(珠海三鑫科技发展有限公司 珠海 519000)
摘要 面对越来越多建筑师对外立面装饰效果要求的提高,UHPC作为一种易于造型装饰的材料,逐渐受到建筑师的青睐。虽然UHPC可以做出千变万化的造型,但外观变化而引起的结构受力特点也相应千变万化,每种造型的背负钢架设计几乎都会不一样,这就要求从业人员有一定的结构设计功底。下面将从理论联系实践,重点讲解海外项目“马尔代夫马累国际机场”的UHPC窗花应用,引入ANSYS有限元分析,并结合实验测试解决实际工程中的安全问题。
近年来,随着“一带一路”国家建筑产能走出去的政策的深入发展,涉外工程逐渐增加,而国外监理及顾问对新型材料的使用尤其谨慎,如果没有相应的计算书或者检测资料,再漂亮的UHPC都不会批准上墙。下面将介绍一种UHPC结构受力分析的方法,即引入有限元软件ANSYS Workbench 19.2对UHPC装饰构件进行结构受力分析。
目前,针对UHPC材料在国内只有团体标准,分别是行业标准《超高性能混凝土(UHPC)技术要求》 T/CECS 10107-2020、浙江省标准《超高性能混凝土(UHPC)外墙围护和装饰板应用技术标准》 T/ZS 0203-2021。另外,相近材料性能的GRC装饰材料在国内存在行业标准《玻璃纤维增强水泥(GRC)建筑应用技术标准》JGJ/T 423-2018。海外则有法国标准NF P18-710《Design of Concrete Structures》,美国标准《Practical Design Guide for Glass Reinforced Concrete》等。本项目要求采用英标进行结构计算,然而英标并没有关于UHPC材料的标准或规范,只能在计算荷载时采用英标进行计算,具体计算分析则依靠有限元软件和相关测试。
1 风荷载计算
项目地点位于马尔代夫马累国际机场,建筑高度22米,主体结构为钢结构,1小时风速为31m/s,顾问要求计算全按英标执行。英标风荷载计算规范引用BS6399-2-1997 ,求得动态风压为2.15kPa。考虑墙角区风荷载体形系数为1.5,即计算风荷载标准值为1.5*2.15=3.22kPa。
2 分项系数及荷载组合
引用规范BS 8110-1-1997,得知在重力和风荷载的共同作用下,重力荷载分项系数取1.4,风荷载的分项系数取1.4。荷载组合如下所示:
工况一:ULS1=1.4DEAD+1.4WIND(+)
工况二:ULS2=1.4DEAD+1.4WIND(-)
工况三:SLS1=1.0DEAD+1.0WIND(+)
工况四:SLS2=1.0DEAD+1.0WIND(-)
DEAD——重力荷载;
WIND(+)——垂直于板面的正风荷载;
WIND(-)——垂直于板面的负风荷载。
尺寸四舍五入后大概为1000mm高,3000mm宽,120mm厚,四个角部的UHPC里侧均采用预埋套筒连接方式,通过不锈钢材质为316的M10六角头螺栓和铝材质为6061-T6的铝角码挂接于幕墙龙骨上。
4 强度限值和挠度限值
项目招标文件要求挠度限值为其长边尺寸的1/2000,即3000/2000=1.5mm,UHPC窗花面板的强度限值为11MPa,相比中国规范规定的UHPC强度最低要求的14MPa要小。中国及海外规范里并没有规定UHPC面板的挠度变形值,从挠度和强度限值偏小的这个要求来看,该项目可以说是相当严格。
5 ANSYS建模
计算采用ANSYS旗下的Workbench19.2版本进行有限元分析模拟,首先是输入材料属性,UHPC窗花板的密度2.2g/cm^3~2.4g/cm^3,这里按较不利的2.4g/cm^3输入,泊松比0.19~0.24,按较不利的0.24输入,线膨胀系数1.5x10^-5,受压弹性模量为40GPa,抗弯强度限值为11MPa,抗压强度为100MPa。接着在四周定义铰接支座,支座类型为remote displacement,左上角仅约束Y方向,右上角仅约束Y方向,左下角仅约束X/Y/Z方向,右下角仅约束Y/Z方向使之成为空间静定体系。
定义完支座后,接下来输入荷载。软件按结构物自身密度和体积考虑计算,重力荷载无须自行手动输入,软件会自动考虑。风荷载则需要手动输入,此处面荷载考虑为墙角区的3.22kPa输入,采取更为保守的荷载值。风荷载分四种工况输入,分别是:
承载能力极限状态下的正压墙角风荷载值:1.4*3.22kPa=4.51kPa;
承载能力极限状态下的负压墙角风荷载值:-1.4*3.22kPa=-4.51kPa;
正常使用极限状态下的正压墙角风荷载值:1.0*3.22kPa=3.22kPa;
正常使用极限状态下的负压墙角风荷载值:-1.0*3.22kPa=-3.22kPa。
6 ANSYS应力及变形结果
在承载能力极限状态的工况一的情况下,最大应力达7.8MPa;在承载能力极限状态的工况二的情况下,最大应力达7.58MPa;在正常使用极限状态的工况三的情况下,最大变形为1.26mm;在正常使用极限状态的工况四的情况下,最大变形为1.26mm。可见,工况一和工况二的最大应力,均低于招标文件要求的极限应力11MPa,且变形均低于3000/2000=1.5mm的限值,强度和挠度均满足计算要求。
7 实验室测试
为了稳妥起见,我们制作了1比1的实体模型,养护28天后,送进了实验室。UHPC试样为3m长*1m宽*0.12m厚的特殊造型的窗花造型,一开始想着直接采用飞机头直吹去模拟极限风压的情况,但是实验室人员表示,对于该种镂空的结构物来说,直吹会有风压的损失,至于损失多少很难具体量化,实验可能很难达到预想的压力值,并且很有可能,即使再大的风力,也吹不坏这块混凝土怪物。于是,我们另辟蹊径,采用实验室推荐的气囊试验,模拟真实情况下的荷载值。为了检验气囊试验的真实性,我们在其中每个支座装了一个水平力传感器,用来衡量该气囊试验方案的真实性。
万事俱备,测试开始,首先,给气囊打气至标准风压的50%,即3.22kPa*0.5=1.61kPa,持续一分钟左右,从外观上观察,没有丝毫裂纹,最大位移在跨中,为0.53mm,接着给气囊打气至标准风压的100%,即3.22kPa*100%=3.22kPa,此时,跨中附近位置出现宽度不大的裂缝,小于《混凝土结构设计规范》里0.2mm裂缝宽度的要求;最后,加载至标准风压的140%,即3.22kPa*1.4=4.51kPa,混凝土结构没有破坏,裂缝宽度均小于0.2mm,满足规范要求。
8 加钢筋改善抗开裂性能和外观
为了达到窗花板块尽量不开裂的外观要求,减少日后可能发生的维修工时,群策群力,决定往里面加钢筋,理由是混凝土是一种离散性特别大的材料,特别是对于受拉或者受弯情况下的混凝土,其离散性之大让加工厂对产品质量的把控产生巨大难度,于是再三考虑,在不增加过多成本的情况下,通过往UHPC窗花顶底各加两道HPB M6钢筋的方法来加强窗花的抗弯承载力。这么操作的理由有以下几点:钢筋和UHPC之间有较接近的线膨胀系数,混凝土为0.8*10^-5 ~1.1*10^-5,钢筋为1.2*10^-5,不会因温度变化产生变形不同步,从而使钢筋与混凝土之间产生错动。钢筋也无须特殊防腐处理,因为混凝土包裹在钢筋表面,能有效防止外部空气和水进入内部,起到很好的保护作用,加上UHPC本身对钢筋无腐蚀作用,从而确保了加钢筋UHPC构件的耐久性。UHPC的抗压强度高,但抗拉强度却非常低(混凝土的抗拉强度一般为其抗压强度的1/10左右),钢筋的抗压和抗拉能力都很强,有钢筋的加入,使两种材料各尽其能、相得益彰,组成性能良好的UHPC结构构件。
9 评估实验的准确性
为了评估气囊试验的准确性,我们在UHPC四个角的连接点上,均设置了测力计,如果测力计上所有水平力读数之和,与标准风压和投影面积的积相等,则说明试验过程中加载的力和理论上预想的力是相等的。如果测力计上的数值之和大于理论计算值,则说明气囊试验相对保守;如果测力计上的数值之和小于理论计算值,则气囊试验的有效性值得进一步讨论。
实验数据:左上角测力计读数为1.33kN,右上角测力计读数为1.35kN,左下角测力计读数为1.65kN,右下角测力计读数为1.69kN。
总合力为1.33+1.35+1.65+1.69=6.02kN,
理论计算值为3m*1m*3.22kPa*40%*140%=5.41kN(窗花投影面积为矩形3m*1m面积的40%,分项系数取1.4)。
试验值比理论值大了(6.02-5.41)/5.41=12%左右。通过以上数据对比表明,气囊试验的测试值一般是要大于理论值的,所以采用气囊施加荷载的测试结果会更偏保守,输入的荷载值会比理论荷载值更大。
10 结论
采用ANSYS有限元软件workbench 19.2模拟UHPC窗花运算结果偏理想化,即算出来的应力值偏低,所以不能过于依赖软件算出来的结果,还需要检测来验证。一方面可能软件对支座的定义过于理想化,而UHPC的弹性模量相当大,一点点装配上的位移就能产生非常大的内力值,使之开裂。另一方面,混凝土的离散性太大,单纯用容许应力法解决不了UHPC离散性大所带来的开裂问题。所以除了进行理论上的有限元分析外,建议仍须实验室验证。
对于较大跨度的UHPC板块,强烈建议加配钢筋与之配合使用,能有效降低混凝土离散性所带来的开裂问题,而且还能保证结构的安全性,万一开裂,也能让钢筋连着,不会碎成渣渣掉下来。
对于这种镂空的窗花造型UHPC面板或者类似的镂空的造型面板,检测方法建议采用气囊法,虽然荷载会比理论值要大12%,但足以保证项目的安全性和适宜的经济性。