玻化微珠永久性保温墙模复合剪力墙结构体系研究

论文摘要

玻化微珠永久性保温墙模复合剪力墙体系是适应我国在住宅建筑中大力开展建筑节能、发展绿色建材、推进墙体革新的新形势而提出的新型建筑节能结构体系。其研究初衷就是要彻底取代砖混结构,使我国的住宅达到节能省地。本体系复合剪力墙采用玻化微珠保温砌块为墙模,将墙模对孔错缝砌筑,构成现浇墙体的模板,在模内形成空腔。墙模内部配置水平及竖向钢筋网片,沿墙模上部空腔灌注自密实混凝土,墙模与混凝土形成复合剪力墙,作为体系的承重和抗侧力结构。沿内外墙上部设置封闭式圈梁,楼板和屋盖采用现浇或装配整体式结构,构成墙体保温与结构一体化的完整体系。作为一种自保温体系,玻化微珠永久性墙模复合剪力墙体系是总结了国外的模板保温、免拆模板现浇承重墙和混凝土小型空心砌块承重墙等体系的成功经验,取其科学合理核心,与我国现行建筑结构做法相结合而形成的。该体系的特点表现在:实现了结构体系与保温隔热技术结合,结构施工过程中完成墙体保温施工;墙体保温性能好,显著高于现行建筑节能设计标准要求;结构体系为带缝剪力墙结构,结构变形能力强,可以实现抗震结构控制;体系在提高住宅适用性、安全性、耐久性、舒适性等住宅品质的同时,还带来了显著的经济效益。该体系适用于多层或中高层住宅建筑或纵横墙较多的公共建筑,可以用于抗震和非抗震地区,并可满足不同气候区的保温、隔热需要,符合我国节约土地、节约能源、节约用水和节约材料的“四节”可持续发展需要。本论文对玻化微珠永久性保温墙模复合剪力墙体系进行了较为系统的研究,论文的工作包括技术可行性研究、力学性能研究及经济性综合评价三个方面。技术可行性研究内容主要包括材料研制及墙模设计;力学性能研究包括复合剪力墙墙片的抗震性能研究及本体系试验楼模型的抗震动力分析;经济性综合评价包括评价模型的建立及综合评价实例。具体的研究工作主要包括:1.根据墙模的功能特点、有关规范规程要求及工程应用条件确定墙模特征及性能要求,在此基础上选择合适的原材料,通过理论分析和试验研究,研制出墙模适用的节能环保型无机保温材料,为墙模设计提供依据。其后结合数值模拟、热工计算结果及试验数据,对墙模进行设计。计算及试验楼施工实践均表明:该墙模作为外墙保温结构,能够满足国家最高的节能65%标准要求;同时作为墙体模板,保温墙模具有良好的抗弯性能和抗变形能力,能满足《混凝土结构工程施工及验收规范》中对模板的强度和刚度要求。2.墙片抗震性能试验研究及分析方面,进行了复合剪力墙轴心受压性能试验研究和有限元模拟,分析了其承载力和破坏过程。结果表明:在轴向压力作用下,复合剪力墙试件承载能力与普通剪力墙承载能力接近;试件出现延时破坏,破坏位置在墙模肋部周围,与设计破坏模式一致;试件平面外稳定性良好;在试验过程中,永久性墙模与带缝剪力墙始终共同受力,具有良好的协同工作性能。3.在试验研究的基础上,运用有限元分析程序ANSYS对该体系剪力墙进行非线性分析,研究带缝剪力墙构件的抗震性能,并与普通剪力墙对比。系统分析了带缝剪力墙在破坏模式、应力应变特点、刚度及延性等方面的特点和规律。分析结果表明:保温墙模带缝剪力墙构件在弹性阶段具有足够的强度和刚度,可以满足抗震设防第一水准要求,其承载力可以参照现有剪力墙计算公式计算;带缝剪力墙构件开裂后,墙模预设竖缝对墙体整体性能影响较大,改变了墙体的破坏形态,降低了结构的刚度;同时提高了结构的延性,增大其耗能能力,而构件的刚度退化现象也没有发生突变,性能稳定,使结构具有刚度小、阻尼高、延性好和耗能能力强的特点,满足在多遇地震下的抗震设防要求。其后根据正交试验原理,研究了轴压比、剪跨比、墙厚、配筋率及组合柱等因素对带缝墙的承载力及破坏形态、变形能力等抗震性能的影响。4.通过建立符合实际工作情况的三维空间有限元模型,对该结构体系试验楼模型进行了模态分析、振型分解反应谱分析及时程分析。分析表明该体系自重轻,受力变形较小,抗震性能好。带缝剪力墙与普通剪力墙的变形基本相同,层剪力、层位移较接近,在结构整体设计时,带缝剪力墙结构可简化为普通剪力墙结构进行截面设计与配筋;带缝剪力墙应力较大值发生在试验楼墙模的隔板周围,即剪力墙体系开缝周围为结构薄弱部位,分布较为分散,符合墙模设计时提出的“限定地震破坏形式”的构想。5.运用系统工程、价值工程、全寿命周期评价及层次分析法等理论和方法,构建了该体系的性能评定指标体系,确定了性能的量化评价方法。并根据节能建筑实际建立了住宅全寿命周期成本计算数学模型。在确定了住宅性能及成本的基础上,建立了住宅价值工程测评体系。运用本文建立的住宅价值工程测评体系,进行住宅的经济效果综合评价。经济性综合评价结果表明:该体系的性能成本比(价值)显著高于外墙采用有机保温材料的剪力墙体系及砖混结构体系,其综合经济效益是最优的。该课题的研究开发,有助于在山西省及类似地区推广使用新型结构体系和新型建筑材料,更好地节约能源、保护耕地。该研究课题获得国家自然科学基金的资助(项目号:50778118):并获得山西省自然科学基金的资助(项目号:2006011050)。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 本文研究背景
• 1.2.1 我国能源现状与建筑节能的重要性
• 1.2.2 墙体材料革新
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 新型墙体材料研究概况
• 1.3.2 新型建筑节能体系
• 1.3.3 带缝剪力墙研究概况
• 1.4 玻化微珠永久性保温墙模复合剪力墙体系
• 1.4.1 体系的提出
• 1.4.2 体系的技术经济特点
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第一篇 体系技术可行性研究
• 第二章 节能环保型墙模材料的研制
• 2.1 原材料的选用及主要技术指标
• 2.1.1 无机保温骨料——玻化微珠
• 2.1.2 胶凝组分
• 2.1.3 增强纤维
• 2.1.4 改性添加剂
• 2.1.5 外加剂
• 2.2 墙模材料的特征要求及配合比设计原则
• 2.2.1 保温墙模材料的特征要求
• 2.2.2 保温墙模材料的机理分析
• 2.2.3 配合比设计原则
• 2.3 保温墙模材料性能试验研究
• 2.4 配套材料的性能
• 2.4.1 砌筑砂浆的性能指标
• 2.4.2 轻质抹面砂浆的性能指标
• 2.5 节能环保型墙模材料的绿色评价
• 2.5.1 节能环保型墙模材料的技术先进性
• 2.5.2 节能环保型保温材料的绿色性
• 2.5.3 节能环保型保温材料的经济性
• 2.5.4 节能环保型保温材料的综合评价
• 2.6 本章小结
• 第三章 玻化微珠永久性保温墙模的设计
• 3.1 永久性模板的研制意义
• 3.2 保温墙模的设计原则
• 3.3 保温墙模的厚度确定
• 3.3.1 满足经济要求的砌块厚度
• 3.3.2 热工计算
• 3.4 保温墙模高度及墙模内部隔板位置确定
• 3.4.1 墙体模拟分析概述
• 3.4.2 保温墙模外形尺寸
• 3.5 墙模强度及刚度验算
• 3.5.1 设计荷载
• 3.5.2 设计规定
• 3.5.3 墙模强度及刚度验算
• 3.6 保温墙模复合剪力墙施工技术
• 3.6.1 概述
• 3.6.2 施工准备
• 3.6.3 复合剪力墙施工
• 3.6.4 施工质量与工程验收
• 3.7 本章小结
• 第二篇 体系力学性能研究
• 第四章 永久性墙模复合剪力墙轴向受压性能研究
• 4.1 试件设计
• 4.1.1 试件尺寸及配筋
• 4.1.2 试件应变片布置
• 4.2 试验概况及试验过程
• 4.2.1 试验设备及量测仪器
• 4.2.2 试验概况
• 4.2.3 试验过程及试件变形描述
• 4.3 试验结果及分析
• 4.3.1 试验结果
• 4.3.2 结果分析
• 4.4 带缝复合剪力墙与普通剪力墙模拟对比分析
• 4.4.1 试件设计
• 4.4.2 模拟结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 钢筋混凝土非线性有限元分析理论
• 5.1 钢筋混凝土非线性问题的基本理论
• 5.1.1 单元建模方案
• 5.1.2 钢筋混凝土的单元选取
• 5.1.3 加载板单元选择
• 5.2 钢筋和混凝土材料的本构模型
• 5.2.1 钢筋的本构关系
• 5.2.2 混凝土的本构关系
• 5.3 混凝土模型的破坏准则和裂缝模式
• 5.3.1 混凝土破坏准则
• 5.3.2 混凝土的裂缝模式
• 5.4 有关数值计算方法
• 5.5 本章小结
• 第六章 小剪跨比带缝剪力抗震性能模拟分析
• 6.1 有限元模型的建立
• 6.1.1 试件设计
• 6.1.2 材料参数确定
• 6.1.3 试件轴压比确定
• 6.2 剪力墙基本破坏过程
• 6.2.1 裂缝表示原理和表示方法
• 6.2.2 普通剪力墙破坏过程及形态
• 6.2.3 带缝剪力墙破坏过程及形态
• 6.2.4 带缝墙与普通墙Vonmises应力分析
• 6.3 承载力与变形能力分析
• 6.3.1 荷载特征值
• 6.3.2 带缝剪力墙承载力影响因素分析
• 6.3.3 带缝剪力墙钢筋应变分析
• 6.3.4 带缝剪力墙有限元与理论承载力计算比较
• 6.3.5 试件的位移延性系数、割线刚度、屈强比
• 6.3.6 骨架曲线
• 6.3.7 恢复力模型
• 6.4 本章小结
• 第七章 大剪跨比带缝剪力墙抗震性能模拟分析
• 7.1 有限元模型的建立
• 7.2 剪力墙基本破坏过程
• 7.2.1 带缝剪力墙破坏过程形态描述
• 7.2.2 带缝墙与普通墙Vonmises应力分析
• 7.3 承载力与变形能力分析
• 7.3.1 荷载破坏过程主要特征值
• 7.3.2 带缝墙钢筋应变分析
• 7.3.3 带缝剪力墙有限元与理论承载力计算比较
• 7.3.4 试件的位移延性系数、割线刚度、屈强比
• 7.3.5 骨架曲线
• 7.3.6 恢复力模型
• 7.4 本章小结
• 第八章 复合剪力墙结构体系试验楼抗震动力分析
• 8.1 工程概况及有限元模型的建立
• 8.1.1 工程概况
• 8.1.2 有限元模型
• 8.2 模态分析
• 8.2.1 基本理论及求解方法
• 8.2.2 模态分析
• 8.3 谱分析
• 8.3.1 基本理论
• 8.3.2 地震反应谱分析
• 8.4 时程分析
• 8.4.1 基本理论
• 8.4.2 地震波的基本参数
• 8.4.3 阻尼取值
• 8.4.4 时程分析结果
• 8.5 本章小结
• 第三篇 体系经济性综合评价
• 第九章 复合剪力墙结构综合评价的基本原理及模型
• 9.1 复合剪力墙结构综合评价的理论依据
• 9.1.1 系统工程理论
• 9.1.2 全寿命周期成本理论
• 9.1.3 可持续发展理论
• 9.1.4 价值工程理论
• 9.1.5 层次分析评价理论
• 9.2 体系综合评价的基本思路
• 9.3 性能评价指标体系的建立
• 9.3.1 性能评价指标建立的原则
• 9.3.2 住宅性能测评指标体系的指标设定
• 9.4 住宅性能的评价方法
• 9.4.1 权重确定方法选择
• 9.4.2 层次分析法
• 9.4.3 确定指标因素及各因素的权重
• 9.4.4 计算各层次指标权重
• 9.4.5 性能评分值的确定方案
• 9.4.6 体系最终性能得分
• 9.5 寿命周期成本确定
• 9.5.1 全寿命周期成本内涵
• 9.5.2 全寿命周期成本计算数学模型
• 9.6 评价方法和评价准则
• 9.7 本章小结
• 第十章 玻化微珠保温墙模复合剪力墙结构综合评价
• 10.1 研究体系概况
• 10.1.1 试验楼有关参数
• 10.1.2 围护结构构造做法
• 10.2 复合剪力墙体系及对比体系性能得分
• 10.3 复合剪力墙体系及对比体系全寿命周期成本
• 10.3.1 复合剪力墙体系及对比体系建造费用
• 10.3.2 复合剪力墙体系及对比体系能耗计算
• 10.3.3 复合剪力墙体系及对比体系寿命周期成本
• 10.4 体系价值指数确定及评价
• 10.4.1 复合剪力墙体系及对比体系性能指数
• 10.4.2 复合剪力墙体系及对比体系成本指数
• 10.4.3 复合剪力墙体系及对比体系价值指数
• 10.5 本章小结
• 第十一章 结论与展望
• 11.1 结论
• 11.2 展望
• 参考文献
• 附录1 剪力墙试件配筋及应变片布置图
• 附录2 试验楼平、立面图
• 附录3 复合剪力墙体系施工图预算
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果