保溫墻模復合剪力墻結構體系施工安全性分析

閆 生 李建宇

0 引言

輕骨料免拆保溫墻模復合剪力墻結構體系作為一種新型結構體系,在每層墻模砌筑完成后,墻模所形成的空腔即作為澆筑混凝土時的模板,墻模與其中綁扎的鋼筋和澆筑的混凝土形成整體,即復合剪力墻結構體系。在本體系墻模砌筑過程中,技術性強、多工種相互配合協調,墻模砌筑完成后作為復合剪力墻體系的模板,澆筑混凝土后不再拆除,且施工過程中不加任何側向支撐,在施工過程中可能會出現由于墻模開裂而引起澆筑混凝土時墻體局部倒塌,從而導致現場人員傷亡,造成損失。因此,本章建立ANSYS分析模型,模擬單片墻體施工中受到施工機具或人員碰撞墻體等水平外力作用時以及在澆筑混凝土過程中,墻模開裂造成墻體局部破壞或墻體倒塌,分析其施工的安全性,經分析研究為今后該體系的施工提供必要的實踐經驗、規律和措施[1]。

1 結構參數與分析模型

1.1 結構概況

該模型為一個3層的試驗樓,各層層高均為3.3 m,結構外墻厚240 mm,內墻厚200 mm,其材料的抗壓強度及彈性模量均采用試驗中得出的理論計算值,墻模內澆筑的混凝土強度等級為C30,樓板厚度均為100 mm,混凝土強度等級為C25,連梁尺寸均為250 mm×500 mm,混凝土強度等級為C25。

輕骨料免拆保溫墻模復合剪力墻結構體系的內墻墻模的強度略高于外墻墻模,因而只分析外墻墻模的施工安全性,只要外墻安全性能夠得到保證,內墻的施工安全性也必然能夠得到保證。

1.2 結構構件模型的建立[2]

有限元模型的建立方法通常分為直接建模法和間接建模法。直接建模法為直接按照系統結構的幾何外形尺寸建立節點和單元,因此,直接建模法通常適用于簡單幾何外形的系統結構,并且用于系統結構的節點和單元數目比較少的場合。反之,間接法適用于節點及單元數目較多的復雜幾何外形機械結構系統。該方法通過點、線、面、體積,先建立有限元模型,再進行實體網格劃分,完成有限元模型的建立。

體系中要分析的實體模型幾何外形簡單,并且系統結構的節點和單元數目較少,故采用直接建模法。首先建立關鍵點,由點連成線,然后由線組合成面,最后由面組合建立體。建立寬4.5 m、高3.0 m、厚0.24 m的模型作為分析的實體模型,然后定義單元屬性,定義網格劃分控制,生成有限元網格(見圖1)。

1.3 網格劃分

可采用Smartsize自動劃分網格工具,自由網格劃分對單元沒有特殊限制,也沒有指定的分布模式,映射體只包含六面體單元。Smartsize算法首先對待劃分網格的面或體的所有線估算單元邊長,然后對幾何體中的彎曲近似區域的線進行細化。由于所有的線和面在生成網格劃分開始時已經指定大小,生成網格的質量與待劃分的網格的面或體順序無關。Smartsize有自己的內部計算機制,使用Smartsize在很多情況下更有利于在網格生成過程中生成形狀合理的單元,Smartsize值越小,網格劃分效果越好。

采用ANSYS所提供的強大網格劃分工具來自動分網,這時只需輸入網格的尺寸、形式即可,為了耦合的方便,在本文中鋼筋混凝土的單元為棱長是50 mm的正方體,碳纖維布的單元為邊長是50 mm的正方形。

1.4 對墻體施加荷載分析[3]

因全部墻模為平行砌起,考慮橫向墻模的約束作用,進行施工安全性分析。在墻體單元的左側、右側及下側施加DOF約束,確定邊界條件。同時考慮墻模施工過程中,上表面堆積待砌筑的墻模即其他外來荷載,在其上表面施加0.2 N/m2的均布荷載。

加載分兩個荷載步進行,第一步在墻面上施加風荷載,可認為是面荷載,第二步在圖中所示位置逐級施加集中力,為點荷載。

由荷載規范查得河北地區年最大風荷載為0.48 kN/m2,同時考慮外力作用點的不利位置,在如圖1所示的位置處施加水平外力,形成最不利荷載組合,進行模擬計算,分析其產生的應力及位移情況。

在進行加載計算時,荷載從小到大逐級增加,荷載從500 N增加到3 000 N,當集中荷載逐級增加時,墻模產生的應力、應變及最大位移情況如圖2～圖7所示。

通過模擬試算可以得出,在模受到外界500 N的外力作用時,墻模發生的最大位移是8.352 mm,在墻模受到外界3 000 N的外力作用時,墻模發生的最大位移是22.098 mm,在這個過程中,隨著墻體位移的逐漸增加,墻模逐漸被拉裂,因而在施工過程中應參照模擬分析的結果,避免對已砌好的墻模作用過大的水平外力,如施工機具及人員對墻體的碰撞,以免引起墻模開裂,造成墻體局部破壞及施工事故。各級荷載產生的應力及位移情況如表1所示。

表1 各級荷載情況下墻體應力及位移數值

2 結語

通過建立模型,施加外力分析其產生的應變及位移情況,為輕骨料免拆保溫墻模復合剪力墻結構體系在施工時的安全性提供了相應的參考依據,施工過程中應注意對墻模的保護,避免在外力作用下發生開裂,引起墻體局部破壞及施工事故。

[1]李 珠,裴成霞,朱維高.新型復合剪力墻體系的特性及發展前景[J].山西建筑,2006,32(3):6-7.

[2]李 珠,衛 麗,郝玉柱.EPS輕骨料混凝土剪力墻體系墻體保溫技術分析[J].山西建筑,2006,32(3):3-4.

[3]李 珠,蘆建軍,張澤平,等.超輕骨料免拆墻模復合剪力墻體系保溫性能研究[J].太原理工大學學報,2006(37):256-258.