1、20231Building Construction40一种新型型钢骨架复合墙板装配结构体系及吊装施工分析吴水根1,2 余海龙1 吕兆华21.同济大学土木工程学院 上海 200092；2.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 上海 200092摘要：新型型钢骨架复合墙板全板式低层装配式房屋结构体系，采用由型钢与多层芯材组成的复合墙板作为主要承重构件，墙板间采取钢卯榫形式节点，主要适用于13层房屋。对复合墙板结构体系和构件安装施工的重难点进行研究，采用压杆模型讨论了芯材对结构受力的贡献，依据墙板特性对已有压杆截面高度计算公式进行修正，针对钢卯榫节点提出了分离型钢和连接螺栓模型。建立结构体系计算
2、模型和墙板吊装模型，就结构体系和墙板吊装进行有限元分析，验证了结构可行性和吊装方案可靠性，为今后类似工程提供参考。关键词：装配式结构；预制墙板；吊装；施工技术；有限元模拟中图分类号：TU765 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)01-0040-07 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.01.011Analysis of a New Type of Steel Frame Composite Wallboard Fabricated Structure System and Its Hoisting ConstructionWU Shuigen1,2 YU
3、Hailong1 L Zhaohua21.College of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;2.Tongji Architectural Design(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 200092,ChinaAbstract:The new type of structural system of low-rise prefabricated building with full panel composite wallboard with profile steel frame adopt
4、s the composite wallboard composed of profile steel and multi-layer core materials as the main load-bearing component,and the joints between wallboards are in the form of steel mortise and tenon,which is mainly applicable to buildings with 1 3 floors.The key and difficult points in the installation
5、and construction of composite wallboard structure system and components are studied.The contribution of core materials to the structural stress is discussed by using the strut model.According to the characteristics of wallboard,the calculation formula of the height of the existing strut section is m
6、odified.For the steel mortise and tenon joints,the separate section steel and connecting bolt models are proposed.The structural system calculation model and wallboard hoisting model are established,the structural system and wallboard hoisting are analyzed by finite element method,and the structural
7、 feasibility and hoisting scheme reliability are verified,which provides reference for similar projects in the future.Keywords:fabricated structure;prefabricated wallboard;hoisting;construction technology;finite element simulation构采用纯框架有限元模型进行结构设计分析；金晓飞等2利用ANSYS软件对带ALC墙板钢框架结构平面等效斜撑模型的抗侧力性能进行分析，以考虑预制
8、非承重墙板分担水平荷载。预制承重墙板作为结构主要承重和耗能构件，构成全板式装配结构，其板的结构一般为预制混凝土剪力墙板、预制叠合剪力墙板和预制复合剪力墙板，这类结构对水平与竖向节点连接要求更高，连接形式主要有：湿式连接，即预留插孔灌浆、预留钢筋混凝土后浇等；干式连接，即预埋件焊接、螺栓连接；预应力连接，即采用后张无黏结预应力筋等高强预应力筋连接。对于承重墙板结构的受力分析，王晓东3基于SAP软件，结合实例采用link单元模拟装配大板结构接缝建立了结构计算模型，对结构受力和抗震性能进行了具体量化分析。本文研究对象为一种以全新墙板型钢骨架复合墙随着我国建筑产业化进程的加快，装配结构应用必将越来越广
9、泛。预制墙板装配结构是装配结构中的一类主要结构形式，因选材灵活、安装方便，被各国普遍采用。预制墙板主要分为预制非承重墙板和预制承重墙板。预制非承重墙板多数用于框架结构填充墙，起围护作用，墙板与框架采用焊接、螺栓、预埋件等方式连接。对于非承重墙板，目前学者对其是否参与结构水平受力的研究结果不一，刘玮龙1对带钢丝桁架混凝土复合墙板钢框架结作者简介：吴水根（1965），男，硕士，教授级高级工程师。通信地址：上海市四平路1239号（200092）。电子邮箱：收稿日期：2022-11-21结构施工STRUCTURE CONSTRUCTION建筑施工第45卷第1期41板为竖向受力和耗能构件的全板式低层装配
10、式房屋结构体系，墙板间采用新型干式连接，即钢卯榫形式节点。结构安装快速，并具有保温、防火等功能，实现100%装配率。本文提出的新型预制墙板结构因其受力关系复杂、墙板构造特殊，结构受力模拟与现有预制墙板的结构体系不同，需进行论证分析。本文依托某型钢骨架复合墙板装配结构示范工程，提出该新型结构体系的有限元计算模型，就结构体系和墙板构件的拆模起吊、安装吊运过程进行有限元分析，验证结构体系的可行性以及吊装过程的安全性，为后续型钢骨架复合墙板装配结构工程提供参考。1 构造设计1.1 结构体系型钢骨架复合墙板装配结构由型钢骨架复合墙板和预制钢筋混凝土楼板拼接组成，以型钢框架作为结构主要竖向承重构件。1.2
11、 墙板构造型钢骨架复合墙板由型钢骨架和各类芯材构成的芯体组成，墙板构造如图1所示。芯体分为外侧、中部和内侧。其中外侧可由仿石面材料、防水剂和玻纤网等复合而成；中部填充高强混凝土和钢丝网；内侧可采用白水泥和装饰墙布等。墙体顶部型钢采用H型钢，同时作为结构主梁与楼板进行连接，内部及底部可采用C型钢，左右侧边根据连接需要确定采用H型钢或C型钢。1 200 1 800 1 200预制墙侧边型钢预制墙顶部H型钢预制墙底部C型钢预制墙芯体预制墙内部C型钢4 200900 1 8003 600900图1 型钢骨架复合墙板构造示意1.3 节点构造型钢骨架复合墙板结构体系的节点形式借鉴了传统的木卯榫构造，墙板间
12、采用H型钢和C型钢组合的连接方式，翼缘板与腹板之间的空隙插入尺寸相符的C型钢，形成钢卯榫形式，H型钢和C型钢之间采用螺栓连接。对于冷桥效应与漏水问题，在墙板连接处设置型钢防冷桥贴面，用专用防水剂填补节点缝隙4，节点形式如图2所示。预制墙侧边H型钢防冷桥贴面密封胶预应力连接螺栓预制墙侧边C型钢柔性防水卷材图2 墙板节点构造示意预制墙板与预制钢筋混凝土楼板之间采取预应力螺栓连接。对于二层及以上情况，将预制墙板顶部的H型钢、楼板以及上层墙板底部C型钢进行连接，如图3所示。预制楼板预应力连接螺栓预制墙顶部H型钢预制墙底部C型钢预制墙底部C型钢预制墙顶部H型钢次梁与H型钢螺栓连接预制楼板图3 楼板节点构
13、造示意2 计算模型对于新型预制墙板装配式结构体系，对其计算模拟存在以下难点：一是墙体芯体的模拟；二是当相邻两墙的边缘型钢采用卯榫连接时，并列的2根型钢柱的模拟；三是对于螺栓连接的模拟。针对以上问题，本文先对墙板进行简化模拟，再对整体模型进行分析。2.1 压杆模型修正对于一般钢框架与墙板共同作用的分析模型可分为两类：全尺寸细节模型与等效压杆模型。全尺寸细节模型是对框架与墙板分别进行建模，采用接触对等方式将两者结合，达到共同作用的效果，但建模工作量大，模型分析不易收敛，难以应用于结构体系的分析。等效压杆模型是指将砌体填充墙简化为相同材料、截面宽度且具有一定截面高度的对角斜压杆，如图4所示。墙框分离
14、等效斜撑PPPP图4 节点构造示意截面高度取值公式如下，该方法具有较高的准确性，计算结果易收敛5。吴水根、余海龙、吕兆华:一种新型型钢骨架复合墙板装配结构体系及吊装施工分析20231Building Construction42 cos0.86hh=im（1）4sin2hE IhE t41hsc=milcm（2）式中：h 框架层高；h墙体高度；t 墙体厚度；框架对角线与水平线夹角；Ec墙体弹性模量；Es钢框架弹性模量；I 柱截面惯性矩。综上，本文采用等效压杆模型模拟芯材对水平荷载的分担作用，且墙板一体化预制，其芯材相比砌体填充墙对墙板抗侧刚度贡献程度显然不同，需对等效压杆截面高度取值公式进行修
15、正。采用型钢骨架复合墙板全尺寸细节模型对单一墙板模块进行精细化建模分析，同时建立单一墙板等效压杆模型，进行柱顶单调加载分析，得到与全尺寸细节模型相吻合的刚度曲线，记录下此时的单杆宽度，参考压杆截面高度取值公式，修正该公式以得到适用于型钢骨架复合墙板装配结构的压杆截面高度取值公式。2.1.1 材料规格型钢框架采用高度为120 mm的H型钢，材料为Q235B钢，钢材密度取7 850 kg/m3，钢材的弹性模量取E2.06 105 MPa，切线模量取Et0.01E，泊松比0.3。墙板内部芯体主要由混凝土和钢丝网构成，钢丝网不受力，起抗裂作用。根据试验测试，芯体抗压强度为7.2 MPa，抗拉强度为0.
16、91 MPa，厚度200 mm，密度取2 800 kg/m3，弹性模量取E2.2104 MPa，泊松比0.2。2.1.2 单元选取型钢骨架和等效压杆的有限元模型采用Beam188单元模拟，芯材采用solid65单元模拟。框架和芯材间黏结作用采用Targe170接触单元和Conta174接触单元模拟，考虑到芯材强度较低、易压碎，造成摩擦作用变小，并参考相关文献6，接触面之间的摩擦因数取0.4，并遵守最大静摩擦因数和滑动摩擦因数相等原则。2.1.3 参数选取根据墙体应力传递范围与等效压杆的截面高度和hcos有关，本文以跨高比为基本参数，选取多组钢框架及型钢骨架复合墙板装配结构常用的跨度L及墙高h，即取跨高比为1.25和1.5时的模型参数共10组，参数选取见表1。针对每组参数建立单层单跨的ANSYS实体模型、等效单压杆模型，如图5所示。表1 跨度及墙高参数取值序号L/mh/mL/h12.41.61.522.71.833.32.243.92.654.53.062.01.61.2572.52.083.02.493.52.8104.03.2（a）实体模型（b）等效压杆模型图5 ANSYS墙板模型2
