装配式建筑围护结构低能耗优化设计方法

汪 斌，罗 磊

（黄山学院建筑工程学院，安徽黄山245041）

0 引言

装配式建筑是采用集成框架结构设计的一体式建筑，将装配式建筑应用在房地产行业中，能设计各式各样的建筑体，提高了建筑节能性的同时，还能提高建筑效率[1]。进行装配式建筑围护结构的能耗特性分析，可促进装配式建筑围护结构的优化设计和结构力学分析[2]。本文提出基于屈曲分析和承载应力评估的装配式建筑围护结构低能设计方法。

1 建筑结构力学承载模型及围护结构连接方法

1.1 建筑结构力学承载模型

为了实现装配式建筑围护结构低能耗优化设计，根据装配式建筑围护结构的材料特性建立建筑结构力学承载模型[3]。装配式建筑围护结构体系的低能耗抗拉承载内力分布表示为

式中，B(x)表示装配式建筑围护结构的负荷几何变换矩阵，为

其中，ξ∈[-1,1]，表示装配式建筑围护结构的低能耗抗拉力承载的线性插值分量，在变形增量约束下，分析装配式建筑围护结构的裂缝形态及其形成机理。在水平荷载作用下，在装配式建筑围护结构的应力承载分布可行域Rd内分析装配式建筑围护结构体系的剪应变特征量[4]，得到装配式建筑围护结构低能耗承载力学控制方程为

式中，ub表示装配式建筑围护结构的切线刚度，cs表示装配式剪力墙子结构的弹性内力增量，取SCBRB构件混凝土构建作为装配式建筑围护结构的剪力墙[5]，得到混凝土强度和弹性模量分布荷载为

预先设定装配式建筑围护结构体系的低能耗抗拉力承载力结构强度，装配式建筑围护结构体系的低能耗抗拉力承载力推覆侧向应力输出为

式中，ρ表示加载的材料密度，xi为构件层面的承载能力，在装配整体式结构的现浇连接部位，根据相同的现浇剪力墙结构分布进行动态应力特征分析，提高装配整体式结构的低能耗承载力。

1.2 建筑围护结构有效连接方法评估

考虑装配整体式结构中预制墙板的承载性能，采用套筒灌浆连接和浆锚搭接连接方法进行装配式建筑围护结构的有效连接[6]，如图1所示。

图1 建筑围护结构有效连接结构图

根据图1的连接结构图，分析装配式建筑围护结构的自振频率、振型和阻尼比等动力特性，结合装配式建筑围护结构体系的低能耗抗拉力承载力测试方法进行应力屈服响应评估[7]，得到第n+1、n时步内装配式建筑围护结构的抗拉力承载徐变控制模型

根据围护结构的连接形式和水平侧向的屈服应力推覆作用，进行装配式建筑围护结构体系的低能耗控制[8]。装配整体式与现浇剪力墙模型结构的并联结构模型中，装配式建筑围护结构体系抗疲劳断裂的安全允量满足，得到装配式建筑围护结构浇剪力墙结构边缘构件的线性化方程

计算每条支链上装配式建筑围护结构体系的低能耗抗拉力承载力黏滞阻尼状态参数为δ，与状态XRM,VRM,θP,ωP是互不相关的，用y表示现浇剪力墙模型的应力阻尼分布矩阵L(Z2+Z3)-1LT与MT(Z2+Z3)-1MT的Bergmann核，由此判定装配式建筑围护结构体系的低能耗抗拉力承载性能是否稳定，判决方程

分析装配式建筑围护结构的自振频率、振型和阻尼比等动力特性，将装配式建筑围护结构体系低能耗抗拉力承载评估问题转换为装配整体式模型结构评价问题[9]，得到装配式建筑围护结构的低能耗有效连接方法评价规则如下：

根据相邻层在楼板面的连接方式的同态性，构建装配式建筑围护结构的套筒灌浆连接模型[10]，得到装配式建筑围护结构输出动能T和势能V：

每次改变现浇剪力墙与装配整体式模型尺寸参数时，根据结构的能耗特性确定维护结构模型的结构设计配筋比，进行低能耗优化参考模型设计。

2 装配式建筑围护结构低能耗设计优化

2.1 装配式建筑围护结构动力特性

在上述构建了建筑结构力学承载模型的基础上，进行装配式建筑围护结构低能设计优化，本文提出基于屈曲分析和承载应力评估的装配式建筑围护结构低能设计方法。分析装配式建筑围护结构的自振频率、振型和阻尼比等动力特性，根据场地烈度、场地类别得到装配式建筑围护结构的应力屈服响应取值为[-1,1],Φ为对立度系数，取值为-1。采用锚固方式进行装配式建筑围护结构的负荷加载，分析负荷加载下装配式建筑围护结构的弹性模量、屈服强度de和fe，得到装配式建筑围护结构基本周期点处的推覆截面轴力表达式

式中，N(x)表示装配式建筑围护结构屈服面本构变形增量，M(x)为现浇剪力墙与装配整体式模型的屈服响应特征分布，在截面弯矩约束下，构建装配式建筑围护结构低能耗抗拉力承载力的单元平衡方程，依据Euler-Bernoulli梁理论，得到装配式建筑围护结构体系的低能耗抗拉力承载力受力状态增量：

式中，Vt1表示装配式建筑围护结构体系截面内力，Vu1表示最大弹塑性顶点位移，ΔVt表示装配式建筑围护结构的低能耗抗拉力承载力的屈服机制，假定装配式建筑围护结构体系的低能耗抗拉力承载力足够大以保证不屈服，对加固试件进行动力特性分析，得到装配整体式模型结构的塑性位移

式中，dei为装配式建筑围护结构外核心区的应力分配系数，dpti表示现浇剪力墙结构边缘构件的钢筋弹性模量，计算装配整体式模型的低能耗抗拉力承载力的受力模型

结合受力参量估计方法进行装配式建筑围护结构的应力屈服响应评估，测试装配式建筑围护结构体系的低能耗抗拉力动态承载力，进行装配式建筑围护结构的动力特性分析。

2.2 装配式建筑围护结构低能耗设计

采用屈曲分析方法进行能耗控制和承载应力评估，得到装配式建筑围护结构的低能耗抗拉力承载力控制的平衡解满足

结合约束条件，得到装配式建筑围护结构的低能耗抗拉力承载力的约束进化方程描述为

式中，z1,z2是剪力墙轴向承载力参数，y为载荷分离特征量，采用试件轴压试验方法进行装配式建筑围护结构体系的低能耗抗拉力承载力的自动加载，建立动量守恒方程为

忽略连接件竖向扰动影响，在装配式建筑围护结构体系的自身重力作用下，输出的能开销满足

3 实验测试分析

为了验证本文方法在实现装配式建筑围护结构低能耗设计中的应用性能，进行实验分析，实验采用有限元分析软件进行仿真装置，结合装配式建筑围护结构的布置方式，给出装配整体式模型结构（如图2所示）。

图2 装配式建筑围护结构布置模型

根据图2的布置模型，设定原结构混凝土强度等级为C50，采用普通硅酸盐水泥P.O42.5作为主料进行围护结构设计，弹性模量设定为Ec=3.43×106，钢筋弹性模量 Es=32.34×106psi，谷值荷载为2000kN，根据结构的能耗特性确定维护结构模型的结构设计配筋比为102：1，板带边界刚性约束特征量为2.34，根据上述参量设定，得到装配式建筑围护结构的有限元模型（如图3所示）。

图3 装配式建筑围护结构的有限元模型

根据图3的有限元结构，进行装配式建筑围护结构的局部屈曲数值结果与试验结果对比，得到结果如图4所示，能耗参数测试结果见表1。

图4 局部屈曲数值结果与试验结果对比

表1 参数测试结果

分析得知，采用屈曲分析方法进行能耗控制和承载应力评估，实现对装配式建筑围护结构低能耗优化设计，设计的装配式建筑围护结构的能耗较低，强度较大，连接部位的强度和延性都较好。

4 结语

对装配式建筑围护结构的优化设计，构建装配式建筑围护结构的承载力学分析模型，采用弹性模量特征分析方法，进行装配式建筑围护结构的能耗特性分析，本文提出基于屈曲分析和承载应力评估的装配式建筑围护结构低能耗设计方法。根据装配式建筑围护结构的材料特性建立建筑结构力学承载模型，进行装配式建筑围护结构的有效连接，根据结构的能耗特性确定维护结构模型的结构设计配筋比，采用屈曲分析方法进行能耗控制和承载应力评估，实现对装配式建筑围护结构低能耗优化设计。研究表明，设计的装配式建筑围护结构的能耗较低，强度较大，连接部位的强度和延性都较好，在装配式建筑围护结构的低能耗设计中具有很好的应用价值。