裝配式建筑圍護結構低能耗優化設計方法

汪 斌，羅 磊

（黃山學院建筑工程學院，安徽黃山245041）

0 引言

裝配式建筑是采用集成框架結構設計的一體式建筑，將裝配式建筑應用在房地產行業中，能設計各式各樣的建筑體，提高了建筑節能性的同時，還能提高建筑效率[1]。進行裝配式建筑圍護結構的能耗特性分析，可促進裝配式建筑圍護結構的優化設計和結構力學分析[2]。本文提出基于屈曲分析和承載應力評估的裝配式建筑圍護結構低能設計方法。

1 建筑結構力學承載模型及圍護結構連接方法

1.1 建筑結構力學承載模型

為了實現裝配式建筑圍護結構低能耗優化設計，根據裝配式建筑圍護結構的材料特性建立建筑結構力學承載模型[3]。裝配式建筑圍護結構體系的低能耗抗拉承載內力分布表示為

式中，B(x)表示裝配式建筑圍護結構的負荷幾何變換矩陣，為

其中，ξ∈[-1,1]，表示裝配式建筑圍護結構的低能耗抗拉力承載的線性插值分量，在變形增量約束下，分析裝配式建筑圍護結構的裂縫形態及其形成機理。在水平荷載作用下，在裝配式建筑圍護結構的應力承載分布可行域Rd內分析裝配式建筑圍護結構體系的剪應變特征量[4]，得到裝配式建筑圍護結構低能耗承載力學控制方程為

式中，ub表示裝配式建筑圍護結構的切線剛度，cs表示裝配式剪力墻子結構的彈性內力增量，取SCBRB構件混凝土構建作為裝配式建筑圍護結構的剪力墻[5]，得到混凝土強度和彈性模量分布荷載為

預先設定裝配式建筑圍護結構體系的低能耗抗拉力承載力結構強度，裝配式建筑圍護結構體系的低能耗抗拉力承載力推覆側向應力輸出為

式中，ρ表示加載的材料密度，xi為構件層面的承載能力，在裝配整體式結構的現澆連接部位，根據相同的現澆剪力墻結構分布進行動態應力特征分析，提高裝配整體式結構的低能耗承載力。

1.2 建筑圍護結構有效連接方法評估

考慮裝配整體式結構中預制墻板的承載性能，采用套筒灌漿連接和漿錨搭接連接方法進行裝配式建筑圍護結構的有效連接[6]，如圖1所示。

圖1 建筑圍護結構有效連接結構圖

根據圖1的連接結構圖，分析裝配式建筑圍護結構的自振頻率、振型和阻尼比等動力特性，結合裝配式建筑圍護結構體系的低能耗抗拉力承載力測試方法進行應力屈服響應評估[7]，得到第n+1、n時步內裝配式建筑圍護結構的抗拉力承載徐變控制模型

根據圍護結構的連接形式和水平側向的屈服應力推覆作用，進行裝配式建筑圍護結構體系的低能耗控制[8]。裝配整體式與現澆剪力墻模型結構的并聯結構模型中，裝配式建筑圍護結構體系抗疲勞斷裂的安全允量滿足，得到裝配式建筑圍護結構澆剪力墻結構邊緣構件的線性化方程

計算每條支鏈上裝配式建筑圍護結構體系的低能耗抗拉力承載力黏滯阻尼狀態參數為δ，與狀態XRM,VRM,θP,ωP是互不相關的，用y表示現澆剪力墻模型的應力阻尼分布矩陣L(Z2+Z3)-1LT與MT(Z2+Z3)-1MT的Bergmann核，由此判定裝配式建筑圍護結構體系的低能耗抗拉力承載性能是否穩定，判決方程

分析裝配式建筑圍護結構的自振頻率、振型和阻尼比等動力特性，將裝配式建筑圍護結構體系低能耗抗拉力承載評估問題轉換為裝配整體式模型結構評價問題[9]，得到裝配式建筑圍護結構的低能耗有效連接方法評價規則如下：

根據相鄰層在樓板面的連接方式的同態性，構建裝配式建筑圍護結構的套筒灌漿連接模型[10]，得到裝配式建筑圍護結構輸出動能T和勢能V：

每次改變現澆剪力墻與裝配整體式模型尺寸參數時，根據結構的能耗特性確定維護結構模型的結構設計配筋比，進行低能耗優化參考模型設計。

2 裝配式建筑圍護結構低能耗設計優化

2.1 裝配式建筑圍護結構動力特性

在上述構建了建筑結構力學承載模型的基礎上，進行裝配式建筑圍護結構低能設計優化，本文提出基于屈曲分析和承載應力評估的裝配式建筑圍護結構低能設計方法。分析裝配式建筑圍護結構的自振頻率、振型和阻尼比等動力特性，根據場地烈度、場地類別得到裝配式建筑圍護結構的應力屈服響應取值為[-1,1],Φ為對立度系數，取值為-1。采用錨固方式進行裝配式建筑圍護結構的負荷加載，分析負荷加載下裝配式建筑圍護結構的彈性模量、屈服強度de和fe，得到裝配式建筑圍護結構基本周期點處的推覆截面軸力表達式

式中，N(x)表示裝配式建筑圍護結構屈服面本構變形增量，M(x)為現澆剪力墻與裝配整體式模型的屈服響應特征分布，在截面彎矩約束下，構建裝配式建筑圍護結構低能耗抗拉力承載力的單元平衡方程，依據Euler-Bernoulli梁理論，得到裝配式建筑圍護結構體系的低能耗抗拉力承載力受力狀態增量：

式中，Vt1表示裝配式建筑圍護結構體系截面內力，Vu1表示最大彈塑性頂點位移，ΔVt表示裝配式建筑圍護結構的低能耗抗拉力承載力的屈服機制，假定裝配式建筑圍護結構體系的低能耗抗拉力承載力足夠大以保證不屈服，對加固試件進行動力特性分析，得到裝配整體式模型結構的塑性位移

式中，dei為裝配式建筑圍護結構外核心區的應力分配系數，dpti表示現澆剪力墻結構邊緣構件的鋼筋彈性模量，計算裝配整體式模型的低能耗抗拉力承載力的受力模型

結合受力參量估計方法進行裝配式建筑圍護結構的應力屈服響應評估，測試裝配式建筑圍護結構體系的低能耗抗拉力動態承載力，進行裝配式建筑圍護結構的動力特性分析。

2.2 裝配式建筑圍護結構低能耗設計

采用屈曲分析方法進行能耗控制和承載應力評估，得到裝配式建筑圍護結構的低能耗抗拉力承載力控制的平衡解滿足

結合約束條件，得到裝配式建筑圍護結構的低能耗抗拉力承載力的約束進化方程描述為

式中，z1,z2是剪力墻軸向承載力參數，y為載荷分離特征量，采用試件軸壓試驗方法進行裝配式建筑圍護結構體系的低能耗抗拉力承載力的自動加載，建立動量守恒方程為

忽略連接件豎向擾動影響，在裝配式建筑圍護結構體系的自身重力作用下，輸出的能開銷滿足

3 實驗測試分析

為了驗證本文方法在實現裝配式建筑圍護結構低能耗設計中的應用性能，進行實驗分析，實驗采用有限元分析軟件進行仿真裝置，結合裝配式建筑圍護結構的布置方式，給出裝配整體式模型結構（如圖2所示）。

圖2 裝配式建筑圍護結構布置模型

根據圖2的布置模型，設定原結構混凝土強度等級為C50，采用普通硅酸鹽水泥P.O42.5作為主料進行圍護結構設計，彈性模量設定為Ec=3.43×106，鋼筋彈性模量 Es=32.34×106psi，谷值荷載為2000kN，根據結構的能耗特性確定維護結構模型的結構設計配筋比為102：1，板帶邊界剛性約束特征量為2.34，根據上述參量設定，得到裝配式建筑圍護結構的有限元模型（如圖3所示）。

圖3 裝配式建筑圍護結構的有限元模型

根據圖3的有限元結構，進行裝配式建筑圍護結構的局部屈曲數值結果與試驗結果對比，得到結果如圖4所示，能耗參數測試結果見表1。

圖4 局部屈曲數值結果與試驗結果對比

表1 參數測試結果

分析得知，采用屈曲分析方法進行能耗控制和承載應力評估，實現對裝配式建筑圍護結構低能耗優化設計，設計的裝配式建筑圍護結構的能耗較低，強度較大，連接部位的強度和延性都較好。

4 結語

對裝配式建筑圍護結構的優化設計，構建裝配式建筑圍護結構的承載力學分析模型，采用彈性模量特征分析方法，進行裝配式建筑圍護結構的能耗特性分析，本文提出基于屈曲分析和承載應力評估的裝配式建筑圍護結構低能耗設計方法。根據裝配式建筑圍護結構的材料特性建立建筑結構力學承載模型，進行裝配式建筑圍護結構的有效連接，根據結構的能耗特性確定維護結構模型的結構設計配筋比，采用屈曲分析方法進行能耗控制和承載應力評估，實現對裝配式建筑圍護結構低能耗優化設計。研究表明，設計的裝配式建筑圍護結構的能耗較低，強度較大，連接部位的強度和延性都較好，在裝配式建筑圍護結構的低能耗設計中具有很好的應用價值。