鋼框架裝配式混凝土抗側(cè)力墻板結(jié)構(gòu)受力性能

【摘要】在很多工程建設(shè)中都會(huì)選用鋼框架裝配式混凝土抗側(cè)力墻板結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)優(yōu)勢明顯，集中了兩個(gè)結(jié)構(gòu)的很多優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證建筑工程結(jié)構(gòu)的安全性，必須對該結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行分析，在施工應(yīng)用前進(jìn)行試驗(yàn)，主要選擇了三種工況，分析其受力變化情況，從而得到在不同結(jié)構(gòu)中，不同載荷下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，受力是否平衡和安全，下面就對這些方面進(jìn)行分析，希望給有關(guān)人士一些借鑒。

【關(guān)鍵詞】混凝土抗側(cè)力；墻板結(jié)構(gòu)；受力性能

對于鋼框架裝配式混凝土抗側(cè)力墻板結(jié)構(gòu)而言，其優(yōu)勢比較明顯，主要原理是將內(nèi)填式混凝土墻和鋼框架組成到一起，這樣就集中了這兩個(gè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中可以進(jìn)行多道抗震設(shè)防，具有非常好的延展性，在抗側(cè)面剛度非常大，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前已經(jīng)研究出了很多種的內(nèi)填式墻體，例如在我國常用的主要有鋼—混凝土組合剪力墻、鋼板剪力墻、鋼筋混凝土剪力墻等，下面就分析在實(shí)際應(yīng)用中其受力情況。

1、案例

1.1分析試驗(yàn)試件情況

在試驗(yàn)過程中選用的試件材料為型鋼，構(gòu)件為一個(gè)框架柱，其材料規(guī)格為HW300×300×10×15，選用的框架梁規(guī)格為HN350×175×7×11，也是一種型鋼，該試件層高達(dá)到了2.8m，整個(gè)跨度長為4.2m，對于梁和柱的節(jié)點(diǎn)連接，技術(shù)人員選用了栓焊剛性連接的方式。在此基礎(chǔ)上，選用了預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻結(jié)構(gòu)，在這一結(jié)構(gòu)中設(shè)置了2根型鋼，型號(hào)為I10，墻體的設(shè)計(jì)規(guī)格為1200mm×120mm，整個(gè)墻高達(dá)到了2180mm，這一墻體整體的配筋情況如下圖所示。

1.2分析試件中使用型鋼的主要力學(xué)參數(shù)

為了保證施工質(zhì)量，對使用型鋼的主要力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，進(jìn)行澆筑時(shí)預(yù)留100mm的立方體混凝土，同時(shí)對其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，得到其平均抗壓強(qiáng)度是31.3MPa。

1.3對試件采取加載的方式分析

在研究中主要的加載方式有三種，分別是模擬施工安裝階段墻體定位時(shí)受力狀態(tài)，模擬施工安裝階段螺栓終擰時(shí)受力狀態(tài)，模擬使用階段墻體受力狀態(tài)。

注：每種工況施加完畢后，卸荷，再進(jìn)入下一工況；300kN約為一層樓面的恒載和施工活荷載之和，450kN約為9層樓面的使用活荷載；終擰預(yù)緊力參照J(rèn)GJ82—1991《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)程》取值，定位初擰預(yù)緊力約為終擰預(yù)緊力的2%；300kN分3級加載，每級增量100kN，450kN分4級加載，前三級每級增量100kN，最后一級增量為150kN。

2、分析豎向荷載的整體分配情況

相關(guān)技術(shù)人員為了能夠有效研究出試件在使用中的受力情況，因此選擇在三種不同受力情況下進(jìn)行分析，從根本上了解試件的各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)而從中優(yōu)選出最佳的方案。在施工安裝階段和使用階段豎向荷載傳遞規(guī)律，根據(jù)所設(shè)置邊界條件的不同，對試件進(jìn)行加載，在這次分析中主要設(shè)計(jì)了3種豎向加載工況。在墻體頂部中所設(shè)置的高強(qiáng)螺栓，共設(shè)置了兩個(gè)狀態(tài)，分別是終擰和定位初擰，對于墻體的底部還設(shè)置了千斤頂，也有兩種狀態(tài)，分別是放松和頂緊兩種狀態(tài)，做好這些方面的工作之后，就可以對下層墻體和上層墻體之間的約束情況進(jìn)行模擬和分析。第一種情況，對施工安裝階段進(jìn)行模擬，先完成墻體的定位工作，分析其實(shí)際的受力狀態(tài)。在墻體頂部使用高強(qiáng)度的螺栓，將試件進(jìn)行定位，位置設(shè)置好之后就可以進(jìn)行初擰。對于在墻體底部的千斤頂而言，將其設(shè)置在放松狀態(tài)，這樣就表示下層墻體的螺栓主要作用就是進(jìn)行定位與初擰，其對上層墻體產(chǎn)生的約束非常小。第二種情況，對施工安裝階段進(jìn)行模擬分析，先將螺栓進(jìn)行終擰，然后分析其受力狀態(tài)，墻體頂部的高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行終擰，對墻體底部的千斤頂設(shè)置為放松狀態(tài)，這樣就表示下層墻體螺栓尚未終擰。第三種情況，對使用階段進(jìn)行模擬，分析墻體實(shí)際的受力情況，這一層墻體頂部高強(qiáng)螺栓終擰，墻體底部千斤頂設(shè)置為頂緊狀態(tài)。

3、分析不同因素對試件試驗(yàn)效果的影響情況

3.1對有限元的分析

在分析的過程中，技術(shù)人員使用了ABAOUS軟件進(jìn)行有限元的分析，對于系統(tǒng)中的摩擦型高強(qiáng)螺栓、抗側(cè)力墻體、鋼框架等，都使用C3D8 R進(jìn)行模擬分析，對于其中的鋼筋網(wǎng)而言，選用了桁架T3D2進(jìn)行模擬分析。其中在分析抗側(cè)力墻體、鋼框架時(shí)，所使用的單元網(wǎng)格尺寸是0mm，而分析螺栓時(shí)其單元網(wǎng)格尺寸是3mm。對于混凝土構(gòu)件選用了損傷塑性模型進(jìn)行分析，對于鋼材的構(gòu)件選用同性彈塑性材料進(jìn)行模型。分析螺栓預(yù)緊力時(shí)主要采取了兩個(gè)步驟，第一步，內(nèi)表面選擇了螺栓桿的中間截面，基準(zhǔn)軸是螺栓中心線。在第二步中部改變螺栓的長度，對其施加一定的預(yù)緊力，再對螺栓的接觸屬性進(jìn)行定義，硬接觸方式應(yīng)用到了法向上，在框架梁1200mm×175mm范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)中施加力，這樣就可以模擬出這一構(gòu)件在豎向上所承擔(dān)的荷載，并對框架柱腳進(jìn)行有效的約束，約束自由度時(shí)必須從6個(gè)方向，分析在試驗(yàn)情況下，千斤頂作用范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)對上層墻體的產(chǎn)生的作用情況。具體的有限元分析情況可以參考下圖進(jìn)行分析。

3.2分析擰緊力對受力的影響情況

當(dāng)控制預(yù)緊力是0kN時(shí)，整個(gè)框架柱所承擔(dān)的豎向荷載占到99%，抗側(cè)力墻體卻只擔(dān)負(fù)1%，在這種情況下框架梁會(huì)出現(xiàn)很大的變形，預(yù)算其最大變量為5.8mm，但是在底部不會(huì)出現(xiàn)很大的變形。不斷增加預(yù)緊力過程中，框架柱能夠承擔(dān)的力開始降低，抗側(cè)力墻體承擔(dān)的力開始增加，直到不出現(xiàn)移動(dòng)為止，在這種情況下，框架柱會(huì)擔(dān)負(fù)60%的力，抗側(cè)力墻體會(huì)擔(dān)負(fù)40%的力，這是二者的變形量是相同的。通過這些內(nèi)容的試驗(yàn)可知，為了確?？箓?cè)力墻體所承擔(dān)的力變小，在開始定位過程中也要將預(yù)緊力的取值設(shè)置較小為宜。

3.3分析墻體發(fā)生偏移的影響情況

在工程中實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須對門洞、窗口進(jìn)行分析，綜合考慮布置情況，一般偏移比設(shè)置為η，分析其有限元情況，通過試驗(yàn)分析，當(dāng)對設(shè)置的墻體位進(jìn)行改變時(shí)，不會(huì)影響抗側(cè)力墻體承擔(dān)的荷載，而框架柱承擔(dān)的荷載大約占到總荷載的32%，抗側(cè)力墻體承擔(dān)荷載占到總的68%，當(dāng)墻體的位移不斷變大之后，距離

墻體很近的框架柱受力開始發(fā)生變化，由于結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，其所承受的荷載也開始變化，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)其承受的荷載呈下降趨勢，而開始遠(yuǎn)離墻體的框架柱承擔(dān)的荷載就不斷升高，兩端所承擔(dān)的荷載之差分別是0%，17%，26%，28%，由此可見，當(dāng)墻體位置發(fā)生偏移之后，其所受力情況發(fā)生很明顯的改變，而且兩端承受的力不斷變大。

4、鋼框架裝配式混凝土抗側(cè)力墻板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1分析試驗(yàn)的基本情況

將使用的螺栓終擰，然后試件在工況一第二級荷載情況下進(jìn)行加載，然后進(jìn)行滑動(dòng)[1]，達(dá)到第三級荷載之后這個(gè)加載過程就完成了，試件在工況二和三情況下進(jìn)行加載，螺栓擰緊時(shí)沒有發(fā)生上述的滑動(dòng)問題。通過對這三種工況分析，發(fā)現(xiàn)試件結(jié)構(gòu)都沒有發(fā)生太大的變化，而且抗側(cè)力墻體也沒有出現(xiàn)明顯的裂縫，無裂縫產(chǎn)生。通過對應(yīng)變片數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)構(gòu)件都處于彈性工作階段。

4.2對實(shí)踐試驗(yàn)中的變形分析

通過分析得知，當(dāng)試件在同一種工況下，當(dāng)構(gòu)件的豎向荷載開始增加會(huì)，框架梁撓度開始增大，當(dāng)試件在工況一情況下，工作人員對其進(jìn)行加載后，頂部框架梁發(fā)生嚴(yán)重變形，變量在4mm左右，和工況二、工況三對比，變形情況要大很多，根本原因就是定位螺栓擰緊程度只達(dá)到2%，由于載荷超過100kN，其開始發(fā)生滑動(dòng)。在工況二的情況下進(jìn)行加載發(fā)現(xiàn)和工況一、工況三對比，試件底部的變形量要大很多[2]。

4.3分析在豎向試件受力情況

在工況一中，完成試件加載后，發(fā)現(xiàn)抗側(cè)力墻體只承擔(dān)18%豎向荷載。在工況二中，框架柱荷載分擔(dān)率是44%，在工況三中墻體頂部高強(qiáng)螺栓終擰且底部千斤頂頂緊，墻體承擔(dān)大部分豎向荷載，分擔(dān)率是94%[3]。

4.4對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合論述

上述主要分析了鋼框架一預(yù)制混凝土抗側(cè)力墻裝配式結(jié)構(gòu)體系，為了掌握試件在實(shí)際應(yīng)用中的受力情況，分析不同設(shè)計(jì)應(yīng)用的效果，從而選擇一種最佳的設(shè)計(jì)方式。主要分析了試件在三種不同工況下的加載情況，最終得到下面幾方面的結(jié)論。第一點(diǎn)，施工時(shí)先對墻體進(jìn)行定位，在這一體系中框架柱能夠承擔(dān)建筑上部大部分的豎向荷載，抗側(cè)力墻體所承載的豎向荷載非常小，進(jìn)行安裝過程中，

選用從上到下的擰緊方式，這樣框架柱所承擔(dān)的豎向荷載占到總的60%，而抗側(cè)力墻體所承擔(dān)的豎向荷載占到40%。投入使用之后，荷載會(huì)由抗側(cè)力墻體和框架柱共同承擔(dān)荷載，框架柱豎向荷載會(huì)承擔(dān)32%，而抗側(cè)力墻體豎向荷載會(huì)承擔(dān)68%。第二點(diǎn)，對其進(jìn)行安裝過程中，為了降低抗側(cè)力墻體所承擔(dān)的荷載，工作人員在對其進(jìn)行定位初擰時(shí)，所設(shè)置的預(yù)緊力必須要小，同時(shí)使用從下到上的擰緊順序，這樣墻體所承擔(dān)的載荷變小。第三點(diǎn)，在實(shí)際使用過程中，墻寬梁跨之間的比例值開始增大，這樣在豎向上框架柱所能承擔(dān)的荷載變小，抗側(cè)力墻體承擔(dān)的力就會(huì)變大。第四點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用過程中，一般不會(huì)選擇居中的方式設(shè)置抗側(cè)力墻體，直接導(dǎo)致在其兩側(cè)的框架柱承載的荷載不均勻，因此在施工中具體應(yīng)用時(shí)，如果工程對洞口、門窗沒有什么特殊的要求，可以選擇居中方式設(shè)置。

總結(jié)：

通過以上對鋼框架裝配式混凝土抗側(cè)力墻板結(jié)構(gòu)受力性能分析，在施工安裝時(shí)，抗側(cè)力墻體承擔(dān)的豎向荷載很小，擰緊了的取值也很小，在使用過程中，由于墻體整體寬度增加，其在豎向的荷載分擔(dān)開始降低，但是抗側(cè)力墻體在荷載開始增加，在使用的時(shí)候，在中間布置抗側(cè)力墻體，這樣兩側(cè)的框架柱受力分布不均勻，因此在實(shí)踐工程應(yīng)用中，如果工程對窗戶洞口沒有特別的要求，那么就可以在中間布置抗側(cè)力墻體，確保整體的受力安全。