(shè)置人字撐底端節(jié)點(diǎn),并非在邊框柱的位置內(nèi),除提高底部節(jié)點(diǎn)剛度外,人字撐和異形柱幾乎同時(shí)破壞。
圖10 FB-1與BRW-4人字撐底部節(jié)點(diǎn)
人字形斜撐頂端混凝土破壞嚴(yán)重,故設(shè)計(jì)了BRW-5模型,如圖11所示,在其斜撐頂端進(jìn)行加固,且在該位置的節(jié)點(diǎn)處放置一個(gè)尺寸為200mm×357mm的C30混凝土塊。
圖11 BRW-5人字撐頂部節(jié)點(diǎn)細(xì)節(jié)圖(單位:mm)
如圖12所示,BRW-6模型在邊框梁上端的梁柱節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行加腋,達(dá)到提高抗壓強(qiáng)度的目的。設(shè)計(jì)時(shí),邊框梁上端的梁柱節(jié)點(diǎn)處梁腋坡度取值為1:3,相當(dāng)于其腋高是梁高的0.4倍。
圖12 BRW-6邊框梁上端梁柱節(jié)點(diǎn)加腋圖(單位:mm)
運(yùn)用ABAQUS有限元軟件,建立BRW-1模型,應(yīng)力云圖,如圖13所示。
圖13 BRW-1應(yīng)力云圖
分析圖13可知,BRW-1模型人字形斜撐左側(cè)塑性損傷較FB-1更小且均勻。總體來(lái)看,混凝土塑性損傷以及鋼筋應(yīng)力損傷范圍較FB-1模型??;BRW-1節(jié)點(diǎn)位置變化后,人字形斜撐的左邊上部鋼筋應(yīng)力變大,受力更均勻,提升斜撐傳遞水平荷載的效果,從而提高承載力;BRW-1右側(cè)的T形異形柱處鋼筋的應(yīng)力值有所提高。綜上我們可以得知BRW-1模型泡沫混凝土部分的右端以及右側(cè)的T形異形柱載荷能力更好,并能傳遞水平荷載,模型能幾乎同時(shí)破壞[5,6]。
運(yùn)用ABAQUS有限元軟件,建立BRW-2、BRW-3模型,應(yīng)力云圖如圖14所示。
圖14 BRW-2與BRW-3應(yīng)力云圖
分析圖14可知,BRW-3上部疊合梁的中間靠左位置混凝土塑性損傷、左側(cè)鋼筋應(yīng)力值、人字形斜撐、遠(yuǎn)離作動(dòng)器一側(cè)的T形異形柱承受應(yīng)力均大于BRW-2;BRW-2人字形斜撐頂端的節(jié)點(diǎn)處剛度比BRW-3大。將兩個(gè)模型的整體情況進(jìn)行對(duì)比,BRW-3模型在人字形斜撐、頂梁處破壞較大。人字形斜撐頂端的節(jié)點(diǎn)處剛度也變低了,墻板最終得以均勻受力,荷載的傳遞路徑更為合理,但應(yīng)力變大的同時(shí)會(huì)使得墻板破壞變嚴(yán)重,同時(shí)承載力下降,所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要多加考慮。
BRW-4模型將異形柱后澆區(qū)域設(shè)置人字撐底部節(jié)點(diǎn),應(yīng)力云圖,如圖15所示。
圖15 BRW-4應(yīng)力云圖
分析圖15可知,與FB-1墻板進(jìn)行對(duì)比,BRW-4模型T形異形柱的應(yīng)力值變大,破壞程度較深,左側(cè)人字撐混凝土塑性損傷區(qū)域小,達(dá)到了協(xié)同破壞,但右側(cè)處于彈塑性階段。
BRW-5模型在墻板的人字形斜撐的頂部節(jié)點(diǎn)處放置一個(gè)C30混凝土塊,其尺寸為200mm×357mm。BRW-6模型在上邊框的梁柱節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行加腋,3個(gè)模型的應(yīng)力云圖對(duì)比,如圖16所示。
圖16 BRW-5、BRW-6應(yīng)力云圖
分析圖16可知,BRW-5模型人字撐頂部節(jié)點(diǎn)抗壓能力提升,T形異形柱一側(cè)的應(yīng)力值提高。與FB-1模型相比,BRW-6泡沫混凝土損傷程度略低,能夠達(dá)到協(xié)同破壞的目的。總體來(lái)看,在墻板的上邊框梁柱節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行加腋,能夠提升墻板的抗震性能、受力性能。
由表2可知,F(xiàn)B-1模型極限承載力為411.74kN,BRW-1、BRW-2、BRW-3、BRW-4、BRW-5、BRW-6模型極限承載力分別為 419.16、398.87、382.76、426.21、435.37、431.72kN。與FB-1對(duì)比,BRW-1承載力提升了2.5%;BRW-2承載力降低了3.1%;BRW-3承載力降低了7%;BRW-4承載力提升了2%;BRW-5承載力提升了5.4%;BRW-6承載力提升了4.6%。
表2 各模型承載力特征值
對(duì)每個(gè)模型的延性系數(shù)進(jìn)行分析,BRW-1延性系數(shù)為2.61,BRW-4延性系數(shù)為2.6,兩模型延性系數(shù)均有所降低,可知節(jié)點(diǎn)位置的選取能夠影響模型的剛度大小。BRW-2延性系數(shù)為2.67,BRW-3延性系數(shù)為2.71,兩模型分別提高1.8%、3.3%,可知雖承載力下降,但改變?nèi)俗中涡睋雾敹斯?jié)點(diǎn)處的配筋能夠提高其延性。BRW-5延性系數(shù)為2.58,BRW-6延性系數(shù)為2.59,兩模型幾乎下降了1.1%,可知對(duì)節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行混凝土加固,可增大約束鋼筋的能力、降低其變形的能力。
(1)在疊合梁內(nèi)部(BRW-1)設(shè)置左右側(cè)人字撐相交節(jié)點(diǎn),這樣設(shè)計(jì)能夠使墻板受力路徑更為合理,墻板的T形異形柱一側(cè)載荷能力更強(qiáng),最終各構(gòu)件能協(xié)同破壞。
(2)異形柱后澆區(qū)域(BRW-4)設(shè)置人字撐底部節(jié)點(diǎn),這樣設(shè)計(jì)能夠使墻板的受力更加均勻,人字形斜撐傳遞水平作用的力更有效,最終各構(gòu)件達(dá)到協(xié)同破壞。
(3)在人字形斜撐的頂端節(jié)點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)混凝土加固區(qū)(BRW-5)、在上邊框梁的梁柱節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行加腋(BRW-6),這兩種設(shè)計(jì)從墻板的承載力以及延性來(lái)看,能夠明顯提升墻板的承載力,但是延性影響不大,值得考慮。
總體來(lái)看,在疊合梁的內(nèi)部設(shè)置左右側(cè)人字撐相交節(jié)點(diǎn)、在異形柱的后澆區(qū)域設(shè)置人字撐底部節(jié)點(diǎn),這兩種設(shè)計(jì)的方案都能夠?qū)⑺胶奢d傳遞到T形異形柱一側(cè)的構(gòu)件,受力路徑更為合理,模型基本達(dá)到協(xié)同破壞的目的;在人字形斜撐的頂端節(jié)點(diǎn)處位置設(shè)置一個(gè)混凝土加固區(qū)、在上邊框梁的梁柱節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行加腋,這幾種方式能夠在一定程度上提高墻板的承載力。因此,可參考以上方案,對(duì)人字撐泡沫混凝土復(fù)合墻板進(jìn)行優(yōu)化。