对不同厚度ALC墙板在装配式钢

郭培蕾 许秋华

【摘 要】为了能够满足装配式绿色农房产业化的要求，以及江西省重建装配式自建房的设计要求，选取了一种江西雄宇筑工科技有限公司生产的板材产品—ALC（蒸压轻质混凝土）墙板，作为此次农村自建房的主要外围墙板。本文采用佳构STRAT通用建筑结构软件建造该工程所需要的三层框架结构农房的三维模型，并对此结构模型进行构件验算和整体分析。通过对三维结构模型变换ALC墙板的厚度（100mm，120mm，150mm）来研究不同板厚对该整体结构的影响。结果表明：ALC墙板的厚度越薄，墻板所能承受的外力越小，整体结构的振型位移越大，混凝土梁的挠度越大，整体结构越不稳定越不牢固。

【关键词】装配式绿色农房;钢-混凝土组合结构体系;不同厚度ALC墙板;有限元模型分析;数值分析

引言

随着建筑行业的不断发展，装配式建筑成为了一种潮流趋势。装配式建筑是指把传统建造方式中的大量现场作业工作转移到工厂进行，在工厂加工制作好建筑用的构件和配件（如楼板、墙板、楼梯、阳台等），运输到建筑施工现场，通过可靠的连接方式在现场装配安装而成的建筑。与传统的建造方式相比装配式建筑具有节约资源能源、减少施工污染的绿色环保的特点，以及提升劳动生产效率和带动住宅产业化发展的优势。装配式钢-混凝土组合结构多层住宅体系是钢部件和混凝土或钢筋混凝土部件组合成为整体而共同工作的一种用于多层住宅的结构体系。

本文所研究的装配式钢-混凝土组合结构多层住宅体系的外围墙使用的是ALC墙板（见图1）。ALC墙板是以粉煤灰（或硅砂）、水泥、石灰等为主原料，内含经过处理的钢筋增强，通过高压蒸汽养护而形成的多气孔混凝土成型板材，是一种性能优越的新型建筑材料。并具有保温隔热、高强轻质、抗震环保、阻燃耐火、吸声隔音、施工便捷、经济节约的优点。随着对绿色环保建筑施工观念的加强，ALC墙板在我国建筑业使用的越来越多，现在很多重点项目都在使用ALC墙板。

1 工程概况

本工程为江西省重建装配式自建房，占地面积118.43平方米，建筑面积301.82平方米。建筑层数地上三层，建筑高度为10.95米。建筑结构形式为框架结构，为了突出地域风貌元素和便于工业化生产，采用江西马头墙的建筑风格。其建筑3D模型如图2所示。整栋房屋使用ALC墙板代替混凝土砌块，使ALC墙板在性能和施工方面的优势得到了充分的体现，不仅可以加快施工速度，而且还可以节约人工、缩短工期。本文章采用佳构STRAT通用有限元分析软件对整栋房屋进行结构建模，并通过改变ALC墙板的厚度，来研究不同厚度的ALC墙板对整体结构的影响。

2 建立非线性有限元模型

2.1 模型设计

该农房别墅使用ALC墙板的板厚为150mm，墙板的混凝土强度等级取C20，柱混凝土强度等级取C30，所使用刚材的强度等级取Q345。房屋的楼板是用预制圈梁现浇筑的混凝土，强度能达到C30。该结构需建三层，一层3.9 m，二层3.3m，三层3.3m。基本截面中梁取矩形截面宽为150mm高为120mm，柱子取方形截面边长为150mm，罗马柱取方形截面边长为300mm，连接墙板与墙板之间的增强龙骨型钢简化后取框形截面外围长为110mm宽为50mm框厚为3mm。荷载取估算值，标准层板的恒荷载取1.5KN/，活荷载取2 KN/，而阳台板的活荷载取2.5 KN/，卫生间板的恒荷载取2 KN/，楼顶考虑保温防水和瓦片恒荷载取0.5 KN/。该装配式自建房的正立面（图3）和侧立面（图4）如下图所示。

2.2 模型建立

首先打开佳构STRAT通用有限元软件进入图形前处理（prep）模块进行建模，保存文件并命名为别墅0.15（其中0.15表示ALC墙板的厚度，以米为单位），保存后缀名为“._Pre”的前处理模型文件。进行楼层的设置，增加楼层数为三层，层高分别为3.9m，3.3m，3.3m。输入梁单元并设置截面为0.15×0.12（单位为米），使用偏移复制命令完成其余梁的布置并用删除命令删除多余的梁单元。输入柱单元并设置普通柱的截面为0.15×0.15，罗马柱的截面为0.3×0.3，增强龙骨型钢简化为柱的框截面为0.11×0.05，其厚为0.003。框选梁单元，在节点处布上普通柱和四根罗马大柱，在梁上根据结合ALC墙板的长度布置简化的框柱。

输入空心板并设置材料参数C30、C20混凝土和Q345钢，输入面单元荷载，然后楼层复制并修改二三层的板和面单元荷载值，接下来进行总体参数设置和构件验算，其中混凝土的验算抗震等级调整为构造不抗震，并生成计算文件。计算模型如图5所示。

2.3 模型计算

进入Strat结构计算模块进行力学计算，再进入Plots通用后处理模块进行板的计算，然后进入Archi建筑结构后处理模块进行梁、柱、墙的计算，最后进入Design施工图的配筋计算。文章主要研究不同ALC墙板的厚度对整体结构的影响，所以主要侧重于Archi建筑结构后处理这一模块。该工程用的是150mm厚的ALC墙板，而普通柱子的厚为150mm，那么改变ALC墙板板厚这一参数就需要将数值向下调动（小于柱厚150mm），于是改变ALC墙板的厚度分别为120mm，100mm。先对该别墅（ALC墙板为150mm厚）模型进行计算。其振型（图6）、组合内力包络图（图7）、混凝土梁挠度（图8）如下所示。

文章将别墅模型的振型图、组合内力包络图、混凝土梁挠度图来作为分析整体结构的指标。由上图6可见150mmALC墙板厚的别墅模型振型图中最大位移达到99.4305mm，而振型位移越大则表明整体结构越不稳定。由图7可知其组合内力包络图中最大的墙面内弯矩绝对值为802.45KN·m，而弯矩越大则说明所能承受的外力比较大，进而表明整体结构比较牢固。由弯矩计算公式：

可知力臂的值为固定的，则最大弯矩的值越大所能承受的外力越大。由图8可知150mmALC墙板厚的别墅模型混凝土梁挠度的最大值为8.47212mm，而混凝土梁挠度越大则表明整体结构越不牢固。

2.4 改变板厚

2.4.1 120mmALC墙板厚的别墅模型计算

打开之前保存的别墅0.15.Pre前处理模型文件，进入墙单元板块在“wall”的命令下输入“ch”输入墙单元厚度为：0.12，然后利用综合区的过滤功能只显示图层中的柱、梁、墙，并用删除命令删除0.15m板厚的墙单元，重新分层布置0.12m厚的墙单元，完成后取消过滤功能并查看整体结构三维模型，之后保存为别墅0.12.Pre前处理模型文件。设置总体参数和构件验算并生成计算文件，前后分别进入Plots通用后处理和Archi建筑结构后处理模块中进行计算。可得120mmALC墙板厚的别墅模型振型（图9）、其组合内力包络图（图10）、其混凝土梁挠度（图11）如下所示：

由上图可知120mmALC墙板厚的别墅模型的振型最大位移为116.485mm，其组合内力包络图中最大的墙面内弯矩绝对值为687.426KN·m，其混凝土梁挠度的最大值为12.8553mm。

2.4.2 100mmALC墙板厚的别墅模型计算

类似地进入墙单元板块在“wall”的命令下输入“ch”输入墙单元厚度为：0.10，之后保存为别墅0.10.Pre前处理模型文件。计算可得100mmALC墙板厚的别墅模型振型（图12）、其组合内力包络图（图13）、其混凝土梁挠度（图14）如下所示：

同样地由上图可知100mmALC墙板厚的别墅模型的振型最大位移为119.969mm，其组合内力包络图中最大的墙面内弯矩绝对值为622.453KN·m，其混凝土梁挠度的最大值为12.9913mm。

2.5 数值比较

对上述地不同厚度（150mm，120mm，100mm）ALC墙板别墅模型不同结构指标计算结果进行比较，将其数值绘制成（表1）如下所示：

根据表1分别绘制出不同厚度的ALC墙板的振型最大位移折线图（图15）、组合内力包络图中墙面内最大弯矩绝对值折线图（图16）和混凝土梁最大挠度折线图（图17）如下所示：

由振型最大位移折线图可知ALC墙板越薄，别墅模型的振型最大位移越大，那么整体结构就越不稳定。

由墙面内最大弯矩绝对值折线图可知ALC墙板越薄，别墅模型的墙面内最大弯矩绝对值越小，则说明墙面内所承受的外力越小，整体结构就越不牢固。

由混凝土梁最大挠度折线图可知ALC墙板越薄，别墅模型的混凝土梁最大挠度越大，那么结构变形就越大，整体结构就越不稳定。

3 结论

通过对不同厚度ALC墙板的别墅模型进行有限元分析和数值分析，得出了ALC墙板的厚度越薄，墙板所能承受的外力越小，整体结构的振型位移越大，混凝土梁的挠度越大，整体结构越不稳定越不牢固。所以在装配式钢-混凝土组合结构多层住宅体系中选择制定合适的ALC墙板的厚度也是很关键的。

参考文献：

[1]张大鹏，郐国雄，许航，等.蒸压砂加气混凝土墙板在装配式钢结构体系中的应用研究[J].钢结构，2016，31（1）：89-93.

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[3]Jingfeng Wang，Beibei Li. Cyclic testing of square CFST frames with ALC panel or block walls[J]. Journal of Constructional Steel Research，2017，130：264-279.

[4]汪天舒，温殿波，魏恺.浅谈ALC墙板在装配式轻钢结构农房技术体系的应用[J].建筑科技，2018（4）：56-58.

作者簡介：

郭培蕾，女，1993年生，南昌大学建筑工程学院在读硕士研究生，研究生方向为装配式钢-混凝土组合结构。许秋华，男，1960年生，教授级高工，研究方向为装配式钢-混凝土组合结构。

（作者单位：南昌大学建筑工程学院）