基于铝模的新型现浇空心混凝土隔墙性能有限元分析

刘玉静，邹明洋，何 晏

(中铁成都规划设计院有限责任公司，四川 成都 610031)

0 引言

近年来，我国装配式建筑施工正在大力推广，传统施工中的木模板回收利用率低，无法满足绿色建筑施工要求。铝模板自身密度小、重量轻，周转次数可达300多次，具备经济高效、结构稳定、节能环保的优点，其在高层建筑中的广泛应用对我国建筑产业的可持续发展有重大意义[1]。

铝模施工技术要求将外墙砌体填充墙全部优化为现浇混凝土结构，与主体结构同时现浇，从而降低工程造价，提高施工质量，缩减建设周期。然而此种做法会造成结构自重变大、刚度变大，进而出现结构剪力墙轴压比超限、基础承载力不足等问题，影响主体结构安全。传统的解决办法是增大基础、提高基础整体承载力、加大上部结构配筋和截面，但这会造成整体成本的增加和建设周期的延长。

白翔[2]针对全现浇混凝土在施工过程中出现的墙体开裂和弹性变形能力下降等问题，提出了采用结构拉缝技术达到释放变形量，进而减小对主体结构影响的目的。然而这种技术只能解决结构刚度不受影响的问题，对结构自重的增加无法解决。基于此，本文提出了一种新型现浇空心混凝土隔墙(以下简称空心墙)，利用通用有限元软件ABAQUS进行参数建模分析[3]，得出4种不同管径的空心墙在极限状态下的性能参数，为空心墙的利用及推广提供了可靠的数据支撑。

1 工程概况

某工程由13栋层数为32～33层的高层住宅楼和商业、配套、设备用房、地下室车库及附属设施组成，项目总建筑面积约291 120.11 m2。本项目高层住宅占比较大，采用铝模加爬架的施工工艺，用以提高施工效率，降低工程成本，提高施工效率，实现建筑外墙一次性现浇成型。

2 隔墙选取

对市场上现有现浇混凝土隔墙材料容重、施工工艺、结构性能、成本等方面进行综合比较(见表1)，空心墙在铝模施工中有明显优势，故选取为本项目隔墙做法。

3 空心墙有限元模型的建立

3.1 模型概况

为了实现空心墙，可采用的芯模主要有纸管、泡沫塑料条、聚苯乙烯塑料条、PVC管、GRC管等。综合比较以上材料的优缺点，本工程选用PVC管作为墙体芯模材料，并针对市场上在售PVC管的直径种类，分别选用89 mm、114 mm、141 mm和168 mm四种直径，放置于截面尺寸为3 000 mm×2 000 mm×200 mm的混凝土墙体中进行模拟分析。

表1 方案比选一览表Tab.1 List of alternatives

3.2 材料本构关系

本项目将ABAQUS的塑性损伤模型作为材料的本构模型，模拟单元采取收敛性较好的C3D8R单元(见图1)，该单元是八节点六面体，具体有限元计算模型(见图2)。塑性损伤模型基于压缩塑性和同向拉伸的模式来表示混凝土的非弹性行为，可真实反映构件的刚度退化现象，同时可以用于构件的循环加载、动态加载、非比例加载和单向加载等复杂情况，符合本次有限元模拟的基本要求。

3.3 混凝土材料参数确定

ABAQUS需要填入曲线对应的特征值，可以直接被程序调用。本项目采用的钢筋材料和混凝土材料性质如表2和表3所示。

表2 钢筋材料性质Tab.2 Properties of steel bars

表3 混凝土材料性质 Tab.3 Properties of concrete bars

3.4 荷载的施加

在有限元分析中，为更好地研究结构的抗震性能，可通过对构件施加低周反复荷载，建立结构在地震力作用下的恢复力特性，确定结构恢复力的有限元计算模型。本项目所施加的位移加载曲线如图3所示。

4 模型计算结果与分析

4.1 塑性损伤分析

为了进一步比较4种管径下的空心墙在极限荷载下的破坏情况，分别提取4种情况下的混凝土受压积累损伤，即塑性损伤云图(见图4～7)，并计入损伤因子d，损伤因子越大，表明构件损伤程度越大。可以看出，4种管径的墙体破坏形态基本一致，所有破坏并未扩散至整个构件。最大损伤因子分别为0.534 5，0.403 6，0.944 8，0.887 4，管径89 mm与114 mm的损伤因子相差甚微，管径141 mm与168 mm的损伤因子较为接近。

图3 位移加载曲线Fig.3 Displacement loading curve

图4 管径89 mm受压损伤云图Fig.4 Pipe diameter 89 mm compression damage cloud

图5 管径114 mm受压损伤云图Fig.5 Pipe diameter 114 mm compression damage cloud

图6 管径141 mm受压损伤云图Fig.6 Pipe diameter 141 mm compression damage cloud

图7 管径168 mm受压损伤云图Fig.7 Pipe diameter 168 mm compression damage cloud

4.2 滞回曲线分析

滞回曲线能够反映构件在周期性反复荷载作用过程中的刚度退化、能量消耗和变形特性[4]，形状越饱满说明其越能较好地吸收地震能量，具备更好的抗震性能和耗能能力。4种管径下的空心墙滞回曲线如图8～11所示，由图可知，4种空心墙滞回曲线均为梭形，滞回环饱满，构件具有非线性恢复力特性。加载初期，变形均能完全恢复；屈服阶段时，构件承载力均有一定程度的提高，对于管径168 mm的墙体提高程度最为明显；卸载后，各构件混凝土均有较好的恢复，但管径168 mm的包络面积最大，表明其耗能能力最好，抗震性能最优，管径89 mm次之。

4.3 骨架曲线分析

骨架曲线是将滞回曲线中的极值点依次连接得到的包络曲线，反映了构件变形与受力不同阶段的特性，能够较为准确地反映循环加载达到最大峰值应力的轨迹[5]。4种不同管径的空心墙骨架曲线对比如图12所示，由图可知，加载初期，弹性阶段中变形速率大致相同，随后进入塑性阶段，斜率均逐渐减小，进入屈服阶段时，破坏沿节点域向四周扩散，墙体发生弯剪破坏，所有模型的承载力均开始趋于平稳，168 mm管径空心墙承载力峰值最高，抵抗变形能力较强，管径89 mm次之，141 mm管径空心墙承载性能最弱。由于4种模型空心率的不同，承载力下降速度发生相应变化。

图8 管径89 mm滞回曲线Fig.8 Pipe diameter 89mm hysteretic curve

图9 管径114 mm滞回曲线Fig.9 Pipe diameter 114mm hysteretic curve

图10 管径141 mm滞回曲线Fig.10 Pipe diameter 141 mm hysteretic curve

图11 管径168 mm滞回曲线Fig.11 Pipe diameter 168mm hysteretic curve

图12 四种管径空心墙骨架曲线对比Fig.12 Comparison of skeleton curves of four hollow walls with different diameters

4.4 刚度退化分析

刚度是弹性变形难易程度的表征，反映了构件在受力时抵抗弹性变形的能力，同时也是构件塑性变形发展的充分体现[6]。根据滞回曲线的形状，在荷载为零时所确定的切线刚度，可作为加载或卸载的刚度[7]。在循环反复荷载作用下，构件刚度可用割线刚度K表示，正向加载时，按照公式(1)进行计算；负向加载时，按照公式(2)进行计算：

Ki=Pi/Θi

(1)

ki=pi/θi

(2)

式中：Pi为第i级正向荷载值；Θi为Pi对应的位移值；pi为第i级负向荷载值；θi为pi对应的位移值。由公式可计算出施加荷载的刚度退化值，将这些数值连接起来便得到刚度退化曲线，如图13所示。

图13 四种管径空心墙刚度曲线对比Fig.13 Comparison of stiffness curves of hollow walls with four diameters

4种管径的空心墙刚度退化曲线均对称，在整个加载过程构件刚度随着位移的增大而减小，整个过程中一直在退化，且4种模型的刚度退化趋势几乎一致。168 mm管径空心墙初始刚度最大，管径141 mm最小。随着位移的增加，斜率均趋于平稳，刚度退化逐渐减弱。

5 经济和社会效益分析

本工程所使用的以PVC管作为内模的空心墙，具有材料容重轻、对结构刚度影响小、结构性能稳定、施工工艺简单、施工速度快等特点，且对材料的要求较低、取材方便、施工成本较低。据统计，此项目总计节省建设周期约30 d，直接节省成本约300万元。

6 结语

本文基于ABAQUS有限元分析软件，建立了4种不同管径的空心墙模型，研究了其受力性能和空心率对构件自身属性的影响。相同条件下，PVC管直径为168 mm时空心外墙的自身性能最好，但此时混凝土保护层厚度较小，会影响结构的安全性和承载能力[8]。综合考虑，采用直径为89 mm的PVC管作为其最优空心率进行实施。

同时，本文解决了基于铝模施工的全现浇混凝土施工工艺对主体建筑性能影响的问题，既避免了现浇混凝土隔墙影响结构刚度、降低抗震性能，也避免了混凝土隔墙增加的荷载影响结构配筋及基础安全。该方法在推广铝模加爬架施工工艺的行业背景下，对解决施工工艺与建筑性能的冲突具有较大的借鉴及推广意义。