基于鋁模的新型現澆空心混凝土隔墻性能有限元分析

劉玉靜，鄒明洋，何 晏

(中鐵成都規劃設計院有限責任公司，四川 成都 610031)

0 引言

近年來，我國裝配式建筑施工正在大力推廣，傳統施工中的木模板回收利用率低，無法滿足綠色建筑施工要求。鋁模板自身密度小、重量輕，周轉次數可達300多次，具備經濟高效、結構穩定、節能環保的優點，其在高層建筑中的廣泛應用對我國建筑產業的可持續發展有重大意義[1]。

鋁模施工技術要求將外墻砌體填充墻全部優化為現澆混凝土結構，與主體結構同時現澆，從而降低工程造價，提高施工質量，縮減建設周期。然而此種做法會造成結構自重變大、剛度變大，進而出現結構剪力墻軸壓比超限、基礎承載力不足等問題，影響主體結構安全。傳統的解決辦法是增大基礎、提高基礎整體承載力、加大上部結構配筋和截面，但這會造成整體成本的增加和建設周期的延長。

白翔[2]針對全現澆混凝土在施工過程中出現的墻體開裂和彈性變形能力下降等問題，提出了采用結構拉縫技術達到釋放變形量，進而減小對主體結構影響的目的。然而這種技術只能解決結構剛度不受影響的問題，對結構自重的增加無法解決。基于此，本文提出了一種新型現澆空心混凝土隔墻(以下簡稱空心墻)，利用通用有限元軟件ABAQUS進行參數建模分析[3]，得出4種不同管徑的空心墻在極限狀態下的性能參數，為空心墻的利用及推廣提供了可靠的數據支撐。

1 工程概況

某工程由13棟層數為32～33層的高層住宅樓和商業、配套、設備用房、地下室車庫及附屬設施組成，項目總建筑面積約291 120.11 m2。本項目高層住宅占比較大，采用鋁模加爬架的施工工藝，用以提高施工效率，降低工程成本，提高施工效率，實現建筑外墻一次性現澆成型。

2 隔墻選取

對市場上現有現澆混凝土隔墻材料容重、施工工藝、結構性能、成本等方面進行綜合比較(見表1)，空心墻在鋁模施工中有明顯優勢，故選取為本項目隔墻做法。

3 空心墻有限元模型的建立

3.1 模型概況

為了實現空心墻，可采用的芯模主要有紙管、泡沫塑料條、聚苯乙烯塑料條、PVC管、GRC管等。綜合比較以上材料的優缺點，本工程選用PVC管作為墻體芯模材料，并針對市場上在售PVC管的直徑種類，分別選用89 mm、114 mm、141 mm和168 mm四種直徑，放置于截面尺寸為3 000 mm×2 000 mm×200 mm的混凝土墻體中進行模擬分析。

表1 方案比選一覽表Tab.1 List of alternatives

3.2 材料本構關系

本項目將ABAQUS的塑性損傷模型作為材料的本構模型，模擬單元采取收斂性較好的C3D8R單元(見圖1)，該單元是八節點六面體，具體有限元計算模型(見圖2)。塑性損傷模型基于壓縮塑性和同向拉伸的模式來表示混凝土的非彈性行為，可真實反映構件的剛度退化現象，同時可以用于構件的循環加載、動態加載、非比例加載和單向加載等復雜情況，符合本次有限元模擬的基本要求。

3.3 混凝土材料參數確定

ABAQUS需要填入曲線對應的特征值，可以直接被程序調用。本項目采用的鋼筋材料和混凝土材料性質如表2和表3所示。

表2 鋼筋材料性質Tab.2 Properties of steel bars

表3 混凝土材料性質 Tab.3 Properties of concrete bars

3.4 荷載的施加

在有限元分析中，為更好地研究結構的抗震性能，可通過對構件施加低周反復荷載，建立結構在地震力作用下的恢復力特性，確定結構恢復力的有限元計算模型。本項目所施加的位移加載曲線如圖3所示。

4 模型計算結果與分析

4.1 塑性損傷分析

為了進一步比較4種管徑下的空心墻在極限荷載下的破壞情況，分別提取4種情況下的混凝土受壓積累損傷，即塑性損傷云圖(見圖4～7)，并計入損傷因子d，損傷因子越大，表明構件損傷程度越大。可以看出，4種管徑的墻體破壞形態基本一致，所有破壞并未擴散至整個構件。最大損傷因子分別為0.534 5，0.403 6，0.944 8，0.887 4，管徑89 mm與114 mm的損傷因子相差甚微，管徑141 mm與168 mm的損傷因子較為接近。

圖3 位移加載曲線Fig.3 Displacement loading curve

圖4 管徑89 mm受壓損傷云圖Fig.4 Pipe diameter 89 mm compression damage cloud

圖5 管徑114 mm受壓損傷云圖Fig.5 Pipe diameter 114 mm compression damage cloud

圖6 管徑141 mm受壓損傷云圖Fig.6 Pipe diameter 141 mm compression damage cloud

圖7 管徑168 mm受壓損傷云圖Fig.7 Pipe diameter 168 mm compression damage cloud

4.2 滯回曲線分析

滯回曲線能夠反映構件在周期性反復荷載作用過程中的剛度退化、能量消耗和變形特性[4]，形狀越飽滿說明其越能較好地吸收地震能量，具備更好的抗震性能和耗能能力。4種管徑下的空心墻滯回曲線如圖8～11所示，由圖可知，4種空心墻滯回曲線均為梭形，滯回環飽滿，構件具有非線性恢復力特性。加載初期，變形均能完全恢復；屈服階段時，構件承載力均有一定程度的提高，對于管徑168 mm的墻體提高程度最為明顯；卸載后，各構件混凝土均有較好的恢復，但管徑168 mm的包絡面積最大，表明其耗能能力最好，抗震性能最優，管徑89 mm次之。

4.3 骨架曲線分析

骨架曲線是將滯回曲線中的極值點依次連接得到的包絡曲線，反映了構件變形與受力不同階段的特性，能夠較為準確地反映循環加載達到最大峰值應力的軌跡[5]。4種不同管徑的空心墻骨架曲線對比如圖12所示，由圖可知，加載初期，彈性階段中變形速率大致相同，隨后進入塑性階段，斜率均逐漸減小，進入屈服階段時，破壞沿節點域向四周擴散，墻體發生彎剪破壞，所有模型的承載力均開始趨于平穩，168 mm管徑空心墻承載力峰值最高，抵抗變形能力較強，管徑89 mm次之，141 mm管徑空心墻承載性能最弱。由于4種模型空心率的不同，承載力下降速度發生相應變化。

圖8 管徑89 mm滯回曲線Fig.8 Pipe diameter 89mm hysteretic curve

圖9 管徑114 mm滯回曲線Fig.9 Pipe diameter 114mm hysteretic curve

圖10 管徑141 mm滯回曲線Fig.10 Pipe diameter 141 mm hysteretic curve

圖11 管徑168 mm滯回曲線Fig.11 Pipe diameter 168mm hysteretic curve

圖12 四種管徑空心墻骨架曲線對比Fig.12 Comparison of skeleton curves of four hollow walls with different diameters

4.4 剛度退化分析

剛度是彈性變形難易程度的表征，反映了構件在受力時抵抗彈性變形的能力，同時也是構件塑性變形發展的充分體現[6]。根據滯回曲線的形狀，在荷載為零時所確定的切線剛度，可作為加載或卸載的剛度[7]。在循環反復荷載作用下，構件剛度可用割線剛度K表示，正向加載時，按照公式(1)進行計算；負向加載時，按照公式(2)進行計算：

Ki=Pi/Θi

(1)

ki=pi/θi

(2)

式中：Pi為第i級正向荷載值；Θi為Pi對應的位移值；pi為第i級負向荷載值；θi為pi對應的位移值。由公式可計算出施加荷載的剛度退化值，將這些數值連接起來便得到剛度退化曲線，如圖13所示。

圖13 四種管徑空心墻剛度曲線對比Fig.13 Comparison of stiffness curves of hollow walls with four diameters

4種管徑的空心墻剛度退化曲線均對稱，在整個加載過程構件剛度隨著位移的增大而減小，整個過程中一直在退化，且4種模型的剛度退化趨勢幾乎一致。168 mm管徑空心墻初始剛度最大，管徑141 mm最小。隨著位移的增加，斜率均趨于平穩，剛度退化逐漸減弱。

5 經濟和社會效益分析

本工程所使用的以PVC管作為內模的空心墻，具有材料容重輕、對結構剛度影響小、結構性能穩定、施工工藝簡單、施工速度快等特點，且對材料的要求較低、取材方便、施工成本較低。據統計，此項目總計節省建設周期約30 d，直接節省成本約300萬元。

6 結語

本文基于ABAQUS有限元分析軟件，建立了4種不同管徑的空心墻模型，研究了其受力性能和空心率對構件自身屬性的影響。相同條件下，PVC管直徑為168 mm時空心外墻的自身性能最好，但此時混凝土保護層厚度較小，會影響結構的安全性和承載能力[8]。綜合考慮，采用直徑為89 mm的PVC管作為其最優空心率進行實施。

同時，本文解決了基于鋁模施工的全現澆混凝土施工工藝對主體建筑性能影響的問題，既避免了現澆混凝土隔墻影響結構剛度、降低抗震性能，也避免了混凝土隔墻增加的荷載影響結構配筋及基礎安全。該方法在推廣鋁模加爬架施工工藝的行業背景下，對解決施工工藝與建筑性能的沖突具有較大的借鑒及推廣意義。