装配式建筑空心条板有限元模拟及优化研究

装配式建筑空心条板有限元模拟及优化研究

高维杰 王泽军

1. 越秀地产北方区域公司 2. 青岛高园建设咨询管理有限公司 山东青岛 266033

摘要：近几年以来，国家提出了要统筹建材生产节能与建筑节能，加快发展新型墙材，充分利用各种工业废弃物，大力发展环保型的新型墙材产品，加快淘汰实心粘土砖，将逐步提高新型墙材的生产和应用比例。装配式混凝土板是一种新型装配式混凝土板，此板由预制横向空心混凝土条形板经装配而成，分两阶段成型，属于二次受力构件。预制条板的厚度即为装配式混凝土板的高度，预制条板预制一个方向的受力钢筋，待施工现场装配，通过布置横向穿孔钢筋拼缝处钢筋与预制钢筋形成钢筋网共同参与受力。预制条板经吊装就位后即为后浇混凝土的模板，整个施工过程中仅在预制条板两端设置可靠支撑，因此可有效节省脚手架和模板。

关键词：装配式建筑；空心条板；有限元模拟；优化

引言

在装配式建筑的发展带动下，装配式建筑墙板行业迎来快速发展，各类外墙板和隔墙板产品在装配式建筑中的应用显著增加，提高了装配率，有利于加快工期，改善施工现场作业环境，符合装配式建筑发展的内涵。基于此，本文主要对装配式建筑空心条板有限元模拟及优化做具体论述，希望通过本文的分析研究，给行业内人士以借鉴和启发。

1装配式建筑发展要求

装配式建筑发展要求主要涉及到以下方面内容：装配式建筑是结构系统、外围护系统、设备与管线系统、内装系统的主要部分采用预制部品部件集成的建筑，分为装配式混凝土建筑、装配式钢结构建筑、装配式木结构建筑。根据《装配式建筑评价标准》（GB/T51129—2017）要求“非承重围护墙非砌筑比例≥80%，内隔墙非砌筑比例≥50%”，在装配式建筑评分总分100分中占20分，各省市装配率计算细则也同样对围护墙和内隔墙的应用比例做了要求。装配式建筑墙板的应用是提高装配率最经济可行的手段，在实际施工应用中可以显著提高施工效率，有利于缩短工期，并改善施工现场作业环境，增加住宅使用面积，带来经济效益和社会效益。

2工艺原理

空心隔墙板在安装过程中，主要考虑条板和主体结构柱连接、长短板连接、竖向连接、门窗洞口位置、安装平整度等问题。某项目选择140mm厚空心隔墙板，安装前对施工范围内的墙体进行深化，根据相关规范图集，确定构造柱及圈梁的位置。施工前，对操作人员进行安全技术交底，明确施工中的重难点。隔墙板安装前利用施工深化图，用激光水平仪弹出需砌筑墙体的位置;然后在墙或柱上固定钢卡。墙板安装时采用下楔施工法，通过撬杠将轻质隔墙板移动到墙线内，用木楔楔紧墙板底板，再用激光水准仪校正墙位置，确定无误后，楔紧木方。待墙体安装完成后，在墙板下用细石混凝土灌注密实，待墙体达到强度后取出木楔。轻质隔墙板通过两边的公母隼进行连接，在公母隼相交位置，用黏结剂进行连接，为防止开裂，外部加设1道玻璃纤维网格布。

3条板

条板包含蒸压加气混凝土板、灰渣混凝土空心隔墙板、轻质复合墙板、石膏空心条板等多种类型，宽度一般为600mm，标准化程度高，工业化生产效率高，节省空间、安装速度快、免抹灰，由于尺寸小接缝较多、造价适中。首先是蒸压加气混凝土板。蒸压加气混凝土板可用于外墙板和内隔墙，是以砂、粉煤灰、石灰、水泥为主要原料，掺加铝粉为发气剂，通过配料、搅拌、浇注、预养、切割、蒸压养护而成，内配置经防腐处理的不同数量钢筋网片，具有轻质、保温、防火、易于加工等优势，是单一材料可以满足建筑节能的绿色建材。外墙板外侧面需用专用防水界面剂进行封闭处理。应用范围广泛，生产自动化水平高。其次是灰渣混凝土空心隔墙板。灰渣混凝土空心隔墙板用于内隔墙，是以水泥为胶凝材料、以灰渣为集料，以纤维或钢筋为增强材料经浇注或挤压成形的空心条板，可资源化利用建筑垃圾等工业废渣，相比于其他板材自重大。生产工艺简单，设备投入较少。然后是轻质复合隔墙板。轻质复合隔墙板用于内隔墙，以纤维增强硅酸钙板为面板，以水泥、聚苯颗粒为芯材复合而成，轻质，保温性能较好，是应用较早的墙板产品之一，生产工艺简单。最后是石膏空心条板。石膏空心条板用于内隔墙，以建筑石膏为胶凝材料，掺以无机轻集料、纤维增强材料等制成的空心条板，生产能耗低，其微膨胀性能可防止收缩开裂，具有一定的调湿功能，耐水性能较弱，不宜在卫生间、厨房等部位使用。

4装配式建筑空心条板的受弯承载力

1)装配式混凝土板不同于现有叠合楼板，后浇筑混凝土与预制条板之间的结合为三维立体结合面，能够形成连锁咬合效应，不会因为单一叠合面撕裂而出现预制条板与叠合层的脱离。条板之间布置的拼缝钢筋及横向穿孔钢筋与预制条板内钢筋共同组成空间钢筋网，有效增强了试件的整体性。2)两试件在双向受力时并非拼缝处率先开裂，而是跨中平行于长边方向位置处先开裂，说明拼缝处受力钢筋能有效抑制拼缝的开展。试件裂缝的分布均匀分散且细而密，试件的变形均匀，使得多数受力钢筋都能参与受力发挥作用，材料性能得到有效利用。3)双向板的承载力可以按照弹性理论或塑性理论方法进行计算。根据弹性薄板理论参照《建筑结构静力计算手册》计算弹性理论极限承载力，采用极限平衡法即塑性铰线法计算塑性理论极限承载力。

5有限元分析

为了进一步研究装配式混凝土板的受力性能，采用ABAQUS6.12非线性有限元软件对试验试件进行分析。采用1∶1比例建立模型，将混凝土与钢筋作为不同类型单元进行分离式建模。混凝土采用塑性损伤本构关系模型，8结点实体非协调单元，钢筋采用2结点桁架单元。根据材料的实测参数，参考GB50010—2010与过镇海模型，确定混凝土与钢筋的应力应变关系曲线。由于试验结束时，两试件仍具有很高的承载力，故模型建立不考虑钢筋与混凝土及叠合面之间滑移的影响，所以建立模型时钢筋嵌入混凝土，使叠合层间紧密接触，位移一致。首先是有限元模拟结果分析。两模拟试件混凝土板顶压应力主要沿理想塑性铰线分布，最大压应力未超过混凝土立方体抗压强度标准值，试件板顶为开裂，模拟结果接近试验结果。ABAQUS中裂缝可以根据混凝土损伤应变及混凝土损伤因子的关系进行模拟，但模拟裂缝只是裂缝的发展趋势和裂缝的分布范围，与试验中的实际裂缝不完全相同。模拟裂缝分布与裂缝实际分布的分布范围接近试验结果。其次是模拟结果与试验值对比。根据有限元计算值和试验值的对比，SGB8的实际开裂荷载较计算值大，但总体上计算结果与试验值吻合良好;SGB6的实际开裂荷载与计算值基本相同，开裂后发展趋势基本一致，吻合良好，说明本文建立的有限元模型是合适的。

结语

综上，装配式空心隔墙板作为一种新型的建筑材料，广泛应用于建筑工程施工中。通过本项目的实际工程应用，解决了砌体施工工期长、质量控制难、施工成本高等问题。试件有限元模型可以较为准确模拟试验试件在均布荷载作用下的应变和挠度，为工程应用提供参考。

参考文献

[1]张国辉,张健,关瑞芳,李建权,李国忠.空心隔墙板机械化成型设备的研究[J].新型墙体材料与施工,2005,6:33-35.

[2]刘清政.混凝土空心隔墙板及其生产设备[J].建筑机械化,2001,5:31-32.