配筋加气混凝土墙竖向极限承载力分析.pdf

全 国中文核 心期刊 新 建巍 柑 配筋加气混凝土墙竖向极限承载力分析 尹新生， 巴盼锋， 蔡婧娓， 谢新颖 ( 吉林建筑工程学院， 吉林 长春1 3 0 1 1 8 ) 摘要 ： 通过改变加气混凝土墙的高度、 厚度和构造柱的跨度， 进行有限元分析， 得到构造柱合理的布置间距， 提出修正的极限承 载力验算公式。并结合分析结果， 加设配筋条带进 行改进 ， 得 出的极 限承载力与加密构造柱的结果进行 比较， 提出合理的构造柱布 置间距及加设水平配筋条带的措施。 关键词： 加气混凝土墙； 极限承载力； 有限元； 构造柱间距： 配筋条带 中图分类号： T U 5 2 2 3 + 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 0 ) 1 0 0 0 3 4 0 4 An a l y s i s o n t h e v e r t i c a l u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y o f r e i n f o r c e d a e r a t e d c o n c r e t e wa l l Y I N X i n s h e n g ， B A P a n f e n g ， C A I J i n g w e i ， X I E Xi n y i n g ( J i l i n I n s t i t u t e o f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l En g i n e e ri n g， Ch a n g c h u n 1 3 01 1 8 ， J i l i n， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： F i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s w a s m a d e b y c h a n gin g t h e h e i g h t ， t h i c k n e s s a n d s t r u c t u r a l c o l u mn s s p a n o f t h e a e r a t e d c o n c r e t e w a l l s ， r e a s o n a b l e s p a c i n g o f s t ru c t u r a l p i l l a r wa s o b t a i n e d a n d t h e mo d i fie d b e a rin g c a p a c i t y c a l c u l a t io n e q u a t i o n Was p r o p o s e dBa s e d o n t h e a n a l y s i s r e s u l t s ， a d d a d d i t i o n a l r e i n f o r c e me n t s t rip By c o mp a r i n g t h e o b t a i n e d u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y wi t h t h e d e n s i fie d s t ruc t u r a l c o l u mn s ， a r e aso n a b l e s t ruc t u r a l c o l u mn s s p a c i n g a n d me as u r e t o a d d h o riz o n t a l r e i n f o r c e me n t s t r i p wa s prop o s e d Ke y wor d s ： a e r a t e d c o n c r e t e wall ； u l t i ma t e b e a rin g c a p a c i t y； d e fin i t e e l e me n t ： s t ruc t u r a l c o l u mn s s p a c i n g ： r e i nfo r c e me n t s t rip 蒸压加气混凝土承重砌块质轻， 保温和防火等性能较好， 在建筑工程中得到了广泛应用。由于加气混凝土砌块的轴心 抗压强度比较低， 只能应用于多层建筑的承重体系中。 而且加 气混凝土墙的竖向极限承载力的验算一直套用砌体规范。本 文通过对不同构造柱间距、 高度、 厚度的加气混凝土墙， 进行 竖向极限承载力的有限元验算，找出极限承载力随墙体厚度 和构造柱间距变化的规律，提出加气混凝土墙合理的构造柱 布置方式， 并提出一种简化的竖向极限承载力验算方法。 l 墙体的有限元分析 为了探讨加设构造柱的加气混凝土墙体竖向极限承载力 的影响因素， 本文分别从构造柱的柱间间距、 墙体高度、 层高 以及墙体厚度等几个方面进行有限元分析，探讨极限承载力 的变化规律。 1 1 基本假定 收稿 日期： 2 0 1 0 0 5 2 0 作者简介： 尹新生 ， 男， 1 9 5 6年生 ， 吉林长春人， 教授 。地址： 吉林省长 春市新城 大街 5 0 8 8号 吉林建筑工程 学院寒地绿色建筑研究 中心 ， 电话： 1 5 0 4 4 1 2 3 6 6 3 。 3 4 新型建筑材料 2 0 1 0 1 0 ( 1 ) 构造柱和墙体之间无相对滑移， 圈梁始终与墙体保持 接触。 ( 2 ) 材料具有非线性特征， 构件发生大位移变形。 ( 3 ) 钢筋采用分离式和整体式相结合的方式， 且钢筋混凝 土和加气混凝土砌体均采用S 0 uD 6 5 单元。 ( 4 ) 其中加气混凝土砌体采用D r u c k e r - P r a g e r 破坏准则。 ( 5 ) 混凝土为各向同性材料， 不考虑混凝土的压碎。 ( 6 ) 加气混凝土采用等向强化准则， 钢筋采用随动强化准 则。 1 2 材料性能及规格 构造柱采用C 2 0的混凝土， 弹性模量 2 5 5 G P a ， 泊松比 0 2 ， 轴心抗拉强度 1 5 4 M P a ， 裂缝张开传递系数为0 1 2 5 ， 闭合裂缝传递系数为0 9 。钢筋： 弹性模量2 0 0 G P a ， 泊松比 0 2 5 ， 屈服应力( 2 ) 2 0 0 M P a 。加气混凝土砌块强度等级采用 A 5 0 ， 尺寸为6 0 0 m m x 3 0 0 m m x 2 4 0 m m ， 砌筑好的加气混凝土 墙的计算参数l lj见表 1 。 表 1 加气混凝土的计算参数 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 尹新生 ， 等： 配筋加气混凝土墙竖向极限承载力分析 钢筋的本构关系及墙体的有限元模型如图1 所示。 图 l 钢筋的本构关系及墙体 的有 限元模型 1 - 3 构造柱 间距对墙体极限承载力的影响 为了得到墙体的极限承载力随构造柱间距的影响效果， 做出的有限元模型尺寸见表2 。 表 2 不 同构造柱 间距的有限元模型尺寸 m 通过以上模型尺寸， 建立有限元模型进行分析， 得到加气 混凝土墙的极限承载力随构造柱问距的变化如图2 所示。 Z 褥 瞄 蟹 崮 g 捡 掉 图 2 极 限承载 力随构造柱间距的变化 由图2 可见， 加气混凝土墙随着墙体宽度的增加， 极限承 载力开始有所下降， 后又逐渐增大。 这主要是因为在墙体宽度 较小时，构造柱和圈梁形成的弱框体系能够明显影响墙体的 极限承载力； 随着墙体宽度的增加， 这种影响效果逐渐降低。 而每延米的极限承载力一直随着墙体宽度的增加而减小， 构 造柱的影响范围在 3 m以内比较明显。 1 4 层高对每延米极 限承载力的影响 墙体的每延米极限承载力随层高的变化情况见图3 。 Z 辐 憷 肇 桨 坩 图 3 墙体的每延米极限承载力随层高的变化 由图3 可知， 随着层高的增加， 墙体的每延米极限承载力 逐渐减小。层高的范围为2 7 3 6 m ， 已经把目前多层砌块建 筑中的层高范围包含进去嘲 。层高变化较小时， 每延米极限承 载力的变化不大， 每降低 1 个模数， 承载力降低8 左右。层 高从2 7 m增至3 6 m ， 总的每延米极限承载力降低约3 0 。 1 5 墙体高度对极限承载力的影响 为了得到极限承载力随墙体高度变化的影响效果，分别 对单片 l 一 7 层高的墙体进行分析， 约束墙体沿厚度方向的变 形，模拟楼板的传力方式进行翼沿加荷。详细模型尺寸见表 3 。 表 3 不同高度墙体的有限元模型尺寸 m 通过以上模型尺寸， 建立有限元模型并进行分析， 得到加 气混凝土墙的极限承载力随墙高的变化如图4 所示。 图4 极限承载力随墙高的变化 由图4可见， 墙体高度越小， 墙体的竖向受力不均匀， 每 延米的极限承载力相对较低， 不能充分发挥砌体的强度。 随着 高度的增加， 这种影响逐渐减小。 极限承载力的增加也接近于 线性增长， 趋于收敛， 直至达到砌体和构造柱混凝土的轴心抗 N E W BUI L DI NG MAT E RI AL S 3 5 咖伽i 湖 伽 至 柩幡鹾 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 尹新生， 等： 配筋加气混凝土墙竖向极限承载力分析 压强度值， 这说明随着墙体高度的增加， 底部墙体的受力更趋 于均匀， 受力更加合理。 1 6 墙体的极限承载力随墙厚的变化 结合以 上的启发， 通过对单片6 层墙进行有限元分析， 分 析墙体在底部受力相对均匀的情况下，极限承载力随墙厚的 变化情况， 墙体的具体尺寸见表4 。 表 4 单片墙体的有限元计算模型尺寸 m 项目 宽 厚 高 项目 宽 厚 高 W 一1 4 2 5 0 1 5 l 6 5 W 一2 2 3 5 0 1 5 1 6 5 W 一1 5 2 5 O 2 O l 6 5 W 一 2 3 3 5 O 2 0 l 6 5 W -1 6 2 5 0 2 5 1 6 5 W 一2 4 3 5 O 2 5 1 6 5 W 一1 7 2 5 0 I 3 0 1 6 5 W 一2 5 3 5 0 - 3 O l 6 5 W 一1 8 3 0 O 1 5 1 6 5 W 一2 6 4 0 0 1 5 1 6 5 W 一1 9 3 0 0 2 O l 6 5 W 一 2 7 4 0 0 2 0 1 6 5 W 一 2 0 3 O 0 - 2 5 l 6 5 W -2 8 4 0 0 I 2 5 l 6 ， 5 W 一 21 3 O O - 3 0 l 6 5 W 一2 9 4 0 0 - 3 O l 6 5 根据表4 模型数据， 建立有限元分析模型， 得到墙体的极 限承载力如图5 所示。 从图5 可知， 构造柱的间距在3 0 m以内时对墙体的影 响比较明显， 1 5 0 m m厚的墙体构造柱问距不适于超过3 5 m 。 i Q g 兰 鱼 Q I 3 6 0 0 Z 舔 幅 醛 晕 桨 】 聍 3 O 3 5 构造柱间距 墙厚1 5 0lll m T 墙厚2 0 0in m m l nr n 图 5 单片 6层墙体随墙厚 的极 限承载力变化 2 5 0 m m厚的墙体极限承载力相对提高最为明显。 加大墙体的 厚度能够明显提高墙体的极限承载力， 墙体厚度越小， 进入极 限承载力下降阶段的构造柱间距越小。 所以， 对于多层加气混 凝土墙， 墙体厚度增大， 构造柱间距可以适当增大。 2 改造后墙体的有限元分析 为了改善低层墙体的底部受力不均匀的问题，分别对单 片低层墙体加设水平配筋条带进行改造，模型的详细尺寸见 图6 ， 并和加密构造柱的结果进行比较分析( 见表5 ) 。 G W 一 1 G W 一 2 G W 3 G W 一 4 图 6 改造后墙体模型尺寸 表 5 改造后加气混凝土墙的极限承载力 从表5 可知， 对于单层墙体， 加设水平配筋能够明显提高 其极限承载力， 能提高极限承载力8 左右， 加上施工方便， 相对加密构造柱更加经济合理。配筋条带能够明显增强砌体 的抗剪强度， 主要原因有以下几个方面翻 ： ( 1 ) 增强了构造柱中 部的约束， 从而也加强了构造柱对砌体的约束； ( 2 ) 水平混凝 3 6 新型建筑材料 2 0 1 0 1 O 土配筋带将墙体分割为上下两部分，使每一部分墙体的高宽 比减小， 增强了墙体的抗剪能力； ( 3 ) 直接参与抗剪。 3 改造后的竖向极限承载力的验算方法 规范公式 ： ( 1 ) 式中： 一 轴向力设计值， N ； l 卜高厚比JB 和轴向力的偏心距e 对受压构件承载 力的影响系数； 厂 砌体的抗压强度设计值， M P a ； A 截面面积， 1 11 1 11 2 。 简化后的公式： 咖伽渤啪 伽姗o 0 0 0 一 l0 0 0 _【 Q Q _ 0 【 0 朔一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 尹新生， 等： 配筋加气混凝土墙竖向极限承载力分析 - f A ( 2 ) 式中： 一构造柱的轴心受压面积， m m z ； 一 构造柱混凝土的轴心抗压强度标准值， M P a ； r构造柱受力随墙体高厚比及跨度的影响系数， O t l 。 根据上述极限承载力的验算公式，我们可以直观的把墙 体的竖向极限承载力分为两部分加以 验算，这样可以通过调 整影响系数， 从而减小由于应力重分布而导致的计算误差， 更 加接近真实值。 4 结语 通过对单片加气混凝土墙的竖向极限承载力的分析， 确 定了加气混凝土墙随墙体高度、 构造柱间距、 墙体厚度的影响 变化情况。并结合上述理论分析结果， 得到以下结论： ( 1 ) 加气混凝土墙体构造柱的布设间距不宜超过3 m， 墙 体高度越大构造柱间距可以适当加大， 但不宜超过6 m 。 ( 2 ) 实际工程中应注意在墙体中问加设水平方向的拉筋， 增强其整体性， 以提高极限承载力。 ( 3 ) 增大墙体厚度， 有助于提高极限承载力， 2 5 0 m m厚的 墙体相对最为经济、 合理。 有待解决的问题有： ( 1 ) 对于简化的极限承载力的验算方法中的调整系数， 有 待进一步的研究。 ( 2 ) 墙体底部的受力大小， 不仅和层数、 层高有关， 而且还 受墙体的跨数影响，墙体跨数对墙体极限承载力的影响有待 于进一步的分析研究。 参考文献 ： 1 清华大 学 加气混凝土构件 的计 算及试验基础【 R 】 清华大 学抗 震 抗暴工程研 究室科学研 究报 告集 ( 第 2集) ， 1 9 8 0 【 2 】 李启鑫 ， 翟希梅 ， 唐岱新 带构造柱 混凝土砌 块墙体 受压承载 力 有 限元分析f J 1 建筑结构， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 4 7 4 9 【 3 于敬海 新型加气 混凝土 承重砌 体抗震性 能的研 究 D 天津 ： 天 津大学建筑工程学 院， 2 0 0 8 ： 1 1 5 【 4 】 GB 5 0 0 0 3 -2 0 0 1 ， 砌体结构设计规范【 S 】 A ( 上接 第 1 8页) 图 7出挑结构外保温施工案例 4 结论 通过对未保温出挑结构( 雨篷) 结构的温度场和温度应力 的数值模拟分析可以得出： ( 1 ) 没有做保温层的出挑结构会对整个墙体带来明显的 热桥效应， 降低了体系的保温效果， 同时由于冬季该处温度低 于露点温度， 水蒸气往往会凝结在其表面上， 形成结露。 ( 2 ) 不保温出挑结构的热胀冷缩现象导致保温层与悬挑 结构连接处的应力突变。夏天热胀时保温层连接处沿墙面竖 直方向 产生较大的压应力，而冬天冷缩时又在沿墙面竖直方 向 上产生较大的拉应力，这些应力可能会引起保温层在这些 部位容易产生空鼓和裂缝现象； 而且不论热胀还是冷缩， 都在 垂直墙面方向上产生较大的拉应力，这些应力又可能会引起 保温层在这些部位容易产生脱落现象。 ( 3 ) 不保温出挑结构的热胀冷缩现象还会导致悬挑结构 与墙体连接处的应力集中。 对结构墙体导致损伤， 影响结构的 使用寿命。 对出挑结构采取保温措施将有助于出挑结构的温度和变 形的稳定，有助于避免出挑结构导致的外保温体系和基层墙 体裂缝这一质量通病的发生。 参考文献 ： 川 1 黄振利， 刘刚 外墙保温体系面层裂缝产生原因及其控 制技术 G 】 外墙外保温应用技术 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 5 2 】 张君 保温 层的构造位 置对 外墙温度场 及温度 应力 的影响研究 R 北京振利高新技术有限公司和清华大学研究报告， 2 0 0 8 3 博 嘉科技 有限元分析 软件一 A N S Y S融会 和贯通【 M 北京 ： 中 国水 利水电出版社， 2 0 0 2 A N E W BUI L DI NG MAT E RI AL S 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m