本文是一篇土木工程论文,本文针对装配式钢丝网架混凝土结构,先后建立现浇式和装配式、不同轴压比、不同开洞率的有限元模型,对其进行拟静力数值模拟分析。通过对比现浇式钢丝网架混凝土结构和 U 形筋连接装配式钢丝网架混凝土结构的破坏形态、滞回性能、刚度退化、延性和耗能能力等抗震性能指标,分析装配式钢丝网架混凝土结构连接的可靠性和抗震性能。在此基础上,研究了轴压比、开洞率对装配式钢丝网架混凝土结构抗震性能的影响。
第 1 章 绪论
1.1 选题背景及意义
随着我国经济蒸蒸日上和人们对美好生活的向往,环境问题受到前所未有的关注,因此我国对建筑行业从现场施工转工厂化生产的要求逐年提高。另外,我国地处地震频发地区,地震危害范围波及全国 70%以上的城镇。因此,在保护环境的基础上,提高建筑结构的承载能力和抗震性能也至关重要。
钢丝网架墙板最早起源于 1960 年,自 1990 年开始在国外得以推广应用。传统的钢丝网架混凝土墙板一般由纵横相交的钢丝网架、内部轻质保温填充材料和两侧混凝土面层组成,见图 1-1。这种墙体自重轻、有一定的保温效果,但其承重能力不高,整体性和耐久性也相对较差,故主要用于框架结构的填充墙和建筑物外部维护结构。
因中间填充材料的不同,钢丝网架墙板分为多个类别,但各类钢丝网架墙板的施工工艺基本一致。首先是将焊接好的钢丝网片通过斜插丝或横向拉结钢丝连接,形成空间钢丝网架;然后在钢丝网架内部布置填充保温材料,形成夹芯板;最后将夹芯板运送到施工现场进行安装,安装完成后在夹芯板的两侧喷涂混凝土形成完整的钢丝网架墙板。综上所述,不同类别的钢丝网架墙板从施工角度来说大多数为半预制构件,装配率较低。
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1.2 装配式结构的研究现状
1.2.1 国外研究现状
装配式结构最早起源于欧洲,后来扩展到美国、加拿大、日本等国家,各国装配式结构各有特点。德国是最早使用装配式建筑的国家,主要采用叠合板、剪力墙结构体系,并且将建筑结构与节能相融合;英国的钢结构装配式建筑占主导地位,约占总建筑面积的 70% ;美国装配式住宅从 1970 年开始盛行,所用的预制构件较为标准化、专业化;新加坡的多高层塔式或板式混凝土建筑占比较大,以剪力墙结构为主;日本于 1960 年提出装配式住宅,并在 30 年后推出部件化、工厂规模化等可以在住宅内部改变其结构的生产方式,满足了住宅结构体系多样化的需求,适用于中高层建筑。
Lee 等[1]借助有限元分析软件对三层预制空心板剪力墙的受力性能进行了研究。研究表明,可以参考现行混凝土结构设计规范对三层预制空心板剪力墙进行设计,同时还需要考虑剪力墙的端部引起的应力对结构受力性能的影响。
Sritharan 等[2]对不同连接方式的五层预制混凝土结构开展了拟动力试验,通过试验得到的数据分析可得,预制混凝土结构整体抗震性能较好。
Ioani 等[3]提出了采用无梁楼盖新型叠合技术的装配式无梁楼盖框架剪力墙结构,该结构的上下柱之间和墙柱之间分别采用套筒浆锚和后浇混凝土两种连接方式,并对其进行了拟静力试验和振动台试验。结果表明,该结构的竖向承载力是设计强度的 2 倍,最大的延性系数为 5.25。
Arabzadeh 等[4]分析了开洞位置和开洞尺寸对复合钢板剪力墙性能的影响,试验研究结果表明:洞口尺寸越大,剪力墙整体的强度下降越多,在边角处开洞比在中心处开洞更能减少抗侧力。
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第 2 章 有限元模型建立
2.1 ABAQUS 简介
装配式钢丝网架混凝土房屋结构作为一种可实现全装配化施工的新型钢丝网架结构,其抗震性能的好坏将决定了该结构在实际工程中的应用,故研究装配式钢丝网架混凝土结构的抗震性能具有重要意义。研究房屋建筑整体结构的抗震性能一般可通过开展一系列大型试验进行,但开展场地试验需要花费很大的人力、物力和费用,且周期较长,试验所用的模型易受到试验场地和设备的限制。
近年来,大型有限元分析软件以其成本低、易操作、周期短等优点受到国内外研究人员的青睐。运用有限元软件可以分析各种线性和非线性结构问题,通过建立合理的模型和正确的分析,不仅能得到结构或构件通过试验无法得到的受力全过程中的大量精确数据,同时还解决了研究过程中试验周期长、试件数量少、试验参数单一、费用高和模型制作的可操作性低等障碍。此外,在开展试验之前,预先对试验模型进行有限元分析,可为后期试验的开展起指导作用,优化试验加载方案。
有限元软件 ABAQUS 是美国公司 HSK 研发的一款适用于各大高校、公司所使用的有限元分析软件。该软件包含丰富的单元库和求解方法,可以求解简单的静力问题(剪力墙的轴压受力分析、拟静力分析等),还可以解决复杂的动力问题(剪力墙的拟动力分析、地震波分析)。
基于有限元软件 ABAQUS 在结构仿真中的广泛应用,本文借助该软件对装配式钢丝网架混凝土结构开展一系列的拟静力数值模拟分析,综合评价装配式钢丝网架混凝土结构的抗震性能。
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2.2 模型设计
2.2.1 原型结构
本次有限元模拟研究对象为三层装配式钢丝网架混凝土房屋结构,该结构由预制钢丝网架混凝土墙板、预制钢丝网架混凝土楼板、预制基础梁和构造柱组成。
原型结构尺寸为 4.5m×7.2m,层高 3m,每层在南北两个方向的墙上开洞,门的尺寸为 1m×2.1m,窗口尺寸为 2.1m×1.5m。预制钢丝网架混凝土墙板中的钢丝网架均采用低碳冷拔钢丝焊接而成,板的四周预留 Φ6 外伸 U 形筋,间距 125mm。其中,预制墙板和楼板中的钢丝骨架由双向正交 Φ3@250 的单片钢丝桁架组成,并采用Φ3@50的钢丝在相邻桁架之间加密形成三维钢丝网架结构。在承受荷载时,这种特殊的结构能够均匀的将荷载分布到混凝土和钢丝网架上,使混凝土的抗压性能、钢丝的受拉性能得到充分发挥。
2.2.2 相似常数
2.2.2.1 量纲分析法
相似常数是对缩尺模型进行设计和对试验结果进行理论分析的关键问题。目前主要是采用方程分析法或量纲分析法来求解各物理量的相似常数。方程分析法适用于已知所研究问题的物理方程求解各物理量的相似常数,而当所考察的问题中含有诸多的物理量,函数关系式不能明确表述各物理量之间的复杂关系时,往往采用量纲分析法。总的来说,量纲分析法的应用范围更广,对于方程分析法适用和不适用的情况,都可以使用量纲分析法求解。
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第 3 章 现浇和装配式钢丝网架结构的拟静力数值模拟分析.......................... 27
3.1 模型概况 ........................... 27
3.2 加载方案 ............................ 28
第 4 章 装配式钢丝网架混凝土结构的参数化分析.................. 43
4.1 模型概况 .......................... 43
4.2 加载方案 ...................... 45
第 4 章 装配式钢丝网架混凝土结构的参数化分析
4.1 模型概况
本章有限元模拟研究对象为三层装配式钢丝网架混凝土结构,该结构由预制钢丝网架混凝土墙板、预制钢丝网架混凝土楼板、预制基础梁和构造柱组成。其中,钢丝网架混凝土墙板和楼板中的钢丝骨架由双向正交的单片钢丝桁架组成,并采用钢丝在相邻桁架之间加密形成三维钢丝网架结构。预制钢丝网架混凝土墙板中的钢丝网架均采用低碳冷拔钢丝焊接而成,板的四周向外伸出 U 形筋,间距 125mm。各预制构件之间以及预制构件与构造柱之间通过四周外伸钢筋进行连接。模型尺寸为 1.5m×2.4m,层高 1m,每层在南北两个方向的墙上开洞,模型总高 3.3m(含0.3m 高的地梁)。各试件主要参数如表 4-1 所示。
装配式钢丝网架混凝土结构中混凝土 ConcreteDamagedPlasticityModel,钢丝和镀锌铁丝采用弹性-强化模型。采用 C3D8R 实体单元模拟装配式钢丝网架混凝土结构中的混凝土,其中,“C3D”表示三维实体,“8”表示节点数目为 8,“R”表示单元为缩减积分形式。采用 2 节点的三维杆单元 T3D2 来模拟装配式钢丝网架混凝土结构中的钢丝和镀锌铁丝,其中,“T”表示桁架单元,“3D”表示三维,“2” 表示节点数目为 2。对于装配式钢丝网架混凝土结构,为了数值模拟计算方便,易于收敛,对于混凝土部件竖向界面接触采用绑定接触(Tie),即忽略现浇部件与预制部件在竖向界面的接触关系的影响;水平界面采用库伦-摩擦模型接触。不同开洞率的有限元模型图如下图 4-1 所示。
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结论与展望
结论
本文针对装配式钢丝网架混凝土结构,先后建立现浇式和装配式、不同轴压比、不同开洞率的有限元模型,对其进行拟静力数值模拟分析。通过对比现浇式钢丝网架混凝土结构和 U 形筋连接装配式钢丝网架混凝土结构的破坏形态、滞回性能、刚度退化、延性和耗能能力等抗震性能指标,分析装配式钢丝网架混凝土结构连接的可靠性和抗震性能。在此基础上,研究了轴压比、开洞率对装配式钢丝网架混凝土结构抗震性能的影响。得出以下主要结论:
(1)在轴压比 0.2 对应的竖向荷载作用下,现浇钢丝网架混凝土结构和装配式钢丝网架混凝土结构的破坏模式基本相同,破坏主要集中在门窗洞口附近;现浇钢丝网架混凝土结构和装配式钢丝网架混凝土结构的滞回曲线均比较饱满,二者的承载力仅相差 1%,延性系数均大于 3,装配式钢丝网架混凝土结构与现浇钢丝网架混凝土结构均具有较好的承载力和位移延