混凝土石膏板计算模子与实际工程动力测试

混凝土-石膏板计算模型与实际工程动力测试摘要：本文将均质化理论引入混凝土-纤维增强石膏板（简称复合墙板）的计算。建立了复合墙板的代表性体积单元（RVE）模型，应用有限元分析程序ANSYS对此RVE模型进行模拟，获得其等效弹性常数，为结构的有限元计算提供了有效途径。通过对一复合墙板结构试点工程进行的动力特性测试，测试结果与均质化的计算结果比较吻合，表明这种模型用于计算复合墙板结构的可行性。最后对复合墙板结构与钢筋混凝土剪力墙结构的动力反应特性作了比较，结果表明复合墙板结构具有优于钢筋混凝土剪力墙结构的抗震性能。关键词：纤维增强石膏板；等效体积单元；均质化；有限元分析；动力特性；地震反应CalculationModelofconcrete-plasterboardAndAnalysisonDynamicCharacterofExperimentalStructureAbstract:Inthispaper,theoryofhomogenizationwasintroducedintothecalculationofconcrete-plasterboard(compositewallboard)andRepresentativeVolumeElement（RVE）modelofcompositewallboardwasestablished.ElasticconstantsofRVEareobtainedbyusingFEAsoftware,ANSYStosimulate,whichprovideaneffectivewaytoFEAcalculation.Bythemeasurementofdynamiccharacteristicsforanexperimentalstructureofcompositewallboard,testedresultsagreewellwithanalyticalonesofhomogenization,whichprovedthefeasibilityofRVEmodeltocalculatestructureofcompositewallboard.Finallythecomparisonofdynamiccharacterofstructureofcompositewallboardandshearwallofreinforcedconcreteprovedthattheformerissuperiorinseismicperformancetothelatter.Keywords:Fiber-reinforcedPlasterboard；RepresentativeVolumeElement（RVE）；Homogenization；FiniteElementAnalysis；Dynamic1.前言混凝土灌芯纤维增强石膏板建筑体系具有防火、自重轻、抗震性能好、施工简便等优点，其发展和应用顺应了我国墙体材料改革的需要，是一种很有推广前途的建筑体系。该体系中的基本承重构件——混凝土灌芯纤维增强石膏板（以下简称复合墙板）是在工厂制作定型的纤维增强石膏板，现场按设计拼装后在板的空腔中浇筑混凝土，通过纤维增强石膏板将各个混凝土芯柱连接在一起，共同受力，形成类似于混凝土剪力墙的承重构件，板的形式如图1所示。图1复合墙板剖面图复合墙板在无震害国家澳大利亚应用较多，为使该墙板能适用于我国地震区，需对其结构形式、构造做法进行改进，并对其抗震性能进行研究。文献[1]对不同高宽比的满灌、隔孔灌的复合墙板试件进行了低周反复荷载作用下的试验研究，但未涉及到实际结构在地震作用下的动力反应特性。本文对一地处天津的该结构体系试点工程的动力特性进行了实测，并将均质化理论引入复合墙板的计算，对该结构的自振特性和动力反应进行了计算分析。2．基于均质化理论的复合墙板计算模型2．1均质化理论与代表性体积单元混凝土灌芯纤维增强石膏板是由石膏板和混凝土构成的有规则的组合材料（结构）。与其它单一结构材料相比，其物理性质不均匀，承受外荷载时各组成材料间的受力关系复杂。文献[1]按照复合墙板的实际形态，把墙板离散成石膏板和混凝土，将其分别考虑成不同的单元，对墙板试件进行分析，取得较好的效果，但对于整体结构计算会受到计算机容量和机时等的限制。为了能够分析整体结构，需提出简化的计算模型。为此，本文采用均质化方法[2][3][4]，将复合墙板视为周期性复合连续体，并将其组成材料的所有几何和本构信息都融入到一个代表性体积单元RVE（RepresentativeVolumeElement）中，得到代表性体积单元的各种力学特征，然后将代表性单元应用于整体结构计算。把复合墙板作为连续介质材料来分析大型结构，至关重要的是获得可靠的墙板等效材料特性，从而采用一种单元形式来进行有限元分析。本文采用有限元方法对代表性体积单元进行模拟，用有限元软件ANSYS求得它的等效弹性常数。2．2复合墙板RVE的选取与有限元模型选取RVE应遵循如下原则：(1)包括所有组成复合墙板的材料；(2)按照周期性和连续分布的规律组成完整的结构[3]。图2复合墙板RVE单元为此，本文选取了如图2所示厚度为120mm的复合墙板代表性体积单元，即取相邻石膏隔板中心线之间的部分作为一个复合墙板RVE。RVE的长为250mm，高h取250mm(一般应≥250mm)，采用矩形参照系[2]。其组成材料(石膏板和混凝土)均被理想化为各向同性材料，有各自的材料属性。奴2津．菜3计众等效体腿积单元欠的本构挪关系勤等效后树的复合歌墙板视胀为一正糠交各向爽异性体班。墙正交各桥向异性御体在无晴剪应力壁时的弹位性本构势关系如络下：(1)威式中歇,可，束，暖是各个炮方向上夕的泊松部比，第狭一下标幻表示作离用力的锈方向，童第二下盛标表示相由作用咸力引起理伸缩的苹方向。靠当仅有体时，上斗式简化贡为钳:震灶许穗禾踢撇愤僵拳属（呼2废）雕即户计隙骡广熟闲销想锦棒壶（驻3干）涨2谋．减4惑声等效弹斤性常数蒜的模拟亦在不考甘虑位移戒突变的贤前提下他，当在橡等效体挨积单元站RVE贺上施加葛一整体挪均匀应奥力场或盖变形场淹时神[3]息，平均符应力和掏平均应孕变分别煌为：奔,防除浅绿反冬豪葵嫌践滔轰(4)细俭其中古是竿RV访E劫的体积恼；但和歼分别是似应力和句应变的砖各个分洽量。明基于这却一点，仅本文采计用了在梅RVE阅上施加称不同约裕束和荷智载的模舅拟方法走，再由费式报(4换)案和挨(5鉴)樱求取平群均应力闸和平均怪应变。鸟为了求掠得冈RVE抢的等效进弹性模列量和等葬效泊松各比，本听文采用役以下模愁拟试验醋的计算已方法：陪以渠y自埋向单轴尊受压为惑例，首盯先在巴RVE刘顶面上廊施加一板微小的攻y伙向位移哨，此微茧小位移田应保证畏RVE郑处于弹伍性受力毯状态下底，并同马时约束熔底面的塌y铅向位移掀；然后瞎求出该宗位移下明RVE矛在师y谣向、荒x成向和洁z新向的应羞变，即底相应方昌向上变违形后边困长与变戴形前边式长之差射除以变微形前边蛮长；最腿后，按斥照各向设异性材洒料在单制轴受力油的特殊够情况下沫，利用先式纪(2疼)智求得各懂个方向汤上等效爆的弹性缸模量和仅泊松比词。跨本文采庸用对不赌同尺寸尝的旦RVE氏模型进局行模拟籍的方法暴来避免耐单元的陷尺寸效缝应对有劫限元模夸拟结果删的影响塘。经过舍对不同态尺寸的讽RVE勒的分析水比较，填表明尺企寸效应名对等效君弹性常漫数的模油拟结果盆影响甚豆小，因嘴此利用貌本文所挺取绝RVE弊得到的暴等效材乌料特性挂是可靠索的。化3渔．试点局工程动蚊力特性浙测试恩3照．纷1鹊迫工程概符况宾测试工规程为复拔合墙板固建筑体迈系研究始与应用需项目试趴验工程吗，位于骆天津市洗南开区幅芥园道吩康华里肃。建筑诞面颜积副229俯4.葱6宪平方米锤，六层挠两单元碰。建筑先纵向晌长每29.晶16征m派，横向材长仓13.茶14俭m肌。建筑蚁层天高弃2.浇9撞米，六踢层标户高踪17.抖4佛m拦，室外架标影高傅-0.眠600俩m术。外墙瓦为速成暮墙板外状贴保温数材料，毕内墙为枕速成墙晓板刷涂腹料，其失中底层肤和楼梯篮间为双驼层墙板委，其余蛮各层为墓单层墙典板。楼巡面励为叉120砌m堤m涂厚现浇梦钢筋混奥凝土楼葛板，屋晋面形式寿为坡屋窑顶。建秒筑平面奋布置如妄图味3遵所示。愉图擦3厘葛建筑平鸽立面图朵3题．戚2乡坑动力特箭性实测叮测试内赌容包括唉纵向平甜移振动寸和横向美平移振等动两种别情况。河将传感闹器布置牧在每层血平面岸的嫂7陡轴中心券处，该阴点近似丈认为是蓝结构平席面的刚表度中心琴。每层乒各布置葱两个水费平振动渡测点，时分别测纠量沿短垂轴和沿查长轴的引模态参由数。自贴下而上遭共梯1裳4心个测点哭。测点武位置如渴图坡3冲所示（蚀图中圆东圈即为辜测点位郊置）。驼实测采聪用脉动纳法，即萍将地面既或周围考环境的狗微幅振浸动作为咱激励源制，采用拣清华大五学精密夺仪器系慰生产惜的贯D包P半型低频列振动传搜感器接掉收建筑尚物的振争动信号愤，并将港信号输敏入到电阻压放大圣器，由匀北京东烫方振动移噪声研拍究所生贺产嫂的和INV润-30炉6驳数据自赠动采集萝处理系蓬统进行惧信号记酷录和数亏据处理疏，从而析得到建铜筑物的晋动力特涉性。绿实测结塞果如逮表促1扁所示。铜表邮1片庄动力特辫性实测杏结果难X疗方向扩Y畅方向如自振频饼率岭(H耗z)喘2.6虏791建2.8蒸535显自振周选期（程s猾）我0.3麻732弓0.3悬504象阻筐复尼凝优比闹（魔%列）袄6.1什6穴5.3已8个4待．实际颤工程结言构动力浑分析睡4娃．丘1扒泰振型分馋析矩本文将秘复合墙该板简化销为等效兵的正交锅异性均械质板，亿采捎用啦RV营E邮方法求畅得复合鹅墙板的殊弹性常妖数，为倚有限元羞分析和晓工程设哗计提供贩必要参蛮数。对丛结构进策行离散拢化时，厉复合墙萍板和楼名板均离柏散为板姿壳单元少。为简仍化计算或模型，咬将门窗桑洞口上匪过梁纳陆入到墙栗板中，榨不另作觉为梁单纯元考虑音。斜屋至面因为菠采用泡扰沫得C填S双板，其靠质量及森刚度较革小，故磁不作为劫承重结首构，仅邪将其质杀量集中问到顶层船楼面处享。计算多模型的转基底取才在结构洁的基础铜顶面之育上，视辟为完全额固定端运。耳为了确碎定建筑嘴物的自嚼振特性燕，以便狂为振型赛分解反蛮应谱法传分析地玩震反应眠提供必盲要条件炉，并考辜察振型刮受模型棚简化的垃影响，膜采用了简以下两羊种模型忙进行分润析：良模累型析1思将楼板饲作为弹狱性楼板筒；签模虽型某2鞋将楼板坡视为刚轮性楼板他。盼对于模雨型茎1沫，采用冷子空间瞧法分析怀得到结蕉构的牺前踩1俊0宁阶自振累周期和妇相应的框振型，阶结果列交于铜表愉2劈。由计预算结果善及振型习图可知积：其中致第菜1坟周期对火应的振听型以结屋构陕x似向水平子振动分冶量为主急的纵向差振动，测第按2邀周期对扛应的振万型以结解构熟y咳向水平妙振动分跨量为主辨的横向绑振动。渴第甩3炮周期对徒应的振唐型则表居现为以滑质量中藏心为扭碑转中心碰的各层摄的平面兵内扭动让振动，补包含裕量挽x城、锐y糕两个方基向的振隐动分量宜。军对于模波型极2琴，由于尿采用了演楼板平点面内刚容度无穷嘉大假定捆，平面奉内各节蜜点具有枝相同的谷平动位佛移，形辛成中“攻质量串达模耐型萄”应。增加沟了模型述的刚度朝。与模强型辨1收比较，映其自振河周期变险小。省表他2落确不同模怖型的计禾算自振跪周期激计扔悼歌算叨方肉茶划法饮自这为振庙逆周脉蚕期耍（篮s魂）阶1早2世3陡4逼5伐6锅7惠8逮9冠10匙模废型竟1资0.3营47厦0.2棵40甘0.1彻92佣0.1已11就0.1晚10稿0.1泡07哲0.0惊99逃0.0雕96品0.0壶91厌0.0日89撞模真型贸2钓0.3郑37缠0.2篇26尚0.0争89钻0.0梳54荡0.0软36煮0.0条22悉0.0稳19臣0.0粘14皂0.0鞠13怎0.0之13卧表修3期给出了棒脉动法垒实测值电和有限晌元的计匆算值，品可以看写出，计届算的一猾阶频率就和振型拣与实测雨结果吻村合较好宽，但二田阶计算汤频率小料于实测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