（工程力学专业论文）六层灌孔速成墙板结构的静力弹塑性分析.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 随着全球化绿色建筑日益被关注，发展绿色建筑已经势在必行。我国的墙体改革 也在经历着一个渐变的过程，全国各地都加大了建筑节能和墙体改革的力度，积极推 广采用新型建筑结构体系及与之相配套的新型墙体材料。其中，空心石膏墙板作为非 承重构件在工程中已广泛应用，但灌孔后的空心石膏墙板作为承重构件的研究还不太 成熟。 本文就是对以灌孔速成墙板为承重墙板的六层房屋进行静力弹塑性分析，所谓灌 孔速成墙板就是在新型轻质玻璃纤维石膏空心板内灌入混凝土而形成的墙板。文中用 基于有限单元法理论的a n s y s 软件模拟此房屋在水平荷载作用下进入弹塑性阶段后 的横向位移及等效应力，以验算这种速成墙板结构在七度区的抗震性能。本文所依据 的试验基础是山东建筑大学结构实验室建的五层足尺速成墙板房屋，理论分析的基础 主要是先前毕业生对五层结构进行的弹性阶段的a n s y s 模拟分析。 通过将a n s y s 分析的结果与试验结果进行对比、分析，得出结论如下： ( 1 ) 采用a p d l 参数化程序设计语言编制命令流，对速成墙板组合墙体结构进行有 限元分析。结果表明，理论分析的结果与试验结果比较吻合。 ( 2 ) 通过模拟及试验分析结果表明，速成墙板结构在水平侧向力作用下为整体剪切 变形。这种变形在很大程度上取决于构件之间的的连接，包括墙体之间的垂直连接以及 墙体与楼板之间的水平连接。 ( 3 ) 将六层结构在七度区多遇地震和罕遇地震下的地震作用与其实际的抗剪承载力 比较，表明六层速成墙板结构在七度设防区的抗剪性能满足要求。 ( 4 ) 验算六层速成墙板结构在七度多遇烈度地震和罕遇烈度地震作用下的层间位移 值，结果表明本文的研究对象满足建筑抗震设计规范上抗震设防目标的要求，即“小震不 坏，中震可修，大震不倒”。进一步说明该墙体是能够作为承重墙使用的，满足在七度设 防区使用和推广的条件。 ( 5 ) 速成墙板结构是一种较新的结构形式，本文的理论计算不仅是对试验数据的验 证和推测，同时对该类结构在七度区的多层建设中广泛应用具有积极的指导作用。 本文的研究工作，为灌孔速成墙板在我国实际工程中的应用提供了技术支持和设 计依据，对今后进一步的分析提供试验数据和理论依据，以便正确的指导速成墙板建 筑体系的推广。 山东建筑大学硕士学位论文 关键词：速成墙板，静力弹塑性，有限单元法，a n s y s ，抗震性能 n 山东建筑大学硕士学位论文 t h es t a t i cp u s h o v e ra n a l y s i so ft h es i x - s t o r e ys t r u c t u r ew i t hg r o u t r a p i dw a l lp a n e l s z h a n gs h u - w e n ( e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s ) d i r e c t e db yw a n g x i n - p i n g a b s t r a c t a sg r e e nb u i l d i n gg l o b a l i z a t i o ni sc o n c e r n e dm o r ea n dm o r e ，d e v e l o p m e n to fg r e e n b u i l d i n gb e c o m e si m p e r a t i v e o u rc o u n t r y sw a l lr e f o r ma l s oe x p e r i e n c e sag r a d a t i o np r o c e s s ， w i t ht h ec o n s t r u c t i o ne n e r g yc o n s e r v a t i o na n dw a l lr e f o r md y n a m i c si n c r e a s i n ga r o u n dt h e c o u n t r y , a n du t i l i z a t i o no ft h en o v e lc o n s t r u c t i o ns t r u c t u r es y s t e ma n dn o v e lw a l lm a t e r i a l p r o m o t e d ；w h e r e i n , n o n - c a r r i e r sh o l l o wg y p s u mw a l l b o a r d sh a sb e e nw i d e s p r e a di np r o j e c t a p p l i c a t i o n ，b u tt h er e s e a r c ho fh o l l o wg y p s u mw a l l b o a r da ss u p p o r t i n gc a r d e ra f t e rf i l l i n g t h eh o l ei ss t i l li m m a t u r e t h i sp a p e ri st ot a k eas t a t i cp u s h o v e ra n a l y s i so nas i x s t o r eh o u s ew i t ht h er a p i dw a l l g r o u t 嬲t h el o a d b e a r i n gw a l lp a n e l a n dw a l lp l a t ef o r m e db yp o u n n gc o n c r e t ei nn o v e l f o a mg l a s ss t r i a t eg y p s u ms p a t i a lc o r ei sak i n do fr a p i dw a l lg r o u t i nt h i sp a p e r , t h ea n a l y s i s o ft h es t r u c t u r ew i t ht h es o f t w a r ei sm a i n l yb a s e do nt h et h e o r yo ft h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，u s i n ga n s y ss o f t w a r es i m u l m i o no ft h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta n de q u i v a l e n t s t r e s sa f t e rt h eh o u s eg e t si nt h el e v e lo fl o a di nt h ee l a s t i c p l a s t i cs t a g ei no r d e rt oh a v ea c h e c k i n gc a l c u l a t i o no fe a r t h q u a k er e s i s t a n c ef u n c t i o n so ft h i s k i n do fr a p i dw a l lp l a t e s t r u c t u r ei nas e v e n d e g r e ea r e a t h i sa r t i c l er e s t so nt h ee x p e r i m e n t a lf o u n d a t i o no faf i v e f u l ls c a l er a p i dw a l lp l a t eh o u s ew h i c hi sc o n s t r u c t e db yt h es h a n d o n gu n i v e r s i t yo f a r c h i t e c t u r e ss t r u c t u r el a b o r a t o r y , w h i l et h et h e o r e t i c a la n a l y s i si sb a s e dp r i m a r i l yo nt h e a n s y ss i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ep r e v i o u sf i v e s t o r ys t r u c t u r ei nt h ee l a s t i cp h a s ec a r r i e d o u tb yp r e v i o u sg r a d u a t e s f i n a l l y , t h er e s u l t so fa n s y sa n a l y s i sa r ec o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ；a f t e r a n a l y s i s ，t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) o r d e rf l o wf o r m u l a t e db yt h ea p d lp a r a m e t e r i z a t i o np r o g r a m m i n gl a n g u a g ei s a d o p t e dt oc a r r yo u tt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so nt h ef i b e rr e i n f o r c e m e n tp l a s t e rt a b l e t c o m b i n a t i o nw a l ls t r u c t u r e t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l tt a l l i e s 埘mt h et e s tr e s u l t i i i 山东建筑大学硕士学位论文 ( 2 ) t h ea n a l y s i so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e st h a tt h er a p i dw a l lp a n e l s t r u c t u r ea s s u m e sas h e a r i n gf a i l u r eu n d e rt h el e v e ll a t e r a la c t i o nf o r c e t h i sd e f o r m a t i o n d e p e n dt o ag r e a te x t e n to nas u f f i c i e n tc o n n e c t i o n , i n c l u d i n gt h ev e r t i c a lc o n n e c t i o n b e t w e e nt h ew a l l b o a r d sa n dt h el e v e lc o n n e c t i o nb e t w e e nt h ew a l l b o a r da n daf l o o rs l a b ( 3 ) c o m p a rt h er e s u l t so ft h es e i s m i cp e r f o r m a n c ew i t l lt h ea c t u a ls h e a r b e a r so ft h e s i x - s t o r y s t r u c t u r eu n d e rt h ee f f e c to fm u l t i - e v e n ti n t e n s i t y e a r t h q u a k ea n ds e i s m i c f o r t i f i c a t i o ni n t e n s i t ye a r t h q u a k e ，i n d i c a t i n gt h a tt h es i x s t o r ys t r u c t u r e ss h e a rf u n c t i o nc a n m e e tt h er e q u i r e m e n t so fs e v e nd e g r e ed e f e n d e da r e a s ( 4 ) f r o mt h ed e f o r m a t i o nv a l u ea n a l y s i so ft h ew a l lo ft h es i x - s t o r ys t r u c t u r e ，t h es t o r y d r i f ta n ds e i s m i cf o r c e su n d e rt h ee f f e c to fm u l t i - e v e n ti n t e n s i t ye a r t h q u a k ea n ds e i s m i c f o r t i f i c a t i o ni n t e n s i t ye a r t h q u a k ec a nm e e tt h ed e m a n d sf o rs e i s m i cd e s i g no fab u i l d i n ga n d f o rt h eg o a lo fs e i s m i cf o r t i f i c a t i o ni nt h eb u i l d i n gs t a n d a r d sf o rt h es e i s m i cd e s i g n ，t h a ti s ， n o tg ob a di nas l i g h ts h a k e s ，r e p a i r a b l ei nam e d i u ms h a k e ，n o tf a l ld o w ni nas e r i o u s q u a k e t h i ss h o w st h a tt h ew a l lc a nb eu s e da sal o a d b e a r i n gw a l la n dc a i lb eu s e da n d p o p u l a r i z e di ns e v e nd e g r e ed e f e n d e da r e a s ( 5 ) r a p i dw a l lp a n e ls t r u c t u r ei san o v e ls t r u c t u r a ls t y l e t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o ni n t h ep a p e ri sn o to n l yac o n f i r m a t i o na n ds p e c u l a t i o nt ot h et e n t a t i v ed a t a , b u ta l s oh a sa p o s i t i v ei n s t r u c t i o nf u n c t i o ni nt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni nt h em u l t i - l a y e rc o n s t r u c t i o ni n as e v e nd e g r e ea r e a a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h i sp a p e r , t e c h n i c a ls u p p o r ta n dt h ed e s i g nb a s i s a r e p r o v i d e df o rk i n do fw a l lp l a t et ob ea p p l i e di na c t u a ld o m e s t i cp r o j e c t ，a l s ot e n t a t i v ed a t a a n dt h e o r yb a s i sc a nb ep r o v i d e df o rf u r t h e ra n a l y s i s s ot h a tam o r ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o n o ft h eg r o u t r a p i dw a l lp l a t ei nt h ec o n s t r u c t i o nf i e l dc a l lb ec o r r e c t l yg u i d e d k e yw o r d s ：r a p i dw a l lp a n e l s ，s e i s m i ce f f e c t s ，p u s h o v e r , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， a n s y s i v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不合其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材 料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名：獬丞 日期 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师 签 名： e l 期 日期 山东建筑大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 石膏在环保建筑材料中应用的意义 随着全球化绿色建筑日益被关注，发展绿色建筑已经势在必行。我国的墙体改革 也在经历着一个渐变的过程。由于粘土砖在建筑使用功能、施工技术等方面存在着一 些严重弊端，如：其生产能耗高，毁田多，污染环境；自重大、抗震性能差；施工繁 杂、砖砌筑工程量大、浪费人力等等。与此同时，随着我国人口的增加，经济持续快 速发展，资源和环境面临的压力越来越大。因此，建设部、国家经贸委等联合发布关 于在住宅建设中淘汰落后产品的通知，以应对资源和环境对我国经济发展的严峻考 验。通知中明确指出：逐步限时禁止使用实心粘土砖，限时截止期限为2 0 0 3 年6 月 3 1 日。为了贯彻国家的可持续发展战略方针，保护土地资源和生态环境，节约能源， 全国各地都加大了建筑节能和墙体改革的力度，积极采取切实措施，抓紧做好实心粘 土砖的替代材料及制品的衔接工作，积极推广采用新型建筑结构体系及与之相配套新 型墙体材料。 在此形势下，各种新型墙体材料应运而生，其中以石膏为主体的绿色环保建材更 是备受关注【1 ，2 1 ，无论从生态建筑和环境保护的角度，还是从资源开发和化学石膏变废 为宝的综合利用来看，石膏建材都是一种应该大力发展的绿色建材。石膏建材的应用 势不可挡，而且它的应用也是符合可持续发展要求的。 石膏在建筑材料工业中应用十分广泛。早在公元前2 0 0 0 多年，人们就开始利用石 膏作为胶凝材料，如古埃及的金字塔和其他许多宏伟的建筑物，都是用石灰，石膏作 为胶凝材料砌筑而成的。远在2 0 0 0 多年前中国就开始从事石膏矿开采和利用，仅湖北 应城石膏矿就有了数百年的开采历史。 石膏建材制品，在建筑使用中有着其它材料不可比拟的优异性能。如石膏建材制 品在遇火灾温度升高时，会释放出结晶水( 但结构不出现破坏) ，其含量高达2 1 ，使 环境温度上升的速度减慢，失水后形成的无水硫酸钙是良好的不燃性热绝缘体，能有 效地阻碍火势蔓延，具有其他材料所没有的特殊防火性能。石膏建材制品与混凝土相 比，其耐火性高出5 倍以上。中国1 9 9 7 年颁布的建筑材料燃烧性能分级方法和建 筑材料难燃性能试验方法中已将石膏建材制品列为不燃体。德国标准( d i n 4 1 2 0 ) 中也 将石膏建材制品定义为不燃性建筑材料。此外，硬化后的石膏建材制品为多微孔结构 体，具有良好的保温隔热性能，其导热系数仅是砖的三分之一，是普通混凝土的五分 山东建筑大学硕士学位论文 之一，是石材的八分之一。由于石膏建材制品的微孔结构特性，在湿度较高时，房m 内过量的湿气可很快的被吸收进入石膏墙体；当气候变化，湿度减低时，能再次释放 山湿气；这种“呼吸”的过程不会影响墙体结构的稳定性及安争程度。所以石膏建材 制品具有独特地调节室内小环境的功能，墙面在空气湿度很高时，也无冷凝水h 现， 可提供十分舒适的居住环境。 石膏建材制品生产过程中对环境的影响小，完全可以做到洁净化生产。在石膏建 材制品生产中和建筑现场出现的废品、废料可重新回收使用，完全可作到无废料排放。 石膏建材制品对人体无害，在长期的使用过程中不会有任何有害气体释放、无放射性 及重金属的危害、安全防火、调节湿度、保温隔热、节约能源，是典型的绿色建材产 品。同时，用石膏建材制品建造的建筑物，在若十年后该建筑物拆除时，这些石膏建 材制品可心收重新使用，是生态建筑的典范。j f 凼为如此，在工业发达国家中，石膏 建材制品的使用量很高，也形成了专门的产品研发，设备制造的工业门类。 美陶是石膏板撮大的生产闻，目前年产量己超过2 0 亿m 2 。h 奉自6 0 年代以后形 成大规模生产，目前的年产量为6 亿m 2 。其它石膏板牛产量较大的崮家有加拿大、法 国、德国、俄罗斯等。在石膏原料方面，近年柬，用t 业废石旨生产的缸膏扳和石膏 砌块产量猛增。在国内，石膏板系列产品是种较为成熟的轻质材料。现已韧具规模。 年产量已超过6 0 0 0 多万平方米。但是，由于国内原材料质量，生产设备等环节存在问 题，优质右膏板产量不高。由于我国天然石膏| 6 r 藏储量丰富，且随着我国经济建殴的 发展，各类化工石膏，如磷石膏，氟石膏，钛石骨，烟气脱硫石膏等，也成为了环境 保护要求必须治理的重要任务之。如磷肥厂，洗衣粉每生产一吨磷酸就要排出五 吨的磷石膏。有的磷肥( 或复合肥) 企业，每年要排出6 0 多万吨磷石膏。连年的堆积 给环境造成严重的污染。如再不丌发利用就可能有处于停产( 或限产) 境地。所以， 对丁人均资源占有率较低的中困，大力开发新型石膏建材制品_ 其_ 有十分重要的现实意 义。 12 速成墙板的简介和生产工艺 l2 1 速成墙板的简介 r b s 建筑体系是澳大利亚速成建筑系统 有限公司( r a p i d b u i l d i n gs y s t e m sp r y l t d ，以 下简称r b s 公叫) 于上世纪9 0 年代初推出的 图1 1 墙板成品 山东建箍大学硕士学位论文 一种新型建筑体系。其核心技术尾用熟缸膏或工业附产石膏、尤碱玻璃纤维及化学漆 加剂为原料在工厂制做成板材，并在上厂内按设计要求锯切成墙体组件，现场进行拼 装施工的一种新颖的墙件技术，原商业名称为“速成墒( r a p i d w a l l ) 。该墙板是种防 水玻璃纤维轻质石膏空心大板，具有较大制作尺寸和较高的力学性能指标。图11 为工 厂生产的标准规格的空心墙板。 速成墙板是由门的生产设备采用熟石茸、玻璃纤维及适量的防水添加剂加工而 成的太规格空心墙板。成品的标准规格为长12 m 、高3 m 、厚1 2 0r r m a ，使用时可以根 据需要切割成不州的尺寸，如图12 所示。两侧的肋厚1 3r a m ，中间的肋厚2 0m m ， 孔洞与 l 洞中点的距离为2 5 0 m m ，孔洞的尺寸为2 3 0 r a m 9 4 m m l 3 。 速成墙板质轻、建筑速度快、使用人力少、建筑成奉低、减轻墙重8 5 以上( 比 单砖墙) ，即使填充混凝上，也比传统的砖墙轻2 0 以上，因此能降低地基处理造价， 同样的建筑血积使用面积加大8 1 0 。空一t 5 大板叮用作隔墙，隔声、保温性能都很 好，板孔填充混凝土可用十多层和小高层建筑的内外檐承重墙体，板扎填充岩棉辞保 温材料可用于钢结构、框架( 框轻) 结构的外檐围护墙体。 但由丁石膏墒板的线膨胀系数与混凝土及钢材的线膨胀系数相差较大，冈此，用 f 制结构或混凝土结构的隔墙叫，墙体上窬易产生裂缝。另外，由于墙板尺寸比较大， 主体结构完成后再施工速成墙扳隔墙，施工吊装也较困难，r 述原也就制了这种 墙板的应用。 i22 速成墙板的生产工艺 速成墙板生产线主要丁艺流程采蹦电脑自动控制系统完成。根据生产工艺流程、 生产车间各部件的布置以及实际操作的需要，配置各系统控制站。各控制站完成对其 所控制范围内的生产流程的操作与鉴定，并能完成数据、图彤及状态的显示，实施必 要的过程控制等功能。生产一块速成墙板的工艺流程示意图如下川： 搅拌石膏一浇注第层石膏一抓平第层石膏 一往第一层石膏上铺铰砷的玻璃纤维一将玻璃纤维 滚压入石膏一在呐饺碎的玻璃纤维的石膏上每隔一 个孔插个板芯一铺上第二层铰碎的破璃纤维_ 捣实第一层玻璃纤维一插另块板芯一浇注第二层 廿膏一铺壕后层玻璃纤维一将最后层玻璃纤维 圉12 墙板样品 山东建筑大学硕士学位论文 滚压入石膏一用刮板将石膏表面抹平二到三遍一墙板初凝前最后刮一次一石膏板进一 步硬化一将板芯从石膏板中抽出一伸出两个墙板支撑架支柱墙板一将工作台倾斜8 5 度 一将石膏板从倾斜的工作台上搬运至存储架上或干燥间内一彻底干燥后即可使用。 1 3 速成墙板的研究现状和应用实例 1 3 1 速成墙板在我国的研究现状 目前，速成墙板的生产技术和设计施工技术在澳大利亚己广泛应用于住宅、商业 及工业的多高层建筑的内外墙、隔墙和密肋梁模板及钢结构围护墙。但由于速成墙板 执行的是澳大利亚的规范标准，澳大利亚为震害比较少的国家，而我国许多地方震害 比较严重。因此，进入中国后需要根据中国的国情、建筑规范、技术指标、习惯作法、 施工技术水平进行技术上的改造。 山东建工股份有限公司于2 0 0 2 年3 月从澳大利亚r b s 公司全套引进了速成墙板 的生产设备及其安装技术，引进之后，根据中国的国情、建筑规范、技术指标、习惯 做法、施工技术水平进行技术上的改造。到目前为止，已经编制了速成墙板连接节 点详图、速成墙板产品标准、速成墙板结构设计规程和速成墙板施工安装和 质量验收标准等企业标准。但这些应用只是把这种墙体作为隔墙来使用【5 , 6 , 7 , 8 】。 该种速成墙板是一种在工厂生产的新型轻质玻璃纤维石膏空心板，根据设计图纸 要求，可将大板切割成所需的尺寸，在施工现场进行快速拼装，作为隔墙使用。为了 扩大速成墙板的应用范围，达到保护土地资源、节约能源的目的，可在其空腔内浇筑 混凝土后，作为承重墙。这种新型的承重墙板被称为灌孔速成墙板。灌孑l 速成墙平面 图形见图1 3 。 混凝土芯柱 图1 3 墙板尺寸详图( 舢【1 1 ) 空心速成墙体的抗压强度比较低，在墙板的孔洞内浇筑混凝土，形成灌孔的墙板， 4 山东建筑大学硕士学位论文 其强度将会大大提高。简言之就是用该种墙体来代替砖混结构中的砖墙，这就形成了 灌孔石膏承重墙板房屋结构体系。施工时先安装空心石膏墙板，然后现场浇筑混凝土。 这种房屋的优点在于浇筑混凝土不需要模板，墙板表面光滑洁净，便于室内装饰装修， 施工速度快，由于墙板厚度仅为1 2 0n l i n ，所以使房屋的有效使用面积增大。 天津大学土木工程检测中心做过大量试验和有限元模拟分析，研究该种速成墙体 灌孔试件( 包括满灌混凝土和隔孔灌混凝土) 的节点处的受力性能，对构件的延性、 滞回特性、耗能能力等受力特性及抗震性能进行了分析研究，如图1 4 所示，并将有限 元模拟分析结果与试验结果进行对比分析，得出主要结论如下【9 lo 】： ( 1 ) 满灌混凝土速成墙板中的混凝土和石膏板受力时作为一个整体共同工作，类似 于有连接键的带缝剪力墙结构，纤维石膏板在结构中充当隔震、耗能元件，结构通过纤 维石膏板的开裂耗散地震能量，从而提高了结构的抗震性能。 ( 2 ) 隔孔灌混凝土速成墙板中的混凝土和石膏板受力时作为一个整体共同工作，工 作性能类似于组合砌体墙结构。 ( 3 ) 试验构件的滞回环包围的面积比较饱满，结构吸收的能量较多，耗能能力较强， 有利于结构的抗震。 ( 4 ) 试验构件破坏前以石膏板的裂缝发展为标志，有明显的征兆，符合延性构件的 定义。 ( 5 ) 试验构件的滞回曲线反映出一定的滑移影响( 包括主筋与混凝土的粘结破坏后 在混凝土中的滑移和斜裂缝的张合产生的滑移等) ，有明显的捏拢效应。 ( 6 ) 分析表明，隔孔灌混凝土速成墙板结构的延性系数、耗能能力要优于一般的组 合砌体结构。 ( 7 ) 有限元方法分析的结果与试验现象和试验数据符合较好，该方法建立的力学模 型是正确有效的，适用于承载力分析。 ( 8 ) 试验和有限元分析表明，隔一孔灌混凝土构件的最大等效应变集中在石膏板空 腔与混凝土芯柱交界两侧，满灌混凝土构件的最大等效应变集中在芯柱混凝土的交界处， 构件的最终破坏以此处石膏板的挤压破坏为前兆。 ( 9 ) 有限元分析表明，芯柱混凝土的根部先于石膏板开裂。由于混凝土被包裹在石 膏板的空腔中，这是在试验中所无法观测到的。 5 山东建筑大学硕士学位论文 o 卜 巴5 i 2 1 0j l【 t 形截面尺寸及酉己筋图 l 形截面尺寸及酉己筋图 图1 4 节点详图 山东建筑大学结构实验室也做了大量关于速成墙板的试验，包括竖向承载力的试 验和水平荷载作用下的配筋试件与不配筋试件的试验，得出了该种墙体的弹性模量、 应力一应变曲线、抗压强度计算公式、承载力计算公式等等。试件尺寸及配筋情况如 图1 5 、1 6 、1 7 所示。 1 5 0 0 叵耍三画c 9 - - z z qi 图1 5 竖向荷载试验墙板简图 z b z u f 1 二二二二虱莩l 匡翌二重至e 虱重堑三壅虱王重互画j l - 2 5 2 0 呙l j t 一“l 图1 6 过梁简图 6 2 多1 0 凹 7 7 0 广1 司 iz ! !j 了 一 匣 1 i 引习l l l j 0 一塑 2 一 1 一 丝 姐一 移7 2 一 一圈撵 山东建筑大学硕士学位论文 变片 围17 配筋试件钢筋及应变片布置图 以卜 式验七要研究分析了速成墙板在低川往复荷载作用下的破坏过程、破坏机理、 滞回曲线、延性、耗能性、刚度及退化、抗侧力等特性，以及高宽比、竖向压应力对这 些特性的影响【n - l s l 。h 时对速成墙板进行了有限元分析，并将分析结果t j 试验值进行了 比较，比较结果表明了试件的简载位移曲线、石膏板对混凝土的约束作用以及加载过 程中对试件承载力的影响，均与试验结果比较吻合。 】3 2 速成墙板的国内外应用实例 速成墙板建筑体系作为项新技术在澳洲得到推广应用，应用比例h 前占有澳洲 建筑市场的5 左右，应用技术已经相当的成熟。主要应用在低屡、多层以及小高层民 用建筑上，包括：公寓、住宅、各种炎型的t o w n 1 0 u s e ，以及超市、斟书馆、音乐厅、 电影院等商业建筑和公1 耵建筑，厂房、仓库也有一定规模的应用，如图l8 ，19 。上世 纪九l 一午代术，改项披术进入马米两亚并建成条墒板生产线，其产品已应剧于当地 建筑业。u 前该项技术己被介绍到印度，j r 在筹建，丰产线。 囝18 澳大副亚压用工程实例1图】9 澳大利亚应用工程实例2 该项技术于1 9 9 8 年引入我围，并在，j 海好饰家建利超市建成一栎该建筑伴系的样板 建筑。进入本t h ： 6 ，随着限时“禁l | 使州粘土砖”政策的实施，浚项技术所具有的明显技 山东建筑大学硕士学位论文 术优势引起国内业界的关注。山东建工集团引进的生产线已于2 0 0 2 年在济南投产，改集 团利用该种墙板与钢结构配套的研究课题已通过建设部组织的争家鉴定。 山东建工集团速成墙公司首先在本公司内部用该种墙体建造了两栋别墅嘲，如图 l1 0 ，图11 1 所示。另外还有正在使用中的职工餐厅、办公楼等建筑，都取得了较好的经 济效益。天津为了更好的研究速成墙板体系的性能，也建立了六层试点工程，如图i1 2 。 图1 1 2 天津六层试点工程 14 速成墙板的主要技术规程 本规程主要对速成墙板构件的物理、力学性能提出了要求，对其结构体系的承载 力和抗震设计做出了规定，对工程施工、质量控制和工程验收也做出了相应规定。本 规程是在山东建筑大学的试验研究及多项试点工程的基础上，参考了澳大利亚r b s 公 司提供的技术资料编写而成。 ( 1 ) 面密度 面密度，即每平方米板的重量。空腔速成墙板的面密度为4 0k g ，m 2 ，这对于作为 填充墙来说是非常理想的数据。从文献 1 6 】及有关资料查得，目前工程中常用的g y 板 山东建筑大学硕士学位论文 的面密度为11 0k g m 2 ，泰柏板为9 5k g m 2 ，双面抹灰的加气混凝土砌体2 4 0 厚为2 4 8 k g m 2 ，g r c 板为4 8k g m 2 。前三种材料价格与速成墙板相差无几，g r c 板则比速成 墙板每平方米高约1 0 元。由此可见，作为隔墙来使用，速成墙板有质量轻、价格低等 优点。 填充混凝土后的速成墙板的面密度为2 5 0k g m 2 ，可以作为承重墙。而一般的2 4 0 m i i 厚的实心粘土砖砌体双面抹灰后的面密度为5 2 4k g m 2 ，2 4 0i l l l t l 厚多孔粘土砖砌体 双面抹灰后的面密度为4 2 0k g m 2 。因此，灌孔速成墙板无论对降低建筑物基础成本， 还是减少地震作用，都是非常有利刚1 6 1 。随着实心粘土砖的禁止使用，灌孔速成墙板 将成为承重墙的替代材料之一。 显而易见，无论作为填充墙，还是作为承重墙，速成墙板都有着其它材料不可比 拟的优势，它更符合轻质高强、质优价廉的选材标准和材料发展方向。 ( 2 ) 承载能力 1 2 0n l l t l 厚的速成墙板直立状态时每米宽度的竖向承载力称为线承载力。根据澳大 利亚r b s 公司提供的实验资料，空腔速成墙的线承载力为6 0k n m ，填充c 3 0 混凝土 的墙板，其线性承载力为7 5 0k n m ，目前在澳大利亚已做到了六层。 山东建筑大学结构实验室已作了大量关于速成墙板竖向承载力和水平荷载的试 验。试验表明，作为承重墙板，其承载力完全满足要求。 ( 3 ) 耐火性能 由公安部天津消防科学研究所提供的检验报告显示，空腔速成墙板的耐火极限不 低于8 3 分钟，燃烧性能a 级，为非燃烧体。文献 1 7 1 1 1 8 中均规定，一级建筑屋房间 隔墙的耐火极限为o 7 5 小时，非承重墙、疏散走道两侧隔墙的耐火极限为1 小时。显 然，空腔速成墙板作为隔墙是满足防火要求的。 对于填充混凝土的速成墙板，r b s 公司提供的数据是隔火率为4 小时。我国建筑 防火规范规定，一级建筑物防火墙的耐火极限为4 小时，承重墙、楼电梯间墙为3 小 时；高层民用建筑防火规范规定，一级建筑物防火墙的耐火极限为3 小时，承重墙、 楼电梯间墙和住宅单元间墙为2 小时1 7 , 1 8 】。显然，灌孔承重墙体也满足我国现行防火 规范的要求。 除了上述几项性能优势外，速成墙板还有消能减震、制作方便、用途广泛、标准 化生产、建筑速度快、方便穿设线管、降低投资等优势。速成墙板的开发应用，可以 节约土地、保护国土资源、节约能源、减低能耗、综合利用工业废料、保护环境，符 9 山东建筑大学硕士学位论文 合可持续发展的需要，将会带来巨大的经济效益和良好的社会效益【l 2 j 。 1 5 本文的提出和研究的主要内容 1 5 1 本文提出的背景 近年来，随着人们环保意识的增强及石膏板在工程中的成功应用，对石膏板相应 的试验研究越来越多。然而，由于目前的建筑石膏板大多应用于室内装饰如吊顶，或 应用于非承重的内外隔墙等非结构构件，对于可用于室内外承重墙体以及作为楼板模 板的纤维增强石膏板的开发、生产、应用和研究还不太成熟；同时，由于我国大部分 地区处于抗震设防区，而以这种墙板作为承重墙板的整体结构的各种受力及抗震性能 还没有明确的实验及分析结果；其次，作为一种新型的承重结构体系房屋，还有许多 技术问题需要作进一步的研究，包括整体结构受力时混凝土和石膏如何共同受力、如 何分析房屋的内力、如何验算墙体的承载力、房屋的抗震性能怎样以及构造措施等。 以上问题致使这种墙板在我国的应用受到了限制。为了使速成墙板建筑体系能够替代 砖混结构体系，实现速成墙板在我国的推广，研究灌孔速成墙板结构的整体受力分析 迫在眉睫。 山东建筑大学结构试验室受山东建工集团委托，对该种新型墙体材料进行了大量 的试验研究，内容包括灌孔速成承重墙板承载力的计算方法、灌孔速成承重墙板兼做 门窗洞口过梁时的承载力计算、灌孔速成承重墙板房屋的抗震性能、灌孔速成承重墙 板房屋的内力分析、灌孔速成承重墙板房屋的构造措施等。为进一步研究整体框架在 荷载作用下的受力情况，还建立了五层速成墙体实体模型进行试验研究，同时建立五 层有限单元模型进行理论分析，随后将试验结果与理论结果进行对比分析。 本文基于这个项目中的五层实体模型的研究，进一步研究以该种墙体材料作为承 重墙板时的六层结构的抗震性能。 1 5 2 本文研究的主要内容 山东建筑大学土木结构实验室已经通过对灌孔速成墙板的研究，得出了灌孔速成 墙板的轴心承载能力、破坏形态和受力机理【1 1 。1 5 1 。通过建立五层实体模型主要研究了 其承重方面的性能和抗震性能，并分析了石膏板与混凝土共同协调工作的能力，提出 实用的计算公式，用来正确的指导新型材料的推广，从而将速成墙板用于房屋承重墙 体，形成新的房屋承重结构体系。当然对于这种新型的承重墙体结构体系，在设计计 算和施工方面都有很多技术问题需要进一步进行研究解决。 本文中所讲述的是将速成墙板用于承重建筑体系，石膏板在作为墙体模板( 在石 l o 山东建筑大学硕士学位论文 膏板孔腔中浇筑混凝土) 的同时，也作为了承重的一部分协同混凝土共同承重。本文 的主要内容有： ( 1 ) 速成墙板应用于承重结构体系的设计方法。其中包括，建筑设计、结构设计。 这种体系是新型的，它的设计原则主要是参照砌体的设计原则，并在工程进行的过程 中，逐步修改完善。 ( 2 ) 相对于其他的较为成熟的结构体系来说，例如砖混结构、框架结构，设计是 研究探索性的，施工同样也是在一边施工一边摸索着进行的。阐述了各个关键分项工 程的必要的施工工序和施工质量保证措施，同时也提出了施工中存在的问题以及形成 的原因。 ( 3 ) 研究了六层灌孔速成墙体结构的整体静力弹塑性分析。在已有的五层速成墙 体实体结构的实验结果与a n s y s 模拟分析的结果对比基础上，利用有限元软件 a n s y s 采用s h e l l 6 3 建立实体模型，模拟六层速成墙体房屋在拟静力荷载作用下的 受力性能。此项研究的目的通过建立a n s y s 模型得出结构在静力作用下的各种内力的 理论值，所得的结论具有一定的参考价值，为以后速成墙板体系多层建筑的实际应用 与推广提供理论依据。对比的差异带有一定的必然性，将有待更完善的分析。 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章五层灌孑l 速成墙板结构的试验分析与a n s y s 有限元理论分析 2 1 本文依据的试验简介 本文的试验基础是山东建筑大学土木工程实验室用灌混凝土速成墙板建起的五层 足尺实体结构。本课题研究的背景是由于速成墙板目前主要用作隔墙，在推广中，制 约因素太多，诸如：石膏墙板的线膨胀系数与混凝土及钢材的线膨胀系数相差较大， 当用于钢结构或混凝土的隔墙，在温度变化较大时，墙板上容易产生裂缝；另外，速 成墙板尺寸比较大，主体结构完成后才能施工速成墙板隔墙，施工吊装也较困难，因 此想通过在空心石膏墙板的孔中灌入混凝土，将速成墙板作为承重墙来进行推广使用。 结构试验大体上可以分为试验设计、试验准备、试验实施和试验分析四个阶段【1 9 。2 1 1 。 试验设计是整个结构试验中极为重要的并且带有全局性的一项工作，它的主要内 容是对所有要进行的结构试验工作进行全面的设计与规划，从而使设计的计划与试验 大纲能对整个试验起统管全局和具体指导的作用；试验准备工作比较繁琐，工作量很 大，包括模型的设计、模型的制作、各种相关构件的加工、试验人员的组织分工、设 备的就位、仪表的检测、率定与安装、材料的力学性能测定。试验准备阶段的工作质 量将直接影响到试验结果的准确程度，需要试验人员进行很好的组织，能够按部就班、 有条不紊、认真细致的工作；试验实施阶段是整个试验的核心部分，试验人员应各就 其职，做好自己的工作。试验时，对于一些重要的或控制性的数据应随时进行整理分 析，以指导下一步的工作，如有问题应尽快查明原因，对试验及时进行调整。试验后， 对采集的原始数据进行整理换算、统计分析、归纳总结，对试验现象及结果进行系统 分析，以得到代表结构性能的公式、图像、表格、曲线和数学模型等。 2 2 试件的设计和制作 2 2 1 试件的设计 为了更好的了解结构的抗震性能，消除比例模型带来的误差，本试验模型设计