高鈦渣混凝土空心砌塊填充墻框架結構設計應用研究

付 建，謝冰瑩

(1.攀枝花學院 土木與建筑工程學院，四川 攀枝花 617000；2.四川省工業固態廢棄物土木工程綜合開發利用重點實驗室，四川 攀枝花 617000)

0 前 言

我國攀西地區擁有豐富的釩鈦磁鐵礦儲量，探明儲量超過100億t，隨著釩鈦磁鐵礦資源的不斷利用，通過高爐冶煉形成的高爐渣中含有20%～26%的TiO2，因而稱為高鈦型高爐渣[1]。目前攀西地區高爐渣的堆積數量約為6 000萬t，而且每年新增約700萬t[2-3]。大量堆積的高爐渣，勢必會造成資源利用不充分、環境污染和發生自然災害的危險等，對高爐渣的開發利用，有利于促進企業發展，推動城市轉型，改善生態環境。

目前國內外針對混凝土空心砌塊的研究成果較多，由于高鈦渣材料的地域局限性等因素，針對高鈦渣混凝土空心砌塊的研究，目前國內外學者研究成果相對較少。攀枝花學院孫金坤教授及團隊，西南科技大學李軍副研究員及團隊等，在以高鈦渣為粗細骨料制備而成的高鈦渣混凝土空心砌塊及其性能試驗研究方面，取得了一系列的研究成果，其研究成果表明高鈦渣混凝土空心砌塊，在物理和力學性能等方面均能滿足現行規范對砌塊的要求，根據建筑物墻體的性能需要，高鈦渣可以用于制備適應各類砌體需要的砌塊類型，如高鈦渣混凝土實心砌塊、高鈦渣混凝土多孔砌塊和高鈦渣混凝土空心砌塊[1-5]。

本文以頁巖空心砌塊和高鈦渣混凝土空心砌塊分別作為多層框架結構填充墻，利用SATWE三維組合結構有限元軟件，針對同一工程項目，對比分析兩種不同砌塊類型的填充墻，對多層框架結構抗震性能、整體受力及經濟性的影響。

1 理論研究

1.1 研究目標

通過本項目的研究工作，能夠為本地區抗震設防烈度7度(0.15g)，提供高鈦渣混凝土空心砌塊作為多層框架結構填充墻，在工程技術應用以及經濟性分析等方面的參考，從而推動高鈦渣混凝土空心砌塊在工程建設領域的廣泛應用，為本地區類似項目的結構設計與分析提供參考依據，最終加速實現高鈦渣的非提鈦利用，加速實現高鈦渣的消耗。進一步推動綠色建筑設計在本地區的推廣與發展，努力實現節能減排，助推結構性供給側改革，最終推動本地區“十四五”規劃綠色建筑篇章的實現。

1.2 技術路線

本文采用理論研究與工程實踐項目應用研究相結合的方式開展研究工作，在理論知識和有關學者研究成果的支撐下，以同一個工程實踐項目為依托，有針對性地采用SATWE三維組合結構有限元軟件，對采用頁巖空心磚和高鈦渣混凝土空心砌塊作為填充墻的框架結構，分別進行結構整體受力、抗震性能分析和經濟性分析與評價。本文采用的技術路線如圖1所示。

圖1 本文采用的技術路線

2 模型分析

2.1 工程概況

攀枝花市東區某工程項目，總建筑面積約為4 838 m2，地上6層，總建筑高度為20.700 m，結構形式為框架結構，抗震設防類別為標準設防類(丙類)，建筑場地類別為類，基本風壓0.35 kN/m2。項目所屬地區抗震設防基本參數為地震設防烈度7度，地震加速度0.15 g，抗震設防分組為第三組，水平地震影響系數最大值αmax：多遇地震為0.12、罕遇地震為0.72，建筑場地特征周期Tg為0.35 s。

本項目結構計算嵌固端位于基礎頂，依據《建筑抗震設計規范》(2016年版)(GB 50011—2010)，本工程框架抗震等級為三級[6]。本項目1層框架柱混凝土采用C35，其余采用C30；梁、板混凝土強度等級均采用C30；本項目梁、板、柱鋼筋均采用HRB400級高強鋼筋。

2.2 頁巖空心磚填充墻框架結構模型分析

2.2.1 模型建立

內外填充墻均采用MU5.0頁巖空心磚，填充墻厚度均為200 mm，頁巖空心磚干容重為14 kN/m3，填充墻雙側采用M5.0混合砂漿抹灰，抹灰砂漿干容重為20 kN/m3，經計算填充墻作用在梁上的線荷載按照3.4 kN/m輸入。

本項目樓面恒載按照2.0 kN/m2考慮，樓面活荷載按照房間使用功能的不同，依據《建筑結構荷載規范》(GB 50009 —2012)相關條文規定，據實輸入[7]。本工程采用PKPM 2010 V5.2版進行結構建模，框架計算模型如圖2所示。

圖2 頁巖空心磚填充墻框架計算模型

2.2.2 模型計算結果分析

本項目采用SATWE V5.2版進行計算分析，計算結果表明：本項目結構規則性指標和結構抗震性能指標，均滿足現行規范要求；本項目整體受力合理，梁、板、柱等結構構件配筋計算結果符合要求。本項目主要計算指標如表1所示。

表1 主要計算指標匯總表

2.3 高鈦渣混凝土空心砌塊填充墻框架結構模型分析

2.3.1 模型建立

根據西南科技大學李軍副研究員及團隊研究成果[2]，高鈦礦渣輕骨料空心砌塊尺寸390 mm×150 mm×190 mm,其抗壓強度可以達到5.5～6.4 MPa，對應強度等級為MU5.0，密度等級為1 100 kg/m3，換算成干容重為11 kN/m3。

因此，本項目內外填充墻均采用MU5.0高鈦渣混凝土空心砌塊，填充墻厚度均為190 mm，高鈦渣混凝土空心砌塊干容重為11 kN/m3，填充墻雙側采用M5.0混合砂漿抹灰，抹灰砂漿干容重為20 kN/m3，經計算填充墻作用在梁上的線荷載按照2.69 kN/m輸入。

本項目樓面恒載和活荷載按照同頁巖空心磚填充墻框架結構模型數值輸入；本項目同樣采用PKPM V5.2版進行結構建模，梁上線荷載(恒載)減小約20.88%；本項目上部結構構件尺寸與頁巖空心磚填充墻框架結構模型一致，框架計算模型如圖3所示。

圖3 高鈦渣混凝土空心砌塊填充墻框架計算模型

2.3.2 模型計算結果分析

本項目填充墻采用高鈦渣混凝土空心砌塊后，采用SATWE V5.2版進行計算分析，計算結果表明：結構總質量減少5.98%；結構規則性指標和結構抗震性能指標，均滿足現行規范要求；結構整體受力合理，梁、板、柱等結構構件配筋計算結果符合要求，其中框架柱軸壓比計算值普遍減小；框架柱計算配筋量減少3.97%；框架梁及次梁配筋計算配筋量減少2.97%。本工程項目主要計算指標如表2所示。

表2 主要計算指標匯總表

3 結 論

本項目采用的兩種計算模型，上部結構構件尺寸一致，作用于樓面的恒載和活荷載一致；由于高鈦渣混凝土空心砌塊干容重相對較小，作用于框架梁及次梁上的線荷載(恒載)減小約20.88%。經采用SATWE三維組合結構有限元軟件對兩種模型進行空間整體受力分析計算，并對計算結果進行對比分析，得到結論如下。

1)采用高鈦渣混凝土空心砌塊填充墻多層框架結構，結構規則性指標和抗震性能指標均滿足現行規范要求，且結構總質量減少5.98%。

2)采用高鈦渣混凝土空心砌塊填充墻多層框架結構，框架柱軸壓比計算值普遍減小；框架柱計算配筋量減少3.97%；框架梁及次梁配筋計算配筋量減少2.97%。因此，可以降低工程造價，具備一定的經濟優勢。

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