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摘要本文在分析生态复合墙板试验研究的基础上，对墙板在外部荷载作用下墙体变形与刚度特性进行理论分析，建立相应的力学计算模型，并采用刚度等效原则提出在弹性阶段墙板刚度的实用计算方法。
关键词 生态复合墙等效刚度 计算模型
中图分类号：C35文献标识码： A
1.前言
生态复合墙板轻框结构体系中的基本承重构件。生态复合墙板是由密布的钢筋混凝土肋梁、肋柱及内嵌轻型砌块构成[1-2]如图1所示。复合墙板框格在加入填充砌块后，承载能力明显提高，原因是在砌块和框格单元之间存在着相互作用，一方面，块体受到框格的约束，使砌块在双向受压状态下承载力提高。另一方面，框格又受到块体的反约束，使框格的刚度大幅度提高，两者相互支持，充分发挥各自特点[3]。本文参照课题组之前做过的试验基础上对生态复合墙的刚度进行分析[4]。
图1生态复合墙体示意图
2.生态复合墙刚度计算模型
生态复合墙板在加载开始，肋梁、肋柱处于弹性工作阶段，填充砌块由于强度低，随着荷载的增加将出现微裂缝，并逐渐发展延伸，但由于填充块与混凝土框格接触紧密，对其有较强的约束作用，限制裂缝的开展，只停留在框格内，不会出现贯穿整个框格的裂缝，此时墙板的承载力没有出现明显降低，变形也没有显著增大，整个墙板仍属于弹性变形阶段。此时墙板的计算模型可采用“刚架一平面单元”模型，即假定混凝土框格与填充块在结合处变形协调，二者之间无裂缝产生，从而将肋梁、肋柱组成的框格作为刚架，将填充块作为平面应力单元内嵌于刚架之内，形成整体抗侧力体系，对框格和填充块进行单元划分，采用有限元方法对墙板在弹性阶段的工作状态进行计算分析。
荷载逐渐增大，肋梁、肋柱开始进入弹塑性阶段，框格出现细小裂缝，但钢筋并未屈服；砌块的裂缝继续扩大，随着荷载的持续变化，有部分裂缝贯穿整个砌块，并且在框格与砌块的结合处出现裂缝，砌块对框格的支撑作用有所下降，二者的相互作用方式逐步由”钢架——斜压杆”转化为“框格——斜撑”工作状态。墙板能够继续有效的承担外部荷载，且肋梁、肋柱无明显的局部弯曲变形，墙板的整体变形仍是弯剪型。此时墙板的计算模型可取为“刚架一斜压杆”模型，以混凝土框格为刚架，将砌块 块等效为一斜压杆对刚架起支撑作用。在此确定等效斜压杆的宽度为主要问题，试验研究及理论分析表明，影响等效斜压杆宽度的主要因素有：框格中柱与砌块相对刚度的比值；砌块体材料的本构关系；砌块的高宽比等。继续增大荷载，肋梁、肋柱中的裂缝继续扩大，部分框格中的钢筋达到屈服，出现塑性铰；砌块中的裂缝进一步扩展延伸，将其分割成若干小块，并有部分块体剥离脱落。砌块对框格的支撑作用减小，随着框格中塑性铰的出现，肋梁、肋柱将逐步由剛架单元转变为析架单元，此时墙板虽能继续承担一定的荷载，但变形发展较快。在此阶段,墙板的计算可采用“桁架”模型。同时由于填充块并未完全退出工作对框格仍有一定的支撑，可将其仍然作为斜压杆与框格共同工作，形成有效的桁架体系。斜压杆宽度的确定可参照上一阶段的方法，并考虑填充块体材料的强度、刚度的退化,对其进行适当的折减。
图2 三种计算模型
以上三种计算模型如图2所示。能够较真实的反映了生态复合墙板各个阶段的工作状态。由于特殊的构造使得生态复合墙板与普通砖墙砌体相比在变形和承载能力及抗震等方面均有显著提高。
在弹性阶段，密肋复合墙板中的混凝土框格与填充块紧密结合，在结合处变形协调，之间无裂缝产生，墙板以整体变形为主，类似于单一材料墙板的工作状态，墙板的刚度可采用“刚架一平面单元”模型进行计算，并且在此基础上,为了使刚度的计算简便实用，可以在保证墙板整体刚度不变的条件下将密肋复合墙板等效为一均质材料板，再对其刚度进行计算。
3.实体生态复合墙板刚度计算
保持墙板宽度不变,按刚度等效的原则将墙板中的混凝土和硅酸盐填充块按弹性模量等效为均与的硅酸盐板。如图所示2所示
图2均匀硅酸盐板
在弹性阶段墙体刚度计算入下图所示，计算由下式表示
图3弹性阶段墙体计算示意图
弯曲变形：
剪切变形：
总变形为：
墙板总刚度由下式表示：
弹性模量考虑到轴压比及肋柱、肋梁对硅酸盐砌块的影响，可给出密肋复合墙板弹性刚度实用计算公式如下
，，，
式中， ：砌块的弹性模量
：墙板截面等效厚度
：截面等效面积
：混凝土的弹性模量
：墙板的高厚比
：墙板的高度
：墙板的宽度
：轴压比（0.3≦≦0.6），≦0.3时，=0.3，≦0.6时，=0.6。
计算结果与试验实测数据比较
表1生态复合墙刚度计算值与试验值比较
墙板试件 轴压比 试验值
计算值
BN1 0.3 59.3 61.8 4.2%
BN2 0.3 66.4 61.8 6.9%
BN3 0.3 65.8 61.8 6.1%
BN4 0.3 68.8 70.6 2.6%
由表1可知，计算结果与实验值基本符合，其平均值4.95%，方差为0.0023，标准差为0.041。
4.开裂后墙板刚度退化：
由于考虑砌块对墙板整体抗荷载的贡献，因此生态复合墙是一种比较复杂的结构组合体砌块与框格之间的作用力和接触十分复杂。开裂后刚度可以按照“钢架——斜压杆”模型进行计算，也可以对墙板弹性阶段的刚度进行折减来确定，折减系数可以参考之前的研究成果。
5.结论
1）生态复合墙板中，砌块与框格相互约束，相互支撑，充分利用各自的特点共同受力，砌块也能有效的参与到墙板的抗侧力体系当中。整个墙板的抵抗外部荷载和变形能力得到了非常大的提高。
2) 采用刚度等效原则建立的墙板刚度计算公式能够与试验结果很好的吻合，也对整个墙板的受力分析提供更好的理论指导，也可以在实际工程设计上使用。
参考文献
[1]姚谦峰.密肋壁板轻框结构节能住宅体系研究[ J ].业建筑,2003,33(1) : 1.
[2]周铁钢,姚谦峰.多层密肋壁板结构房屋构造方法[J] .施工技术, 2003,32(10) :15.
[3]黄炜.密肋复合墙体抗震性能及设计理论研究[ J ] .西安建筑科技大学学报:自然科学版, 2005, 37(1):29.
[4]姚谦峰.轻型复合墙板受力性能试验研究.工程力学增刊,1994:724-727
[5]田英侠.密肋复合墙板框格与填充块相互作用机理研究,西安工业大学学报,2007,33(1):12.
[6]关海涛.密肋复合墙板简化计算模型研究[ J ] .工业建筑, 2003,33(1):13.
关键词 生态复合墙等效刚度 计算模型
中图分类号：C35文献标识码： A
1.前言
生态复合墙板轻框结构体系中的基本承重构件。生态复合墙板是由密布的钢筋混凝土肋梁、肋柱及内嵌轻型砌块构成[1-2]如图1所示。复合墙板框格在加入填充砌块后，承载能力明显提高，原因是在砌块和框格单元之间存在着相互作用，一方面，块体受到框格的约束，使砌块在双向受压状态下承载力提高。另一方面，框格又受到块体的反约束，使框格的刚度大幅度提高，两者相互支持，充分发挥各自特点[3]。本文参照课题组之前做过的试验基础上对生态复合墙的刚度进行分析[4]。
图1生态复合墙体示意图
2.生态复合墙刚度计算模型
生态复合墙板在加载开始，肋梁、肋柱处于弹性工作阶段，填充砌块由于强度低，随着荷载的增加将出现微裂缝，并逐渐发展延伸，但由于填充块与混凝土框格接触紧密，对其有较强的约束作用，限制裂缝的开展，只停留在框格内，不会出现贯穿整个框格的裂缝，此时墙板的承载力没有出现明显降低，变形也没有显著增大，整个墙板仍属于弹性变形阶段。此时墙板的计算模型可采用“刚架一平面单元”模型，即假定混凝土框格与填充块在结合处变形协调，二者之间无裂缝产生，从而将肋梁、肋柱组成的框格作为刚架，将填充块作为平面应力单元内嵌于刚架之内，形成整体抗侧力体系，对框格和填充块进行单元划分，采用有限元方法对墙板在弹性阶段的工作状态进行计算分析。
荷载逐渐增大，肋梁、肋柱开始进入弹塑性阶段，框格出现细小裂缝，但钢筋并未屈服；砌块的裂缝继续扩大，随着荷载的持续变化，有部分裂缝贯穿整个砌块，并且在框格与砌块的结合处出现裂缝，砌块对框格的支撑作用有所下降，二者的相互作用方式逐步由”钢架——斜压杆”转化为“框格——斜撑”工作状态。墙板能够继续有效的承担外部荷载，且肋梁、肋柱无明显的局部弯曲变形，墙板的整体变形仍是弯剪型。此时墙板的计算模型可取为“刚架一斜压杆”模型，以混凝土框格为刚架，将砌块 块等效为一斜压杆对刚架起支撑作用。在此确定等效斜压杆的宽度为主要问题，试验研究及理论分析表明，影响等效斜压杆宽度的主要因素有：框格中柱与砌块相对刚度的比值；砌块体材料的本构关系；砌块的高宽比等。继续增大荷载，肋梁、肋柱中的裂缝继续扩大，部分框格中的钢筋达到屈服，出现塑性铰；砌块中的裂缝进一步扩展延伸，将其分割成若干小块，并有部分块体剥离脱落。砌块对框格的支撑作用减小，随着框格中塑性铰的出现，肋梁、肋柱将逐步由剛架单元转变为析架单元，此时墙板虽能继续承担一定的荷载，但变形发展较快。在此阶段,墙板的计算可采用“桁架”模型。同时由于填充块并未完全退出工作对框格仍有一定的支撑，可将其仍然作为斜压杆与框格共同工作，形成有效的桁架体系。斜压杆宽度的确定可参照上一阶段的方法，并考虑填充块体材料的强度、刚度的退化,对其进行适当的折减。
图2 三种计算模型
以上三种计算模型如图2所示。能够较真实的反映了生态复合墙板各个阶段的工作状态。由于特殊的构造使得生态复合墙板与普通砖墙砌体相比在变形和承载能力及抗震等方面均有显著提高。
在弹性阶段，密肋复合墙板中的混凝土框格与填充块紧密结合，在结合处变形协调，之间无裂缝产生，墙板以整体变形为主，类似于单一材料墙板的工作状态，墙板的刚度可采用“刚架一平面单元”模型进行计算，并且在此基础上,为了使刚度的计算简便实用，可以在保证墙板整体刚度不变的条件下将密肋复合墙板等效为一均质材料板，再对其刚度进行计算。
3.实体生态复合墙板刚度计算
保持墙板宽度不变,按刚度等效的原则将墙板中的混凝土和硅酸盐填充块按弹性模量等效为均与的硅酸盐板。如图所示2所示
图2均匀硅酸盐板
在弹性阶段墙体刚度计算入下图所示，计算由下式表示
图3弹性阶段墙体计算示意图
弯曲变形：
剪切变形：
总变形为：
墙板总刚度由下式表示：
弹性模量考虑到轴压比及肋柱、肋梁对硅酸盐砌块的影响，可给出密肋复合墙板弹性刚度实用计算公式如下
，，，
式中， ：砌块的弹性模量
：墙板截面等效厚度
：截面等效面积
：混凝土的弹性模量
：墙板的高厚比
：墙板的高度
：墙板的宽度
：轴压比（0.3≦≦0.6），≦0.3时，=0.3，≦0.6时，=0.6。
计算结果与试验实测数据比较
表1生态复合墙刚度计算值与试验值比较
墙板试件 轴压比 试验值
计算值
BN1 0.3 59.3 61.8 4.2%
BN2 0.3 66.4 61.8 6.9%
BN3 0.3 65.8 61.8 6.1%
BN4 0.3 68.8 70.6 2.6%
由表1可知，计算结果与实验值基本符合，其平均值4.95%，方差为0.0023，标准差为0.041。
4.开裂后墙板刚度退化：
由于考虑砌块对墙板整体抗荷载的贡献，因此生态复合墙是一种比较复杂的结构组合体砌块与框格之间的作用力和接触十分复杂。开裂后刚度可以按照“钢架——斜压杆”模型进行计算，也可以对墙板弹性阶段的刚度进行折减来确定，折减系数可以参考之前的研究成果。
5.结论
1）生态复合墙板中，砌块与框格相互约束，相互支撑，充分利用各自的特点共同受力，砌块也能有效的参与到墙板的抗侧力体系当中。整个墙板的抵抗外部荷载和变形能力得到了非常大的提高。
2) 采用刚度等效原则建立的墙板刚度计算公式能够与试验结果很好的吻合，也对整个墙板的受力分析提供更好的理论指导，也可以在实际工程设计上使用。
参考文献
[1]姚谦峰.密肋壁板轻框结构节能住宅体系研究[ J ].业建筑,2003,33(1) : 1.
[2]周铁钢,姚谦峰.多层密肋壁板结构房屋构造方法[J] .施工技术, 2003,32(10) :15.
[3]黄炜.密肋复合墙体抗震性能及设计理论研究[ J ] .西安建筑科技大学学报:自然科学版, 2005, 37(1):29.
[4]姚谦峰.轻型复合墙板受力性能试验研究.工程力学增刊,1994:724-727
[5]田英侠.密肋复合墙板框格与填充块相互作用机理研究,西安工业大学学报,2007,33(1):12.
[6]关海涛.密肋复合墙板简化计算模型研究[ J ] .工业建筑, 2003,33(1):13.