高钛渣混凝土空心砌块填充墙框架结构设计应用研究

2022-03-24谢冰莹

四川建材 2022年3期

付建，谢冰莹

(1.攀枝花学院土木与建筑工程学院，四川攀枝花 617000；2.四川省工业固态废弃物土木工程综合开发利用重点实验室，四川攀枝花 617000)

0 前言

我国攀西地区拥有丰富的钒钛磁铁矿储量，探明储量超过100亿t，随着钒钛磁铁矿资源的不断利用，通过高炉冶炼形成的高炉渣中含有20%～26%的TiO2，因而称为高钛型高炉渣[1]。目前攀西地区高炉渣的堆积数量约为6 000万t，而且每年新增约700万t[2-3]。大量堆积的高炉渣，势必会造成资源利用不充分、环境污染和发生自然灾害的危险等，对高炉渣的开发利用，有利于促进企业发展，推动城市转型，改善生态环境。

目前国内外针对混凝土空心砌块的研究成果较多，由于高钛渣材料的地域局限性等因素，针对高钛渣混凝土空心砌块的研究，目前国内外学者研究成果相对较少。攀枝花学院孙金坤教授及团队，西南科技大学李军副研究员及团队等，在以高钛渣为粗细骨料制备而成的高钛渣混凝土空心砌块及其性能试验研究方面，取得了一系列的研究成果，其研究成果表明高钛渣混凝土空心砌块，在物理和力学性能等方面均能满足现行规范对砌块的要求，根据建筑物墙体的性能需要，高钛渣可以用于制备适应各类砌体需要的砌块类型，如高钛渣混凝土实心砌块、高钛渣混凝土多孔砌块和高钛渣混凝土空心砌块[1-5]。

本文以页岩空心砌块和高钛渣混凝土空心砌块分别作为多层框架结构填充墙，利用SATWE三维组合结构有限元软件，针对同一工程项目，对比分析两种不同砌块类型的填充墙，对多层框架结构抗震性能、整体受力及经济性的影响。

1 理论研究

1.1 研究目标

通过本项目的研究工作，能够为本地区抗震设防烈度7度(0.15g)，提供高钛渣混凝土空心砌块作为多层框架结构填充墙，在工程技术应用以及经济性分析等方面的参考，从而推动高钛渣混凝土空心砌块在工程建设领域的广泛应用，为本地区类似项目的结构设计与分析提供参考依据，最终加速实现高钛渣的非提钛利用，加速实现高钛渣的消耗。进一步推动绿色建筑设计在本地区的推广与发展，努力实现节能减排，助推结构性供给侧改革，最终推动本地区“十四五”规划绿色建筑篇章的实现。

1.2 技术路线

本文采用理论研究与工程实践项目应用研究相结合的方式开展研究工作，在理论知识和有关学者研究成果的支撑下，以同一个工程实践项目为依托，有针对性地采用SATWE三维组合结构有限元软件，对采用页岩空心砖和高钛渣混凝土空心砌块作为填充墙的框架结构，分别进行结构整体受力、抗震性能分析和经济性分析与评价。本文采用的技术路线如图1所示。

图1 本文采用的技术路线

2 模型分析

2.1 工程概况

攀枝花市东区某工程项目，总建筑面积约为4 838 m2，地上6层，总建筑高度为20.700 m，结构形式为框架结构，抗震设防类别为标准设防类(丙类)，建筑场地类别为类，基本风压0.35 kN/m2。项目所属地区抗震设防基本参数为地震设防烈度7度，地震加速度0.15 g，抗震设防分组为第三组，水平地震影响系数最大值αmax：多遇地震为0.12、罕遇地震为0.72，建筑场地特征周期Tg为0.35 s。

本项目结构计算嵌固端位于基础顶，依据《建筑抗震设计规范》(2016年版)(GB 50011—2010)，本工程框架抗震等级为三级[6]。本项目1层框架柱混凝土采用C35，其余采用C30；梁、板混凝土强度等级均采用C30；本项目梁、板、柱钢筋均采用HRB400级高强钢筋。

2.2 页岩空心砖填充墙框架结构模型分析

2.2.1 模型建立

内外填充墙均采用MU5.0页岩空心砖，填充墙厚度均为200 mm，页岩空心砖干容重为14 kN/m3，填充墙双侧采用M5.0混合砂浆抹灰，抹灰砂浆干容重为20 kN/m3，经计算填充墙作用在梁上的线荷载按照3.4 kN/m输入。

本项目楼面恒载按照2.0 kN/m2考虑，楼面活荷载按照房间使用功能的不同，依据《建筑结构荷载规范》(GB 50009 —2012)相关条文规定，据实输入[7]。本工程采用PKPM 2010 V5.2版进行结构建模，框架计算模型如图2所示。

图2 页岩空心砖填充墙框架计算模型

2.2.2 模型计算结果分析

本项目采用SATWE V5.2版进行计算分析，计算结果表明：本项目结构规则性指标和结构抗震性能指标，均满足现行规范要求；本项目整体受力合理，梁、板、柱等结构构件配筋计算结果符合要求。本项目主要计算指标如表1所示。

表1 主要计算指标汇总表

2.3 高钛渣混凝土空心砌块填充墙框架结构模型分析

2.3.1 模型建立

根据西南科技大学李军副研究员及团队研究成果[2]，高钛矿渣轻骨料空心砌块尺寸390 mm×150 mm×190 mm,其抗压强度可以达到5.5～6.4 MPa，对应强度等级为MU5.0，密度等级为1 100 kg/m3，换算成干容重为11 kN/m3。

因此，本项目内外填充墙均采用MU5.0高钛渣混凝土空心砌块，填充墙厚度均为190 mm，高钛渣混凝土空心砌块干容重为11 kN/m3，填充墙双侧采用M5.0混合砂浆抹灰，抹灰砂浆干容重为20 kN/m3，经计算填充墙作用在梁上的线荷载按照2.69 kN/m输入。

本项目楼面恒载和活荷载按照同页岩空心砖填充墙框架结构模型数值输入；本项目同样采用PKPM V5.2版进行结构建模，梁上线荷载(恒载)减小约20.88%；本项目上部结构构件尺寸与页岩空心砖填充墙框架结构模型一致，框架计算模型如图3所示。

图3 高钛渣混凝土空心砌块填充墙框架计算模型

2.3.2 模型计算结果分析

本项目填充墙采用高钛渣混凝土空心砌块后，采用SATWE V5.2版进行计算分析，计算结果表明：结构总质量减少5.98%；结构规则性指标和结构抗震性能指标，均满足现行规范要求；结构整体受力合理，梁、板、柱等结构构件配筋计算结果符合要求，其中框架柱轴压比计算值普遍减小；框架柱计算配筋量减少3.97%；框架梁及次梁配筋计算配筋量减少2.97%。本工程项目主要计算指标如表2所示。