江一博 周占學(xué)，2* 梁玉國 吳 凱 常 宇 馬春柳 郭延凱

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北省高校綠色建材與建筑改造應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北 張家口 075000；3.河北省建筑科學(xué)研究院有限公司，石家莊 050000)

0 引 言

21世紀(jì)以來，能源和可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)逐漸成為世界關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問題.我國在2020年的第七十五屆聯(lián)合大會(huì)上向世界鄭重承諾在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1].建筑業(yè)是能源消耗的巨頭行業(yè)，節(jié)能建筑也是近些年來各個(gè)國家大力發(fā)展和研究的重要方向之一.節(jié)能建筑的要求主要是在保證或者提高舒適度的基礎(chǔ)上，盡可能多的節(jié)約建造過程中使用的資源，降低制造及使用能耗、降低有害氣體排放量、減輕環(huán)境負(fù)荷等[2].結(jié)構(gòu)節(jié)能一體化技術(shù)是針對建筑耗能的主要部位墻體的一種新型結(jié)構(gòu)技術(shù)，其集保溫與結(jié)構(gòu)圍護(hù)于一體，保溫結(jié)構(gòu)一體化施工，既滿足節(jié)能要求又可實(shí)現(xiàn)墻體及保溫層同壽命.節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)在使用壽命方面相對于外墻外保溫技術(shù)有了質(zhì)的提升，解決了保溫層與墻體壽命不一致的問題，從而減少了后期維護(hù)維修的資源消耗.目前，全國各省份都出臺了相關(guān)節(jié)能建筑的政策，山東、河北等地還率先出臺了結(jié)合自身?xiàng)l件，合理且具有發(fā)展前景的一體化技術(shù)及相應(yīng)規(guī)程.

一體化墻體的力學(xué)性能一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn).Naito[3]等人對一體化夾芯墻的連接件進(jìn)行剪切承載力試驗(yàn)和抗彎試驗(yàn).結(jié)果表明連接件在受剪過程中受力明顯，且夾芯墻的破壞與普通剪力墻類似.Stephen[4]等人對墻體的M型連接件進(jìn)行了研究，結(jié)果表明此連接件在工作時(shí)受力較小，對結(jié)構(gòu)整體性影響也較小.Galatin[5]等以保溫連接件與混凝土錨固性為中心，對墻體剝落進(jìn)行了細(xì)致研究.宋美潔[6]對復(fù)合墻體進(jìn)行了豎向軸心和偏心荷載試驗(yàn)，研究了墻體變形、受力、破壞等過程.張樂[7]以IPS體系和FS體系為例，進(jìn)行了地震模擬振動(dòng)臺試驗(yàn)，并進(jìn)行仿真且分析了其力學(xué)性能.國內(nèi)外的相關(guān)研究皆集中在具體的部件上，缺少一體化墻體在整體工作時(shí)的分析研究.本文主要以外模板現(xiàn)澆混凝土剪力墻自保溫體系為研究對象，其以保溫板作為免拆外模板，內(nèi)側(cè)澆筑混凝土，結(jié)構(gòu)層與保溫層之間采用特制連接件進(jìn)行連接，在滿足使用和安全的基礎(chǔ)上，省時(shí)省工，成本低，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益[8].通過建立實(shí)例工程的有限元模型，對外模板現(xiàn)澆混凝土剪力墻自保溫體系工作時(shí)整體受力以及容易損壞的部位進(jìn)行研究，分析了節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)在使用過程中的受力與變形，并對易損壞部位進(jìn)行細(xì)部分析并提出改進(jìn).

1 多層剪力墻結(jié)構(gòu)整體分析

本文以山東某住宅小區(qū)的住宅樓為研究對象.該建筑為剪力墻結(jié)構(gòu).地上十七層，地下兩層加車庫，建筑面積為122411.25m2，建筑總高度為50.2m，首層層高為2.93m，其余各層為2.9m.結(jié)構(gòu)中地下兩層及一、二層所有構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級為C35，其余各層的混凝土強(qiáng)度等級均為C30，鋼筋材料的強(qiáng)度等級均為HRB400.一體化保溫模板為FS復(fù)合保溫外模板(Ⅰ型XPS板).本研究對實(shí)際工程進(jìn)行簡化，取六層來結(jié)構(gòu)來建模分析.荷載均根據(jù)實(shí)際工程情況以及建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的要求選用(《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB5009-2012)[9]).結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層布置圖見圖1.

圖1 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層布置圖

多層剪力墻結(jié)構(gòu)整體有限元建模分析采用ANSYS有限元軟件，對鋼筋混凝土的分析采用整體式模型，對實(shí)例工程進(jìn)行簡化分析后進(jìn)行建模.采用六面體實(shí)體單元Solid65單元來模擬混凝土，Solid65單元是可以合理模擬三維有鋼筋或無筋的混凝土模型單元.本模型通過輸入實(shí)常數(shù)來定義混凝土的配筋率，將鋼筋單元均勻分布在混凝土單元中.對于結(jié)構(gòu)節(jié)能一體化模板，則選擇Solid185單元來進(jìn)行模擬，混凝土強(qiáng)度等級一、二層取C30，其余層取C35.C30彈性模量為3×104MPa，泊松比0.2，密度2410kg/m3.C35彈性模量為3.15×104MPa，泊松比0.2，密度2420kg/m3.鋼筋強(qiáng)度等級HRB400,彈性模量為2×105MPa，泊松比0.3，密度7800kg/m3.本研究采用我國現(xiàn)行混凝土規(guī)范(《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)[10])給出的彈塑性本構(gòu)關(guān)系模型.建立的整體模型見圖2、圖3.

圖2 模型整體圖 圖3 模板細(xì)部圖

根據(jù)實(shí)際工程做法和設(shè)計(jì)荷載來簡化模型約束和加載，在底層對邊緣構(gòu)造柱和剪力墻進(jìn)行全約束，用來模擬基礎(chǔ).在荷載施加方面，施加一個(gè)反方向的慣性荷載(ACEL)用來模擬構(gòu)件自重，僅采用恒載加活載的標(biāo)準(zhǔn)組合給板面施加荷載.使用自由劃分生成四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸采用長度控制，設(shè)置值為150mm，保證計(jì)算精度的同時(shí)可以最大化程度上提高計(jì)算速度.

圖4 網(wǎng)格劃分細(xì)部圖 圖5 整體綜合位移云圖

由于網(wǎng)格劃分過細(xì)，位于陰陽角處的云圖顏色顯示不明顯，但結(jié)果云圖中標(biāo)注了在第四層外凸陰陽角處出現(xiàn)最大位移，最小位移出現(xiàn)在底層邊側(cè)剪力墻處.同時(shí)，樓體第二層兩側(cè)的長跨梁處也出現(xiàn)了較大位移，也可能是不協(xié)調(diào)變形發(fā)生的關(guān)鍵位置.由此，可得到以下結(jié)論：位移和變形最大處出現(xiàn)在外凸的陰陽角處，且層數(shù)越高變形越大、受力越大.另外二層處的長跨梁也是受力和變形比較大的位置.根據(jù)山東省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《FS外模板現(xiàn)澆混凝土復(fù)合保溫系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(DB37/T 5067-2016)[11]，復(fù)合保溫板拼縫不得超過5mm，施工完成后不應(yīng)有明顯的裂縫.由此可知，當(dāng)一體化模板的變形在3mm以內(nèi)時(shí)，可以認(rèn)為是變形協(xié)調(diào)的，滿足正常的使用.但其相對于其他位置仍是極易變形的部位，當(dāng)在以下兩種情況時(shí)，仍需要進(jìn)一步研究：一是面對結(jié)構(gòu)的變化，節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)中結(jié)構(gòu)墻體厚度越來越大時(shí)；二是當(dāng)節(jié)能結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)應(yīng)用在高層建筑，必須考慮風(fēng)載影響時(shí).

2 剪力墻結(jié)構(gòu)細(xì)部分析

2.1 模型建立

根據(jù)山東省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《FS外模板現(xiàn)澆混凝土復(fù)合保溫系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(DB37/T 5067-2016)里的相關(guān)規(guī)定，選取規(guī)范中不同墻體厚度作為研究變量，通過墻體厚度的不同來合理分析受力及變形.墻體厚度分別取200mm、250mm、300mm，其中200mm厚度為對照組.分析的細(xì)部構(gòu)件為外凸陰陽角和兩側(cè)長跨梁，具體位置見圖6標(biāo)注.

圖6 細(xì)部分析位置圖

對底層長跨連梁處根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)取長5200mm，截面尺寸分別為200×480(CKL200)、250×480(CKL250)、300×480(CKL300)的三個(gè)構(gòu)件作受力分析.對頂層陰陽角結(jié)構(gòu)，取外凸部分，即Z型異形柱所在位置，此處包含了陰角和陽角，可一次模擬.同時(shí)為探究與陰陽角連接的梁的受力及變形情況，將與外凸部位連在一起的短梁一起進(jìn)行有限元建模，構(gòu)件根據(jù)墻厚不同分別表示為YYJ200、YYJ250、YYJ300.在施加荷載方面，為模擬構(gòu)件在整個(gè)建筑物中的受力狀態(tài)，在構(gòu)件兩端施加全約束，一體化保溫板不作約束處理.構(gòu)件配筋根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)行設(shè)置，采用包含風(fēng)載的荷載組合進(jìn)行模擬加載，其中風(fēng)荷載垂直于保溫板表面.

2.2 長跨梁構(gòu)件分析

圖7 長跨梁模型及網(wǎng)格劃分圖

圖8 CKL200結(jié)果云圖

構(gòu)件CKL200的應(yīng)力云圖顯示，構(gòu)件在兩端處所承受的應(yīng)力要比中間位置大，一體化模板所承受的應(yīng)力幾乎很小，這說明在結(jié)構(gòu)長跨梁承受比較大的位置，也就是其與其他構(gòu)件的拼縫處往往會(huì)承受更大的力.從變形上分析，位移最大處出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)節(jié)能一體化長跨連梁的中下部，相對來看，一體化保溫板的變形范圍要大于鋼筋混凝土的受力結(jié)構(gòu)，變形在一體化保溫板內(nèi)進(jìn)行過渡，在交接處未發(fā)生明顯的突變變形.

圖9 CKL250、CKL300結(jié)果云圖

對于兩組增加了構(gòu)件厚度的細(xì)部構(gòu)件，通過應(yīng)力云圖和位移云圖分析可得，當(dāng)墻體厚度增加時(shí)，一體化保溫板的變形逐漸變小，從長跨連梁上部逐漸向下部、兩側(cè)逐漸向中間增加變形，在中部最下方的位置達(dá)到最大.比較三種墻體厚度的模擬構(gòu)件，一體化保溫板與鋼筋混凝土承載構(gòu)件之間的應(yīng)變隨著墻體厚度增加而減小，說明墻體承載能力增強(qiáng)時(shí)，其變形會(huì)減小，其與一體化保溫板之間的接觸變形會(huì)也就會(huì)更加協(xié)調(diào).

2.3 陰陽角構(gòu)件分析

圖10 陰陽角模型及網(wǎng)格劃分圖

圖11 YYJ200結(jié)果云圖

通過YYJ200構(gòu)件的應(yīng)力云圖和位移云圖可得，結(jié)構(gòu)在陰陽角處所受應(yīng)力與梁相比要更大，變形也更大.因此，陰陽角處也最容易出現(xiàn)保溫板與結(jié)構(gòu)之間的不協(xié)調(diào)變形.另外，從位移云圖中可以看到陽角處的一體化保溫板出現(xiàn)擠壓變形，而陰角處出現(xiàn)拉伸變形，這兩處均與鋼筋混凝土受力構(gòu)件的變形有較大沖突.從縱向上看，在結(jié)構(gòu)上部變形較小，在構(gòu)件底端最為明顯，且從內(nèi)到外變形加劇，底部保溫板最外側(cè)是變形最為劇烈的地方.

圖12 YYJ250、YYJ300結(jié)果云圖

當(dāng)加大陰陽角結(jié)構(gòu)墻體的厚度時(shí)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)承載能力的增強(qiáng)和結(jié)構(gòu)的變形減小，一體化保溫板的變形也逐漸減小.通過應(yīng)力云圖和位移云圖分析可得，當(dāng)墻體厚度增加時(shí)，一體化保溫板的整體變形變小.隨著墻體厚度的增加，陽角處的擠壓變形和陰角處的拉伸變形均趨向緩和，但相較于其他部位，仍然是變形最大位置，因此加強(qiáng)陰陽角處的錨固是避免建筑結(jié)構(gòu)節(jié)能一體化后變形不協(xié)調(diào)破壞的關(guān)鍵.

通過對兩個(gè)細(xì)部構(gòu)件的綜合分析，可以合理認(rèn)為在建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)中，當(dāng)外保溫模板與結(jié)構(gòu)墻體有較好的連接時(shí)，保溫板的變形很大程度上依賴結(jié)構(gòu)變形，其自重等因素并不明顯.所以一體化技術(shù)在施工時(shí)，其安裝質(zhì)量決定了最后的使用性能.在正常的安裝情況下，受力結(jié)構(gòu)與一體化模板之間的不協(xié)調(diào)變形并不明顯，可以滿足正常使用以及外觀使用要求.

3 結(jié)論及建議

通過對不同墻厚的長跨連梁構(gòu)件和陰陽角部位的有限元模擬分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)建筑結(jié)構(gòu)與節(jié)能一體化的建筑物在正常使用時(shí)，大部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件與一體化外保溫模板之間的變形是較小且協(xié)調(diào)的，滿足正常的使用需求和美觀要求.

(2)研究的建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化實(shí)例工程在縱向兩側(cè)的長跨連梁處出現(xiàn)最大應(yīng)力.通過對構(gòu)件的細(xì)部建模分析，受力構(gòu)件與一體化保溫模板的變形協(xié)調(diào)，在交接處出未出現(xiàn)突變，因此在使用過程中也不會(huì)出現(xiàn)不協(xié)調(diào)破壞，可以保證正常使用.

(3)樓體正面的外凸部分存在陰陽角，在實(shí)際的受力分析中也承受較大應(yīng)力，以及產(chǎn)生較大位移.通過對陰陽角部位的細(xì)部分析，陽角會(huì)發(fā)生擠壓變形，陰角發(fā)生拉伸變形，均與混凝土受力構(gòu)件的變形有較大沖突，由此可見，在建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化中，陰陽角部位是最容易發(fā)生不協(xié)調(diào)變形的位置.

(4)通過對不同厚度的構(gòu)件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)越厚的墻體其與一體化保溫板之間的變形越小，變形也更為協(xié)調(diào).所以，選擇較厚的墻體及承載力更好的構(gòu)件，可避免建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化后的變形不協(xié)調(diào)破壞.