CS墙板填充墙对多层框架结构刚度和内力影响的分析

SichuanBuildingMaterialsVol.41，No.1February，2015第41卷第1期2015年2月CS墙板填充墙对多层框架结构刚度和内力影响的分析田　芳(四川建筑职业技术学院工程管理系,四川德阳　618000)作者简介:田芳(1986-),女,湖南芷江人,硕士研究生,助教,研究方向为建筑结构抗震设计。　　摘　要:选用CS墙板和蒸压加气混凝土砌块作为填充墙,分别建立5层框架结构模型,在水平地震力作用下,采用SAP2000软件对各模型进行弹性分析,通过研究CS墙板对框架结构的周期和刚度、轴力以及剪力等方面的影响,得出CS墙板可以提高框架结构的抗震性能,有利于CS墙板在新型建筑墙体材料中的推广和应用。　　关键词:CS墙板;SAP2000;抗震　　中图分类号:TU311文献标志码:A文章编号:1672-4011(2015)01-0054-03DOI:10.3969/j.issn.1672-4011.2015.01.026AnalysisontheInfluenceofStiffnessandInternalForceofMulti-storeyFrameStructurebyCSPanelFillerWallTIANFang(EngineeringManagementDepartment,SichuanCollegeofArchi-tecturalTechnology,Deyang618000,China)Abstract:TheCSpanelandautoclavedaeratedconcreteblockfillerwallisusedinthisarticleforsettingup5layerframestructuremodelrespectively,underthehorizontalseismicforce,usingSAP2000softwareforelasticanalysisofeachmodel.ThroughthestudyoftheinfluencetoframestructurebyCSwallonthecyclesandstiffness,theaxialforceandshearforceandsoon,itisconcludedthatCSpanelcanimprovetheseismicper-formanceofframestructure,isadvantageoustotheCSpanelinthepopularizationandapplicationofnewbuildingwallmaterials.Keywords:CSpanel;SAP2000;seismic1　CS墙板介绍CS墙板是近几年发展起来的一种理想的新型轻质墙体材料,由于CS墙板有较好的整体性和保温性,在北方地区的建筑工程中应用较多,2008年汶川“5．12”大地震以后,CS墙板首次在四川绵竹作为灾后重建的新型墙体材料。钢丝网架水泥聚苯乙烯夹芯板简称CS板[1],由2．0~3．0mm低碳冷拔钢丝焊接成两片平行网片,中间夹以岩棉板或阻燃型聚苯乙烯泡沫板等轻质保温材料作为板芯,并在其中斜向交叉插入2．2~2．3mm腹丝,采用先进的工艺和技术焊接形成三维空间网架夹芯板。CS板在工厂制成后运至施工现场安装固定,再根据设计在板两侧面铺抹或喷涂普通水泥砂浆或细石混凝土,在其中配置间隔300mm的ϕ10Ⅰ级钢筋,从而形成复合型CS墙板。其构造详图如图1所示。图1　CS墙板构造详图/mm本文中CS墙板采用SAP2000软件[2]中的四节点三维薄壳单元进行模拟,在软件中CS墙板的弹性模量采用折算后的弹性模量[3],刚度采用等效刚度[4]计算,通过刚度修正[4]把考虑剪切变形的刚度折算到只考虑弯曲变形的刚度。建立的模型中CS墙板的材料参数如表1所示。表1CS墙板的材料参数墙高/mm墙厚/mm实际等效墙宽/mm混凝土强度等级折算弹性模量/(N·mm-2)等效刚度/(×1011N·mm-2)刚度修正系数泊松比密度/(×10-6g·mm-3)4000110607200C202747658351．960．1140．225502000110607200C202747611222．340．0220．225504000110606000C202747648950．170．1650．225504000110603600C202747624485．570．3820．22550注:表中墙板密度考虑聚苯乙烯夹芯层重力的影响,给以适当加大。　　本文中蒸压加气混凝土砌块填充墙采用等效斜撑模型[5],框架采用杆单元,节点为铰接。2　填充墙框架结构计算模型建立5层框架结构模型,M1为空框架结构;M2中填充墙采用A5．0蒸压加气混凝土砌块,墙厚200mm;M3中填充墙采用CS墙板,墙板中混凝土强度等级为C20,墙厚110mm,等效为墙板两侧混凝土厚度60mm。采用SAP2000软件对各模型结构进行弹性分析。结构平面布置图如图2所示。框架结构层高均为4m,结构总高度20m,在GB50011-2010《建筑抗震设计规范》[6](以下简称《规范》)中,根据四川省都江堰地区的抗震设防要求,设置抗震设防烈度为8·45·SichuanBuildingMaterialsVol.41，No.1February，2015第41卷第1期2015年2月度,场地类别为Ⅱ类,框架抗震等级为二级,设计基本地震加速度值为0．30g,设计地震分组为第二组,场地特征周期为0．4s。所有梁柱混凝土强度等级均为C30,梁柱截面受力主筋选用HRB400,箍筋为HRB335。图2　5层框架结构平面布置图2．1　CS墙板对结构自振周期和刚度的影响在框架结构中,填砌填充墙会显著影响结构整体刚度,引起结构刚度增大,自振周期变短,导致结构所受的地震力增大。从表2可以得出,有填充墙的框架结构与空框架结构的周期比在0．3~0．4之间,比《规范》规定的周期折减系数0．6~0．7降低了很多。在现行框架结构抗震设计中,仅采用《规范》中规定的周期折减系数来考虑填充墙刚度的影响与框架结构实际受到的影响差别较大,会使设计结果偏于不安全。表2模型自振周期和刚度输出结果模型自振周期/s结构刚度/(kN·m)周期折减系数/ψ刚度比M11．029637．2417--M20．3135401．77070．304510．79M30．3671292．87300．35657．86注:ψ为填充墙框架周期与空腹框架周期的比值,称为周期折减系数。由表2中数据得出,CS墙板填充墙框架结构M3的自振周期为蒸压加气混凝土砌块填充墙框架结构M2的1．17倍,结构刚度为M2的0．73倍。因此,CS墙板填充墙对框架结构的自振周期和整体刚度的影响比蒸压加气混凝土砌块填充墙小,相比而言,在框架结构中采用CS墙板填充墙更适合抗震设计要求。2．2　CS墙板对框架轴力的影响为分析填充墙对框架轴力的影响,通过对3个模型的荷载组合分析,得到各模型的轴力值,其中第2榀框架的中柱轴力如表3所示。表3第2榀框架的中柱轴力kN模型第1层第2层第3层第4层第5层M11284．251023．01772．82530．36296．91M21796．501356．54964．46642．66364．88M31314．911036．43745．24471．28220．84由表3可知,与纯框架M1相比,蒸压加气混凝土砌块填充墙框架结构M2各层框架柱的轴力增大,分别为纯框架M1的1．40、1．33、1．25、1．21、1．23倍。由于填砌蒸压加气混凝土砌块填充墙后结构的自重增大,使得框架柱承受的竖向荷载增大。在CS墙板填充墙模型M3中,各层框架柱的轴力分别为纯框架结构M1的1．02、1．01、0．96、0．89、0．74倍,由此得出,填砌CS墙板填充墙以后,结构整体自重增大,框架结构底层柱的轴力增大,但越往上层框架柱所受的轴力与纯框架结构相比越小,由于CS墙板可以承受结构的竖向荷载,从而减小了框架柱的轴力,尤其是减小上层框架柱的轴力。与蒸压加气混凝土砌块填充墙框架结构M2相比,CS墙板填充墙框架结构M3中各层框架柱的轴力为M2的0．61~0．77倍,因此采用CS墙板作为填充墙时,可以减轻结构整体的自重,且墙体厚度较小,从而增加建筑使用空间,节约材料用量。2．3　CS墙板对框架剪力的影响本文采用反应谱分析法对M1和M3两个模型进行弹性分析,考察CS墙板对框架剪力的影响,得到结构在水平地震力作用下,各模型中横向第2榀框架梁和柱的剪力如图3~6。26.6445.7461.7972.8466.8330.5759.2080.8295.9990.8825.5446.2462.5673.6169.7731.8742.2741.1730.6346.1160.4947.1661.5659.0077.4475.9357.4467.2674.8685.5486.6276.0069.1889.8487.97图3M1反应谱分析梁地震剪力图图4M1反应谱分析柱地震剪力图46.5452.3452.4647.1234.3610.096.208.513.400.5310.567.169.324.190.908.6418.9820.8010.937.4116.3317.0718.9324.1625.899.3718.8617.1223.2530.2327.7631.8329.8628.6843.3246.4124.8226.8726.7922.7523.8045.5942.5028.7724.7125.4828.5331.1525.7921.0328.1622.1429.0021.5516.24图5　M3反应谱分析梁地震剪力图图6　M3反应谱分析柱地震剪力图其中各模型第2榀框架的中柱地震剪力值如表4所示。表4第2榀框架的中柱地震剪力kN模型第1层第2层第3层第4层第5层M186．6289．8477．4461．5642．27M342．5031．1529．0024．1618．98从以上图形和表4可知,CS墙板填充墙模型M3中,各层框架柱的剪力随着层数增加而均匀减小,其中各层中柱剪力为纯框架结构M1的0．35~0．49倍,可以得出M3中框架梁和柱的剪力明显减小,说明CS墙板作为填充墙在框架结构中可以承担结构大部分水平地震剪力,提高框架结构的抗震性能,对框架结构抗震有利。3　结　论1)与蒸压加气混凝土砌块填充墙相比,CS墙板填充　　　　　　　　　(下转第57页)·55·SichuanBuildingMaterialsVol.41，No.1February，2015第41卷第1期2015年2月不穷,此两者相结合来,有利于提高建筑施工进度,降低施工成本。综上所述,钢结构应用于房屋建筑中,不但能够满足人们对于建筑物耐用性、功能性以及安全性的要求,还能够提高其经济性与美观性,符合建筑结构优化的目标,十分值得推广。3　房屋建筑结构优化技术应用中需要注意的问题3．1　前期的参与对于建筑施工项目而言,其前期的设计方案很大程度上直接决定了建筑施工质量和施工成本,但是不少建筑项目的前期方案确定时,并未进行结构设计的优化,忽略了建筑结构的合理性以及经济性,从而使得结构设计难度及成本在一定程度上被提高了。因此,对于设计人员而言,在建筑的前期设计中一定要重视优化设计方案的融入,从而达到节约成本、提高质量的目的。3．2　细部优化当设计人员对建筑的结构进行优化设计时,其不仅要关注整体设计,更要关注到基本构件的精细设计。例如:在对现浇板进行设计时,应重视其受力程度,避免产生拐角裂缝。当前,随着科学技术的不断发展,优化设计的理论同计算机技术相结合,优化设计也从工程实践向着数学问题发展。因此,对于工程设计人员而言,其应全面掌握计算机技术的优化设计,提高建筑设计的合理性和准确性。4　工程实例4．1　工程概况下文主要分析了某住宅建筑的结构优化设计,该住宅建筑地上32层,地下1层,结构形式为钢结构框架剪力墙。根据该建筑项目的实际需求以及现场情况综