高层EPS格构式墙体与传统墙体地震响应分析★

解 瑞 曹启坤 沈燕梅

(辽宁工程技术大学建筑工程学院，辽宁 阜新 123000)



·结构·抗震·

高层EPS格构式墙体与传统墙体地震响应分析★

解 瑞 曹启坤 沈燕梅

(辽宁工程技术大学建筑工程学院，辽宁 阜新 123000)

基于一栋12层框架—EPS格构式混凝土墙体结构高层住宅，一栋剪力墙结构及一栋砌体结构,在8度基本设防的EL-Centro波地震作用下，运用ANSYS大型有限元数值模拟软件,对其进行了非线性时程分析，并对三个结构模型的加速度峰值、层间位移角和抗侧刚度作了对比，得出格构式墙体结构抗震性能强于砌体结构，弱于剪力墙结构，为其在以后实际工程中应用提供了依据。

格构式混凝土墙体，砌体结构，剪力墙结构，地震响应，ANSYS

1 概述

水泥聚苯模壳(Expandable Polystyrene Shuttering，简称EPS)格构式混凝土墙体中水泥聚苯模壳是由聚苯颗粒、水泥、水、外加剂等混合搅拌,按一定的规格尺寸浇筑模压成型的单片模壳,再经模压合模,形成具有纵、横向内芯孔的整块壳体墙体材料,根据需要在芯孔内配置一定数量的钢筋,浇筑免振捣自密实混凝土,即形成格构式复合墙体[1],国外也称纳士塔(RASTRA)墙体[2，3]。水泥聚苯模壳具有良好的保温、防火性能，并且在施工阶段作为浇筑格构式混凝土梁、柱的模板,在使用阶段作为建筑外墙保温材料,该模壳可预先在工厂生产再到现场拼装成墙板,亦可在工厂制成墙板运到现场再进行拼装[4]。

水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体是一种集轻质、保温、承重、防火、隔声、抗震、耐久和环保等多功能于一体的，不同于传统建筑保温墙体结构形式的新型复合墙体建筑结构体系[5]。但是该墙体目前在国内外仅用于6层以下的承重保温墙体建筑[4]，因此对高层格构式混凝土墙体地震响应分析是很有意义的。在高层EPS格构式混凝土墙体地震响应分析中，得出在不同设防烈度作用下，EL-Centro波对结构的地震响应最大。本文在此基础上，研究EPS格构式墙体与传统墙体地震响应，从而对这种新型节能墙体进行更充分的研究，为实际工程提供依据。

2 结构与有限元模型

2.1 模型一

框架与EPS格构式混凝土墙体混合结构，12层高层住宅，层高为2.8 m，结构开间为3.6 m～4.5 m。抗震设防烈度为8度，抗震设防为丙类，地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。建筑结构楼板厚100 mm，结构墙均为250 mm厚，模壳芯孔直径160 mm，芯孔圆心间距为400 mm，考虑端柱、边柱、转角柱加强，1层～12层楼板墙体均采用强度等级为C30的混凝土，梁柱混凝土强度等级C35。有限元模型材料参数见表1。

表1 有限元模型材料参数

有限元结构模型建立时，墙体运用Beam188单元，楼板采用单元Shell63，4 500开间的洞口尺寸为2 800×1 200，3 600开间的洞口尺寸为2 000×1 200，户门洞口尺寸为2 800×2 000，计算模型每层包括结构外围的EPS格构式混凝土墙体和内部的4根400×400的框架柱，总计12层。计算单元数包括：18 750个Beam单元，7 015个Shell单元，总计单元数25 765个，节点数是16 080个。结构模型本构关系采用双线性随动强化(Bilinear Kinematic Hardening Plasticity)材料模型。首层结构图见图1，新型格构式墙体有限元模型见图2。

2.2 模型二

由于格构式混凝土结构墙体是先砌筑EPS模壳，粘合组装成墙体，在其内部孔槽浇筑混凝土或者穿插钢筋后浇筑混凝土，在墙体内部形成刚性骨架。与砌体结构的施工砌筑过程有一定的相似性，因此，“模型二”选用相同结构布置的砌体结构[6]作为对比分析。计算单元数包括：3 268个Beam单元，15 583个Shell单元，总计单元数18 851个，节点数是15 564个。

2.3 模型三

格构式混凝土结构墙体源于剪力墙结构，格构式混凝土结构又称为多孔剪力墙，因此，“模型三”选用相同结构布置、几何尺寸、材料的实体剪力墙结构[7]作为对比分析，计算单元数包括：3 268个Beam单元，15 583个Shell单元，总计单元数18 851个，节点数是15 564个；由GB 50003—2011砌体结构设计规范[8](以下简称《砌规》)与《混规》查得：剪力墙结构与砌体结构的材料参数见表2，其有限元模型见图3。

3 三种不同结构模型的地震响应

表2 有限元模型材料参数 MPa

结构模型的地震响应分别从加速度、位移、抗侧刚度等分析结构的抗震性能。其中抗侧刚度等于剪力与层间位移的比值。抗侧刚度是指在单位力作用下，工程结构顶部的侧移。侧移刚度的大小与材料本身的弹性模量、剪切模量、构件或结构的截面形状、边界条件等因素以及外力的作用形式有关。考虑弹塑性时，抗侧刚度数值不同，如果是线弹性分析，抗侧刚度是个定值。模型一与模型二可对比“格构式墙体结构与砌体结构”在抗震地区抗震性能的优劣势；与模型三可对比“墙体有无网格”对结构模型应力分布与抗震的影响。

3.1 加速度方面

模型一、二、三在EL-Centro波8度基本设防地震作用下顶层的加速度时程曲线如图4所示，三个模型各楼层处加速度峰值和加速度放大系数见表3。

表3 各层代表节点加速度峰值及放大系数

标高/m峰值加速度/cm·s-2加速度放大系数模型一模型二模型三模型一模型二模型三2.874.2653.3629.490.370.270.155.6161.70115.5167.480.810.580.348.4244.99181.49114.481.220.910.5711.2319.76245.62166.861.601.230.8314.0384.83305.10221.711.921.531.1116.8441.25357.85277.572.211.791.3919.6502.74402.76333.082.512.011.6722.4555.64446.86390.042.782.231.9525.2600.73503.65451.493.002.522.2628.0641.51555.06509.453.212.782.5530.8686.52603.54562.783.433.022.8133.6722.61654.39611.073.613.273.06

从图4中加速度时程曲线可知：模型三(剪力墙结构)的加速度值最小，模型二(砌体结构)次之，模型一(芯孔直径为160 mm的格构式墙体结构)的加速度值最大。表3中模型一的加速度放大系数最大，模型三的最小，模型二位于中间。

3.2 位移方面

模型一、二、三在EL-Centro波8度基本设防地震作用下顶层的加速度时程曲线如图5所示，三个模型各楼层处位移峰值和层间位移角见表4。

表4 各层代表节点峰值位移及层间位移角

标高/m峰值位移/mm层间位移角模型一模型二模型三模型一模型二模型三2.83.951.951.040.00140.00070.00045.68.764.882.650.00170.00100.00068.413.728.224.570.00180.00120.000711.218.6511.766.690.00180.00130.000814.023.4415.348.940.00170.00130.000816.828.0018.9611.240.00160.00130.000819.632.2622.5713.530.00150.00130.000822.436.1526.0315.750.00140.00120.000825.239.6929.3017.880.00130.00120.000828.042.7832.4419.860.00110.00110.000730.845.3735.4521.690.00090.00110.000733.647.4938.2023.380.00080.00100.0006

由表4与图5可知：模型总体从底层至顶层位移峰值呈增大趋势；各模型层间位移角从底层至4层逐渐增大、5层至顶层逐渐减小，且模型一、模型二的最大层间位移角为0.001 8，0.001 3,都超过《抗规》中关于抗震墙结构的弹性层间位移角限值，但远小于塑性层间位移角限值；模型三的最大层间位移角为0.000 8，小于抗震墙结构的弹性层间位移角限值，说明模型一、二在8度基本设防地震作用下处于塑性状态，模型三仍处于弹性阶段。

EL-Centro波作用下(0.2g)模型的层间位移角见图6。

3.3 抗侧刚度方面

表5 各层代表节点剪力、层间位移及抗侧刚度

模型一、二、三的各层剪力、层间位移、抗侧刚度列于表5中，由表中数据可知：模型二(砌体结构)的整体抗侧刚度大于模型一(格构式墙体结构)且小于模型三(剪力墙结构)，随着楼层升高，各模型抗侧刚度均减小，说明结构越高在地震作用下，越易发生侧移。模型二与模型一抗侧刚度进行对比可知：在1层～10层模型二的抗侧刚度均大于模型一，但11，12层开始小于模型一，说明砌体结构的延性较差，不适合高层建筑结构，且随着楼层上升，抗侧刚度减幅逐渐变缓在地震作用下易破坏。模型三与模型一抗侧刚度进行对比可知：在一到顶层，模型三的抗侧刚度均大于模型一，且模型三的抗侧刚度减少幅值均大于模型一，说明剪力墙较格构式墙体更利于抗震、安全性[9]较高，但从经济性角度出发，在保证建筑结构安全性能的前提下，格构式墙体结构的造价更低，用材更省，减少对环境的影响从而实现对传统材料(如混凝土)的低消费，降低浪费同时消除模板。同时从结构和可持续性建筑的观点出发，旨在保持预制建筑方法同时改善传统结构保温性能，从而减少建筑物整个生命周期的能源需求。

4 结语

本章基于高层框架—EPS格构式混凝土墙体结构高层住宅，一栋剪力墙结构及一栋砌体结构，运用ANSYS大型有限元数值模拟软件对其进行了非线性时程对比分析，并在8度基本设防的EL-Centro波地震作用下，对三个结构模型的加速度峰值、层间位移角和抗侧刚度分别对比，得出以下结论：

1)各建筑结构模型在8度基本设防地震(0.20g)作用下，模型三(剪力墙结构)满足《抗规》中规定的钢筋混凝土抗震墙弹性最大层间位移角限值要求，处于弹性变形阶段；模型一和模型二均进入塑性阶段且位于钢筋混凝土抗震墙弹塑性层间位移角限值之内。

2)通过三种不同结构模型的地震响应对比分析可知：结构模型在8度基本设防地震(0.20g)作用下，模型三(剪力墙结构)的加速度放大系数、层间位移角、抗侧刚度依次大于模型二(砌体结构)、模型一(格构式墙体结构)，其中10层以上模型二(砌体结构)的抗侧刚度小于模型一(格构式墙体结构)，说明砌体结构的延性较差，不适合高层建筑结构。

3)与传统结构对比表明：EPS格构式混凝土墙体住宅就是将其剪力墙的刚度降低，从而增减其变形能力，即提高剪力墙的延性，进而增强结构本身的抗震性能。与此同时，与传统剪力墙、砌体结构相比，从经济性角度出发，在保证建筑结构安全性能的前提下，格构式墙体结构的造价更低、用材更省，减少对环境的影响从而实现对传统材料(如混凝土)的低消费、消除模板使用。同时从结构和可持续性建筑的观点出发，旨在保持预制建筑方法同时改善传统结构保温性能，从而减少建筑物整个生命周期的能源需求。

[1] 乔 巍,马志春,常海亮.格构式混凝土墙体用水泥聚苯模壳生产与应用研究[J].墙材革新与建筑节能,2013(8):52-59.

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[5] 张良纯.水泥聚苯模壳格构式混凝土建筑体系技术应用[J].建设科技,2008(17):74-75.

[6] 张 巍.免拆墙模复合剪力墙体系保温性能与抗震性能的分析与研究[D].太原：太原理工大学,2004.

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[8] GB 50003—2011,砌体结构设计规范[S].

[9] 周 攀.隧道型钢钢架喷混凝土支护安全性分析[D].北京：北京交通大学,2011.

Seismic response analysis of high-rise EPS lattice type wall and traditional wall★

Xie Rui Cao Qikun Shen Yanmei

(CollegeofCivilEngineering,LiaoningTechincalUniversity,Fuxin123000,China)

This paper was based on a twelve story frame-EPS lattice type concrete wall structure high-rise residential building, a shear wall structure and a masonry structure, the nonlinear time history analysis was carried out by using the ANSYS large finite element numerical simulation software under EL-Centro wave seismic action of 8 degree basic fortification,the acceleration peak value, the displacement angle and the lateral stiffness of the three structure models were compared, it is concluded that the seismic performance of the frame wall structure is stronger than that of the masonry structure, which is weaker than that of the shear wall structure, and the conclusion provideds some basis for the application of lattice type wall structure in practical engineering.

lattice type concrete wall, masonry structure, shear wall structure, seismic response, ANSYS

1009-6825(2017)10-0030-04

2017-01-23★:国家自然科学基金项目(51474045)

解 瑞(1993- )，男，在读硕士

TU352

A