结构节能一体化墙体变形协调有限元分析

江一博 周占学，2* 梁玉国 吴 凯 常 宇 马春柳 郭延凯

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；
2.河北省高校绿色建材与建筑改造应用技术研发中心，河北 张家口 075000；
3.河北省建筑科学研究院有限公司，石家庄 050000)

21世纪以来，能源和可持续发展已经逐渐成为世界关注的热点和焦点问题.我国在2020年的第七十五届联合大会上向世界郑重承诺在2030年实现碳达峰，在2060年前实现碳中和[1].建筑业是能源消耗的巨头行业，节能建筑也是近些年来各个国家大力发展和研究的重要方向之一.节能建筑的要求主要是在保证或者提高舒适度的基础上，尽可能多的节约建造过程中使用的资源，降低制造及使用能耗、降低有害气体排放量、减轻环境负荷等[2].结构节能一体化技术是针对建筑耗能的主要部位墙体的一种新型结构技术，其集保温与结构围护于一体，保温结构一体化施工，既满足节能要求又可实现墙体及保温层同寿命.节能与结构一体化技术在使用寿命方面相对于外墙外保温技术有了质的提升，解决了保温层与墙体寿命不一致的问题，从而减少了后期维护维修的资源消耗.目前，全国各省份都出台了相关节能建筑的政策，山东、河北等地还率先出台了结合自身条件，合理且具有发展前景的一体化技术及相应规程.

一体化墙体的力学性能一直是国内外学者的研究热点.Naito[3]等人对一体化夹芯墙的连接件进行剪切承载力试验和抗弯试验.结果表明连接件在受剪过程中受力明显，且夹芯墙的破坏与普通剪力墙类似.Stephen[4]等人对墙体的M型连接件进行了研究，结果表明此连接件在工作时受力较小，对结构整体性影响也较小.Galatin[5]等以保温连接件与混凝土锚固性为中心，对墙体剥落进行了细致研究.宋美洁[6]对复合墙体进行了竖向轴心和偏心荷载试验，研究了墙体变形、受力、破坏等过程.张乐[7]以IPS体系和FS体系为例，进行了地震模拟振动台试验，并进行仿真且分析了其力学性能.国内外的相关研究皆集中在具体的部件上，缺少一体化墙体在整体工作时的分析研究.本文主要以外模板现浇混凝土剪力墙自保温体系为研究对象，其以保温板作为免拆外模板，内侧浇筑混凝土，结构层与保温层之间采用特制连接件进行连接，在满足使用和安全的基础上，省时省工，成本低，具有显著的经济效益[8].通过建立实例工程的有限元模型，对外模板现浇混凝土剪力墙自保温体系工作时整体受力以及容易损坏的部位进行研究，分析了节能与结构一体化技术在使用过程中的受力与变形，并对易损坏部位进行细部分析并提出改进.

本文以山东某住宅小区的住宅楼为研究对象.该建筑为剪力墙结构.地上十七层，地下两层加车库，建筑面积为122411.25m2，建筑总高度为50.2m，首层层高为2.93m，其余各层为2.9m.结构中地下两层及一、二层所有构件混凝土强度等级为C35，其余各层的混凝土强度等级均为C30，钢筋材料的强度等级均为HRB400.一体化保温模板为FS复合保温外模板(Ⅰ型XPS板).本研究对实际工程进行简化，取六层来结构来建模分析.荷载均根据实际工程情况以及建筑结构荷载规范的要求选用(《建筑结构荷载规范》(GB5009-2012)[9]).结构标准层布置图见图1.

图1 结构标准层布置图

多层剪力墙结构整体有限元建模分析采用ANSYS有限元软件，对钢筋混凝土的分析采用整体式模型，对实例工程进行简化分析后进行建模.采用六面体实体单元Solid65单元来模拟混凝土，Solid65单元是可以合理模拟三维有钢筋或无筋的混凝土模型单元.本模型通过输入实常数来定义混凝土的配筋率，将钢筋单元均匀分布在混凝土单元中.对于结构节能一体化模板，则选择Solid185单元来进行模拟，混凝土强度等级一、二层取C30，其余层取C35.C30弹性模量为3×104MPa，泊松比0.2，密度2410kg/m3.C35弹性模量为3.15×104MPa，泊松比0.2，密度2420kg/m3.钢筋强度等级HRB400,弹性模量为2×105MPa，泊松比0.3，密度7800kg/m3.本研究采用我国现行混凝土规范(《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)[10])给出的弹塑性本构关系模型.建立的整体模型见图2、图3.

图2 模型整体图 图3 模板细部图

根据实际工程做法和设计荷载来简化模型约束和加载，在底层对边缘构造柱和剪力墙进行全约束，用来模拟基础.在荷载施加方面，施加一个反方向的惯性荷载(ACEL)用来模拟构件自重，仅采用恒载加活载的标准组合给板面施加荷载.使用自由划分生成四面体网格，网格尺寸采用长度控制，设置值为150mm，保证计算精度的同时可以最大化程度上提高计算速度.

图4 网格划分细部图 图5 整体综合位移云图

由于网格划分过细，位于阴阳角处的云图颜色显示不明显，但结果云图中标注了在第四层外凸阴阳角处出现最大位移，最小位移出现在底层边侧剪力墙处.同时，楼体第二层两侧的长跨梁处也出现了较大位移，也可能是不协调变形发生的关键位置.由此，可得到以下结论：位移和变形最大处出现在外凸的阴阳角处，且层数越高变形越大、受力越大.另外二层处的长跨梁也是受力和变形比较大的位置.根据山东省工程建设标准《FS外模板现浇混凝土复合保温系统应用技术规程》(DB37/T 5067-2016)[11]，复合保温板拼缝不得超过5mm，施工完成后不应有明显的裂缝.由此可知，当一体化模板的变形在3mm以内时，可以认为是变形协调的，满足正常的使用.但其相对于其他位置仍是极易变形的部位，当在以下两种情况时，仍需要进一步研究：一是面对结构的变化，节能与结构一体化技术中结构墙体厚度越来越大时；
二是当节能结构一体化技术应用在高层建筑，必须考虑风载影响时.

2.1 模型建立

根据山东省工程建设标准《FS外模板现浇混凝土复合保温系统应用技术规程》(DB37/T 5067-2016)里的相关规定，选取规范中不同墙体厚度作为研究变量，通过墙体厚度的不同来合理分析受力及变形.墙体厚度分别取200mm、250mm、300mm，其中200mm厚度为对照组.分析的细部构件为外凸阴阳角和两侧长跨梁，具体位置见图6标注.

图6 细部分析位置图

对底层长跨连梁处根据实际设计取长5200mm，截面尺寸分别为200×480(CKL200)、250×480(CKL250)、300×480(CKL300)的三个构件作受力分析.对顶层阴阳角结构，取外凸部分，即Z型异形柱所在位置，此处包含了阴角和阳角，可一次模拟.同时为探究与阴阳角连接的梁的受力及变形情况，将与外凸部位连在一起的短梁一起进行有限元建模，构件根据墙厚不同分别表示为YYJ200、YYJ250、YYJ300.在施加荷载方面，为模拟构件在整个建筑物中的受力状态，在构件两端施加全约束，一体化保温板不作约束处理.构件配筋根据实际工程进行设置，采用包含风载的荷载组合进行模拟加载，其中风荷载垂直于保温板表面.

2.2 长跨梁构件分析

图7 长跨梁模型及网格划分图

图8 CKL200结果云图

构件CKL200的应力云图显示，构件在两端处所承受的应力要比中间位置大，一体化模板所承受的应力几乎很小，这说明在结构长跨梁承受比较大的位置，也就是其与其他构件的拼缝处往往会承受更大的力.从变形上分析，位移最大处出现在结构节能一体化长跨连梁的中下部，相对来看，一体化保温板的变形范围要大于钢筋混凝土的受力结构，变形在一体化保温板内进行过渡，在交接处未发生明显的突变变形.

图9 CKL250、CKL300结果云图

对于两组增加了构件厚度的细部构件，通过应力云图和位移云图分析可得，当墙体厚度增加时，一体化保温板的变形逐渐变小，从长跨连梁上部逐渐向下部、两侧逐渐向中间增加变形，在中部最下方的位置达到最大.比较三种墙体厚度的模拟构件，一体化保温板与钢筋混凝土承载构件之间的应变随着墙体厚度增加而减小，说明墙体承载能力增强时，其变形会减小，其与一体化保温板之间的接触变形会也就会更加协调.

2.3 阴阳角构件分析

图10 阴阳角模型及网格划分图

图11 YYJ200结果云图

通过YYJ200构件的应力云图和位移云图可得，结构在阴阳角处所受应力与梁相比要更大，变形也更大.因此，阴阳角处也最容易出现保温板与结构之间的不协调变形.另外，从位移云图中可以看到阳角处的一体化保温板出现挤压变形，而阴角处出现拉伸变形，这两处均与钢筋混凝土受力构件的变形有较大冲突.从纵向上看，在结构上部变形较小，在构件底端最为明显，且从内到外变形加剧，底部保温板最外侧是变形最为剧烈的地方.

图12 YYJ250、YYJ300结果云图

当加大阴阳角结构墙体的厚度时，因为结构承载能力的增强和结构的变形减小，一体化保温板的变形也逐渐减小.通过应力云图和位移云图分析可得，当墙体厚度增加时，一体化保温板的整体变形变小.随着墙体厚度的增加，阳角处的挤压变形和阴角处的拉伸变形均趋向缓和，但相较于其他部位，仍然是变形最大位置，因此加强阴阳角处的锚固是避免建筑结构节能一体化后变形不协调破坏的关键.

通过对两个细部构件的综合分析，可以合理认为在建筑节能与结构一体化技术中，当外保温模板与结构墙体有较好的连接时，保温板的变形很大程度上依赖结构变形，其自重等因素并不明显.所以一体化技术在施工时，其安装质量决定了最后的使用性能.在正常的安装情况下，受力结构与一体化模板之间的不协调变形并不明显，可以满足正常使用以及外观使用要求.

通过对不同墙厚的长跨连梁构件和阴阳角部位的有限元模拟分析，可以得到以下结论：

(1)建筑结构与节能一体化的建筑物在正常使用时，大部分结构构件与一体化外保温模板之间的变形是较小且协调的，满足正常的使用需求和美观要求.

(2)研究的建筑节能与结构一体化实例工程在纵向两侧的长跨连梁处出现最大应力.通过对构件的细部建模分析，受力构件与一体化保温模板的变形协调，在交接处出未出现突变，因此在使用过程中也不会出现不协调破坏，可以保证正常使用.

(3)楼体正面的外凸部分存在阴阳角，在实际的受力分析中也承受较大应力，以及产生较大位移.通过对阴阳角部位的细部分析，阳角会发生挤压变形，阴角发生拉伸变形，均与混凝土受力构件的变形有较大冲突，由此可见，在建筑节能与结构一体化中，阴阳角部位是最容易发生不协调变形的位置.

(4)通过对不同厚度的构件进行分析，发现越厚的墙体其与一体化保温板之间的变形越小，变形也更为协调.所以，选择较厚的墙体及承载力更好的构件，可避免建筑节能与结构一体化后的变形不协调破坏.

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