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装配式钢结构住宅开洞夹芯复合墙板承载性能建筑研究

来源: jordan118.com 作者:vicky 发布时间:2020-01-09 论文字数:41584字
论文编号: sb2019121713150728907 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇建筑论文,论文课题来源安徽省地方规程《高层钢结构住宅技术规程》编制和示范工程应用项目,针对钢结构住宅外挂夹芯复合墙板的承载性能开展试验和理论分析研究。

第一章  绪论

1.1 研究背景
1.1.1 装配式建筑发展
装配式建筑的定义为用预制构件在施工现场完成组装的建筑。同时,装配式建筑在实际工程中也通常视为一种组装的模式,即将构件在工厂中先行加工,然后运至建筑工程施工现场进行装配组合成成品的建筑物。目前,在全世界不断发展装配式建筑的大背景下,自 2010 年以来,全世界的装配式建筑市场不断扩张,总体年均增长率达到 17.67%。到 2017 年全世界约有 1950 亿美元的市场规模,其中我国装配式建筑市场规模达 685 亿,约占世界份额的 35.1%。
在装配式建筑行业,我国未来计划了更宏观的发展规划。以中华人民共和国住房和城乡建设部于 2017 年 5 月 4 日颁布的《建筑业发展“十三五”规划》为例。我国基本确立了在未来五年建筑业绿色、节能的发展方向,并以明确指标的方式规定未来五年,我国建筑能效较 2015 年提高百分之二十的指标。按“规划”到 2020 年,我国要实现新建建筑中有百分之五十的比例符合绿色节能标准。使用装配式工艺的建筑占新建建筑面积比例达到 3:17。
未来我国建筑业将会在“十三五规划”的框架内有序发展,为了保障我国节能建筑的发展,我国住建部还具体研究颁布了《“十三五”装配式建筑行动方案》等相关条例,以指导相关建筑行业的发展,并为后续相关技术标准及相关规范奠定基础。后续,将陆续会有更多的国家规范以及标准出台。
除了《规划》中明确要求的各项指标外,住建部还印发了《“十三五”装配式建筑行动方案》、《装配式建筑示范城市管理办法》、《装配式建筑产业基地管理办法》,进一步指导了在“十三五”期间装配式建筑的发展方向。配合2017 年 6 月 1 日住房和城乡建设部批准的《装配式混凝土建筑技术标准》、《装配式钢结构建筑技术标准》、《装配式木结构建筑技术标准》,三项国家标准正式实施,我国在装配式建筑领域发展的决心和未来市场前景逐渐明朗[1]。目前,全国有超过 30 个省、市、区相继颁布了装配式建筑的指导意见,相应的地方、行业标准规范也在不断出台中[2]。建筑业市场向装配式建筑倾斜的趋势,在政策的引导下已经显现。装配式钢结构在政策以及市场的大背景下会实现深入和广阔的发展。
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1.2 研究现状
随着装配式建筑的发展,国内外关于装配式预制墙板理论研究有许多,从墙板的结构形式、开洞参数等对墙板的力学性能进行研究,探讨了各形式下墙板的承载力性能情况,为后续的研究铺垫了理论基础。
1.2.1 国外研究现状
Weidemann[7]在 1960 年首次提出了对方形孔对方形板的弯矩影响的分析,通过使用有限差分法对开有孔洞的方形固定板进行了分析,其中分析板的洞口形式包括:方形孔、矩形孔和带加强边的孔。探究了外荷载情况下,墙板的工作性能,检验绕孔口边缘分布荷载的情况。
Fluhr[8]通过运用近似求解钢筋混凝土板的方法,分析计算开孔钢筋混凝土板,并且求得了与 Weidemann[9]一致的分析结果,即:在普遍情况下,混凝土板中孔的存在会导致在孔周围的局部范围产生弯矩集中的现象,且弯矩存在的区域在距离洞口 0.1L 范围内,而板的其他部分未必有局部应力分布和数值产生明显的变化,此时原板空口位置上的力受开洞影响不必再承担,从而导致除孔口局部区域范围外的其他部分弯矩变小。
来自英国爱丁堡大学的 A.W.Heedrry 等人[10-12],对内外页均承重情况下的空腔墙体在竖向荷载作用下的承载能力,还有荷载和弯矩相对于内页与外页之间的分配情况进行了试验研究。得到试验结果:当内外页墙板均为半砖厚,且没有金属拉结件的空腔墙体,其强度与实心等厚墙体的强度基本相同。通过分析发现,当加墙板加载至破坏荷载时,内外页的荷载分配关系为 3:2,且荷载逐渐增加过程中,两片墙体之间承担的荷载值得差别也逐渐趋于 0。
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第二章  装配式夹芯复合外挂墙板理论概述

2.1 复合墙板抗弯刚度
复合外挂墙板在进行力学计算时,首先要考虑的是其刚度问题。当计算的对象构件,在外荷载作用下受弯过程中,其材料、界面尺寸单一且确定,截面的抗弯刚度即为固定的常数,荷载-挠度曲线呈正比的线性关系。由于结构的特殊性钢筋混凝土结构的变形计算与理想弹性体的计算不一样。钢筋混凝土结构是一种不均质、非弹性材料,且钢筋混凝土结构在破坏过程中形成的塑性铰和裂缝也会导致刚度的变化。所以,实际上在墙板构件进行抗弯试验过程中,其截面的抗弯刚度随着结构的变化也产生变化,而不是一个固定的值。
本文所研究的装配式复合夹芯外挂墙板,由内外页两层钢筋混凝土面板夹层 XPS 的复合结构组成,属于非均质弹塑性材料,其截面抗弯刚度在受荷工作过程中是变化的。而非均质弹塑性材料的墙板构件受弯工作过程具体可分为如下几个阶段:
弹性工作阶段。墙板在初期加荷载过程中,未达到受压或受拉极限强度无裂缝产生整体性能完好,墙板构件的挠度随荷载的增加呈线性上升状态.在此阶段的末期,即极限拉应变阶段,荷载-挠度曲线会有斜率下降的趋势,此时由于即将有裂缝产生弹性模量降低,而截面的惯性矩 I 未有变化,所以会呈轻微的下降趋势。若在此阶段卸载,工作构件的残余应变非常微小。
带裂缝工作阶段。墙板构件在此阶段会开始首次出现裂缝,荷载-挠度曲线会不再以原比列线性上升,但仍保持线性上升趋势。随着裂缝的不断发展,弹性模量降低,截面的惯性矩 I 也开始降低。此时受拉区域钢筋尚未到达屈服状态。
破坏阶段。此时裂缝发展到一定程度,混凝土中的钢筋已经屈服,截面弯矩不再增大,但是挠度仍随荷载的增大不断增大且增长迅速,上层表面混凝土伴随有压碎现象,最终构件发生破坏。
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2.2 开洞复合外挂墙板受力状态指标
1)常用受力状态指标的局限性
结构体系在不同的荷载情况下,呈现不同的受力状态,通常与荷载直接相关。在受力状态下,典型的响应特征即可反映[22]。例如,典型的主要参数有:应力、应变、  变形、挠度等参数。这些参数虽然能在一定程度上反映了构件的受力状态,但是也有它的局限性。这种局限性主要体现在:参数的局部性,通常实际测量的一个参数只能单一的反应测量点的受力反馈,并不能表现整体的状况;参数的矢量性,在实际试验中各测点测量的参数  具有单向的方向,并不能反应整体的变化状态。
鉴于以上的局限性,而结构在局部失效和整体失效状态不同,例如在框架结构体系中局部的构件在受力后产生塑性铰并不一定会导致整个结构体系的失稳。在实际工程中,出现结构局部失效早于结构的整体失效的情况非常常见,且在局部失效的情况下仍能继续承载[22-23]。在这种局部失效仍承载的情况,实际情况中为了保证经济性,通常会采取局部加固的方式,以保证后续的使用。除局部失效再整体失效的破坏形式外,还有一种情况是结构局部在失效前无明显的变化。但是当荷载非常接近结构的失稳荷载时的无预警状态,极易导致失效判断的失误,导致安全的隐患。
通过以上对结构失效的分析,我们可以得出,在实际试验中所测得的用于描述受力状态的数据,需具备以下的特点:
(1)采用的数据除了可以反映所测点的局部变化情况,还需能反映结构整体的受力状态和工作状态。当结构承载时,结构局部的响应模式可能发生变化,但反映整体的反馈模式必须保持稳定。
(2)结构失效时,数据所反映的信息必须及时且特征鲜明。结构失效后,整体的数据必须能及时,且有差异明显的变化趋势,才能将两种状态能够分辨出来,继而根据数据预测失效状态的对应荷载。
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第三章  开洞夹芯复合点式外挂墙板承载力试验 ....................................... 15
3.1 引言 ....................................... 15
3.2 试验构件 ................................ 15
第四章  复合夹芯墙板有限元模型建立 .................................... 40
4.1 有限元分析基本理论 .................................... 40
4.1.1 有限元法基本求解步骤 ............................. 40
4.1.2 混凝土模型的选择 ..................................... 41
第五章  复合夹芯墙板试验与有限元结果分析 ........................................ 50
5.1 有限元模拟结果 ................................. 50
5.2 承载力分析 .................................. 52

第五章    复合夹芯墙板试验与有限元结果分析

5.1 有限元模拟结果
有限元模型建立并计算后,能得到模型在设定的边界条件情况下模拟结果,并以云图的形式直观的展示应力、应变、变形等情况。本文建立的有限元模型,模拟结果如下所示。

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第六章 结论与展望

6.1 结论
本文首先设计了二块带洞复合夹芯混凝土墙板,一块不带洞复合夹芯混凝土墙板承载力试验,接着利用 ANSYS 有限元软件对试验构件进行有限元的模拟及数值分析,在有限元软件计算结果基础上,与数值模拟结果进行观察论证分析,验证可靠性。再通过理论计算,对墙板的承载力性能进行分析。得出了以下结论:
(1)本次试验构件所开的矩形孔洞对复合墙板的内力和变形会产生影响,开洞墙板的弯矩和挠度相对于未开洞墙板的值是较大的,且试验过程中表现的承载力与未开洞墙板相比较小,说明洞口对墙板的工作性能有所减弱。
(2)开洞混凝土夹芯外挂墙板,在抗弯承载力试验中所表现出的破坏状态与破坏过程,基本上与实心墙板相似,均为由跨中最大挠度出首先开裂,接着由 1/4 处开始出现裂缝并不断扩散,最终破坏时都有挠度过大,墙板表面有压碎现象。
(3)由结构受力状态分析理论可知,墙板结构的特征参数可以由试验过程中的试验数据提取得到,本文在收集了应力、挠度等数据,整理出了能量密度和值变化规律来反映墙板在荷载状态下的工作状态,通过能量变化趋势分析受力状态,避免了位移、应变等局部特征响应的局限性。(4)通过对复合夹芯墙板特征值变化曲线的分析,发现了结构在荷载作用下,首先会维持一段平稳上升的趋势,此时构件处于正常工作状态,但是当荷载加载到一定程度时,会产生突变,并且突变之后曲线的斜率会快速增大,此时构件经历了从正常工作到失效状态的过程,且曲线的突变点即为墙板的破坏荷载。
(5)有限元数值模拟的结果会大于实际试验结果,这是由于在进行数值模拟时,对材料赋予了理想的本构关系,且计算过程中各节点处于理想的连接状态下不产生滑移。而实际试验墙板在生产、制作、养护、运输过程中都可能造成对构件本身的缺陷,所以有限元模拟较试验值偏大。
参考文献(略)

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