裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)低能耗優(yōu)化設(shè)計方法

汪 斌，羅 磊

（黃山學院建筑工程學院，安徽黃山245041）

0 引言

裝配式建筑是采用集成框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的一體式建筑，將裝配式建筑應(yīng)用在房地產(chǎn)行業(yè)中，能設(shè)計各式各樣的建筑體，提高了建筑節(jié)能性的同時，還能提高建筑效率[1]。進行裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的能耗特性分析，可促進裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)力學分析[2]。本文提出基于屈曲分析和承載應(yīng)力評估的裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)低能設(shè)計方法。

1 建筑結(jié)構(gòu)力學承載模型及圍護結(jié)構(gòu)連接方法

1.1 建筑結(jié)構(gòu)力學承載模型

為了實現(xiàn)裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)低能耗優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的材料特性建立建筑結(jié)構(gòu)力學承載模型[3]。裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)體系的低能耗抗拉承載內(nèi)力分布表示為

式中，B(x)表示裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的負荷幾何變換矩陣，為

其中，ξ∈[-1,1]，表示裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的低能耗抗拉力承載的線性插值分量，在變形增量約束下，分析裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的裂縫形態(tài)及其形成機理。在水平荷載作用下，在裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力承載分布可行域Rd內(nèi)分析裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)體系的剪應(yīng)變特征量[4]，得到裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)低能耗承載力學控制方程為

式中，ub表示裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的切線剛度，cs表示裝配式剪力墻子結(jié)構(gòu)的彈性內(nèi)力增量，取SCBRB構(gòu)件混凝土構(gòu)建作為裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的剪力墻[5]，得到混凝土強度和彈性模量分布荷載為

預(yù)先設(shè)定裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)體系的低能耗抗拉力承載力結(jié)構(gòu)強度，裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)體系的低能耗抗拉力承載力推覆側(cè)向應(yīng)力輸出為

式中，ρ表示加載的材料密度，xi為構(gòu)件層面的承載能力，在裝配整體式結(jié)構(gòu)的現(xiàn)澆連接部位，根據(jù)相同的現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)分布進行動態(tài)應(yīng)力特征分析，提高裝配整體式結(jié)構(gòu)的低能耗承載力。

1.2 建筑圍護結(jié)構(gòu)有效連接方法評估

考慮裝配整體式結(jié)構(gòu)中預(yù)制墻板的承載性能，采用套筒灌漿連接和漿錨搭接連接方法進行裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的有效連接[6]，如圖1所示。

圖1 建筑圍護結(jié)構(gòu)有效連接結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖1的連接結(jié)構(gòu)圖，分析裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等動力特性，結(jié)合裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)體系的低能耗抗拉力承載力測試方法進行應(yīng)力屈服響應(yīng)評估[7]，得到第n+1、n時步內(nèi)裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的抗拉力承載徐變控制模型

根據(jù)圍護結(jié)構(gòu)的連接形式和水平側(cè)向的屈服應(yīng)力推覆作用，進行裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)體系的低能耗控制[8]。裝配整體式與現(xiàn)澆剪力墻模型結(jié)構(gòu)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)模型中，裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)體系抗疲勞斷裂的安全允量滿足，得到裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)澆剪力墻結(jié)構(gòu)邊緣構(gòu)件的線性化方程

計算每條支鏈上裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)體系的低能耗抗拉力承載力黏滯阻尼狀態(tài)參數(shù)為δ，與狀態(tài)XRM,VRM,θP,ωP是互不相關(guān)的，用y表示現(xiàn)澆剪力墻模型的應(yīng)力阻尼分布矩陣L(Z2+Z3)-1LT與MT(Z2+Z3)-1MT的Bergmann核，由此判定裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)體系的低能耗抗拉力承載性能是否穩(wěn)定，判決方程

分析裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等動力特性，將裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)體系低能耗抗拉力承載評估問題轉(zhuǎn)換為裝配整體式模型結(jié)構(gòu)評價問題[9]，得到裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的低能耗有效連接方法評價規(guī)則如下：

根據(jù)相鄰層在樓板面的連接方式的同態(tài)性，構(gòu)建裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的套筒灌漿連接模型[10]，得到裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)輸出動能T和勢能V：

每次改變現(xiàn)澆剪力墻與裝配整體式模型尺寸參數(shù)時，根據(jù)結(jié)構(gòu)的能耗特性確定維護結(jié)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計配筋比，進行低能耗優(yōu)化參考模型設(shè)計。

2 裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)低能耗設(shè)計優(yōu)化

2.1 裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)動力特性

在上述構(gòu)建了建筑結(jié)構(gòu)力學承載模型的基礎(chǔ)上，進行裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)低能設(shè)計優(yōu)化，本文提出基于屈曲分析和承載應(yīng)力評估的裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)低能設(shè)計方法。分析裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等動力特性，根據(jù)場地烈度、場地類別得到裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力屈服響應(yīng)取值為[-1,1],Φ為對立度系數(shù)，取值為-1。采用錨固方式進行裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的負荷加載，分析負荷加載下裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的彈性模量、屈服強度de和fe，得到裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)基本周期點處的推覆截面軸力表達式

式中，N(x)表示裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)屈服面本構(gòu)變形增量，M(x)為現(xiàn)澆剪力墻與裝配整體式模型的屈服響應(yīng)特征分布，在截面彎矩約束下，構(gòu)建裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)低能耗抗拉力承載力的單元平衡方程，依據(jù)Euler-Bernoulli梁理論，得到裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)體系的低能耗抗拉力承載力受力狀態(tài)增量：

式中，Vt1表示裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)體系截面內(nèi)力，Vu1表示最大彈塑性頂點位移，ΔVt表示裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的低能耗抗拉力承載力的屈服機制，假定裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)體系的低能耗抗拉力承載力足夠大以保證不屈服，對加固試件進行動力特性分析，得到裝配整體式模型結(jié)構(gòu)的塑性位移

式中，dei為裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)外核心區(qū)的應(yīng)力分配系數(shù)，dpti表示現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)邊緣構(gòu)件的鋼筋彈性模量，計算裝配整體式模型的低能耗抗拉力承載力的受力模型

結(jié)合受力參量估計方法進行裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力屈服響應(yīng)評估，測試裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)體系的低能耗抗拉力動態(tài)承載力，進行裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的動力特性分析。

2.2 裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)低能耗設(shè)計

采用屈曲分析方法進行能耗控制和承載應(yīng)力評估，得到裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的低能耗抗拉力承載力控制的平衡解滿足

結(jié)合約束條件，得到裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的低能耗抗拉力承載力的約束進化方程描述為

式中，z1,z2是剪力墻軸向承載力參數(shù)，y為載荷分離特征量，采用試件軸壓試驗方法進行裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)體系的低能耗抗拉力承載力的自動加載，建立動量守恒方程為

忽略連接件豎向擾動影響，在裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)體系的自身重力作用下，輸出的能開銷滿足

3 實驗測試分析

為了驗證本文方法在實現(xiàn)裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)低能耗設(shè)計中的應(yīng)用性能，進行實驗分析，實驗采用有限元分析軟件進行仿真裝置，結(jié)合裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的布置方式，給出裝配整體式模型結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。

圖2 裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)布置模型

根據(jù)圖2的布置模型，設(shè)定原結(jié)構(gòu)混凝土強度等級為C50，采用普通硅酸鹽水泥P.O42.5作為主料進行圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計，彈性模量設(shè)定為Ec=3.43×106，鋼筋彈性模量 Es=32.34×106psi，谷值荷載為2000kN，根據(jù)結(jié)構(gòu)的能耗特性確定維護結(jié)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計配筋比為102：1，板帶邊界剛性約束特征量為2.34，根據(jù)上述參量設(shè)定，得到裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的有限元模型（如圖3所示）。

圖3 裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的有限元模型

根據(jù)圖3的有限元結(jié)構(gòu)，進行裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的局部屈曲數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果對比，得到結(jié)果如圖4所示，能耗參數(shù)測試結(jié)果見表1。

圖4 局部屈曲數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果對比

表1 參數(shù)測試結(jié)果

分析得知，采用屈曲分析方法進行能耗控制和承載應(yīng)力評估，實現(xiàn)對裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)低能耗優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計的裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的能耗較低，強度較大，連接部位的強度和延性都較好。

4 結(jié)語

對裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，構(gòu)建裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的承載力學分析模型，采用彈性模量特征分析方法，進行裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的能耗特性分析，本文提出基于屈曲分析和承載應(yīng)力評估的裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)低能耗設(shè)計方法。根據(jù)裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的材料特性建立建筑結(jié)構(gòu)力學承載模型，進行裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的有效連接，根據(jù)結(jié)構(gòu)的能耗特性確定維護結(jié)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計配筋比，采用屈曲分析方法進行能耗控制和承載應(yīng)力評估，實現(xiàn)對裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)低能耗優(yōu)化設(shè)計。研究表明，設(shè)計的裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的能耗較低，強度較大，連接部位的強度和延性都較好，在裝配式建筑圍護結(jié)構(gòu)的低能耗設(shè)計中具有很好的應(yīng)用價值。