基于勁性柱框撐體系的裝配式外掛墻板模擬應用

呂秀娟,焦安亮,吳耀清

基于勁性柱框撐體系的裝配式外掛墻板模擬應用

呂秀娟1,焦安亮2,吳耀清3

1. 河南建筑職業技術學院, 河南 鄭州 450000 2. 中國建筑第七工程局有限公司, 河南 鄭州 450000 3. 中建科技河南有限公司, 河南 鄭州 450000

以某在建綜合樓項目為實例，基于Abaqus軟件對比研究外掛墻板在裝配式勁性柱框撐體系、裝配式框架體系、現澆框架體系三種工況下的破壞形態、滯回曲線、位移延性、耗能能力，提出了基于裝配式勁性柱框撐體系的外掛墻板結構及節點設計方案。模擬結果表明:1.裝配式勁性柱框撐體系在低周循環荷載作用下未出現破壞現象，最大應力值為6.98 Mpa，位于柱底鋼板位置處；2.有外掛墻板存在的工況下，結構延性較好；3.部分耗能由外掛墻板負擔，并且勁性柱框撐體系具有較高耗能能力。通過三種工況下的模擬研究，基于勁性柱框撐體系的裝配式外掛墻板具有較好的受力性能，可以顯著提高整體結構的耗能能力，具有較高的工程應用價值。

裝配式外掛墻板; 勁性柱; 有限元分析; 耗能

裝配式勁性柱混合梁框架柱結構是中國建筑第七工程局有限公司自主研發的新型裝配式結構體系。該結構體系的框架柱較普通混凝土柱延性好、截面積小、抗壓強度高、承載力高等特點，同時與普通預制混凝土柱相比，勁性柱框撐體系具有更好的整體性、適用性。與一般裝配式結構體系傳力方式不同，外掛墻板通過連接節點與勁性柱相連，自重不通過梁傳遞，可以有效減小梁截面面積。

目前，國內外相關學者對勁性柱體系進行了一些研究，焦安亮[1]等提出了新型裝配式方鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁組合框撐體系，對6層縮比例尺模型應力分析地震荷載作用下連接節點的可靠性。張愛林[2]等對外掛墻板鋼框架受力性能進行有限元分析，對比單向荷載與低周循環荷載對鋼框架的受力性能。李國強[3]等對ALC墻板鋼框架結構進行性能試驗，分析在不同連接方式狀態下鋼框架的滯回性能。盧家森[4]等通過有限元模擬與結構計算，提出了新型預制外掛墻板分析方法。

但國內目前還未見關于基于勁性柱框撐體系的外掛墻板模擬應用研究。為此，本文提出基于勁性柱框撐體系的裝配式外掛墻板進行數值模擬應用研究，為以后設計、生產、施工提供一些參考。

1 工程概況

本項目為中建科技河南有限公司年產100萬m2裝配式預制構件建設項目綜合樓，位于新密市曲梁鎮裕南大街與裕中路交叉口西南角，建筑底層長為67.2 m，寬為35.1 m，建筑高度16.8 m，地上4層，結構體系為裝配式勁性柱混合梁框架結構，抗震設防烈度7度。

綜合樓最大跨度為7.2 m，1層高5.1 m，2~4層高3.9 m，外墻采用橫條板系統外掛墻板。本文采用外掛墻板尺寸為6000 mm×2500 mm×150 mm，勁性柱截面為400 mm×400 mm，框架梁截面為200 mm×400 mm。梁柱均采用C30混凝土，勁性柱外側包50 mm厚細石混凝土。具體詳見圖1、2。

圖 1 整體效果圖

圖 2 外掛墻板圖

2 有限元模型建立

有限元模型按照實際工程尺寸建立，具體尺寸見下表1。建立現澆結構、裝配式框架結構、裝配式勁性柱結構三種模型，基于三種結構對比分析外掛墻板對整體框架的影響。模型信息見表2。

表 1 有限元模型材料信息

表 2 模型信息

2.1 單元類型與材料屬性

基于ABAQUS建立有限元模型，混凝土、鋼柱單元類型選取C3D8R單元；為減少單元個數，更好的模擬鋼筋受力情況，鋼筋單元類型選用T3D2單元。在網格劃分中，對混凝土、鋼柱單元進行0.1間距布種，鋼筋單元進行0.01間距布種，文中所有接觸按照Tie接觸進行選取。

2.2 邊界條件與載荷

勁性柱底部將邊界條件U1、U2、U3、R1、R2、R3設為0。模型整體受重力荷載，為使模型能夠更快計算結果，對模型采用位移加載，加載制度按0.25?、0.5?、0.75??、2?、3?、4?、5?、6?、7?控制。

3 模擬結果分析

對比分析在裝配式勁性柱框撐體系、裝配式框架體系、現澆框架體系不同工況下外掛墻板及框架結構的破壞形態、滯回曲線、延性、耗能能力。

3.1 破壞形態

通過對比模型A、B、C，在模型A工況下，裝配式勁性柱框撐體系在低周循環荷載作用下未出現破壞現象，最大應力值為6.98 Mpa，位于柱底鋼板位置處；在模型B工況下，裝配式框架體系出現破壞情況，最大應力值為2.25 Mpa，出現在混凝土柱柱中。在水平地震力作用下，最大應力值超過C30混凝土抗拉強度，混凝土柱出現破壞；在模型C工況下，梁柱節點位置出現破壞。詳見圖3。

(a) 模型A應力云圖 Stress nephogram of model A (b) 模型B應力云圖 Stress nephogram of model B (c) 模型C應力云圖Stress nephogram of model C

3.2 滯回曲線

對比分析圖4中三種模型的滯回曲線可知：

3.2.1 模型A在位移加載初期，滯回曲線呈現梭形，框架具有較大恢復能力。隨著位移加載增大，滯回曲線出現輕微“捏攏”現象。考慮在數值模擬中，假定鋼筋與混凝土不出現小滑移，即在真實工程中結構“捏攏”現象應有所增加。

3.2.2 模型B加載初期滯回曲線也為梭形，但隨著加載位移增大，由于鋼筋混凝土柱對位移約束較小，“捏攏”現象加劇。

3.2.3 模型C由于未添加外掛墻板，荷載全部由框架梁、柱承擔，滯回曲線呈弓形狀。

(a)模型A滯回曲線 Hysteretic curves of model A (b)模型B滯回曲線 Hysteretic curves of model B (c)模型C滯回曲線 Hysteretic curves of model C

圖 4 滯回曲線圖

Fig.4 Hysteretic curves

3.3 位移延性

位移與屈服位移之比，其中極限位移為?，屈服位移為。表3為三種模型位移延性對比表。

表 3 位移延性系數對比

勁性柱鋼板將混凝土外圈包圍，混凝土承載力提高且鋼板抗彎力增大，模型A延性系數較B提高25.9%。模型A、B延性系數均高于模型C，這表明了在有外掛墻板存在的工況下，結構延性較好。

3.4 耗能能力

圖 5 耗能模型

圖 6 外掛墻板配筋圖

滯回曲線所包圍面積作為結構的耗能能力判定標準，下圖給出了累計耗能W與累積循環次數N的關系。下圖5可以看出，在循環荷載開始初期，三種模型耗能相差不大。在加載中期，模型A耗能較其他兩種模型開始增加，模型A、B耗能均超過模型C，這表明在有外掛墻板的工況下，部分耗能由外掛墻板負擔。在加載后期，模型A較其他兩種結構體系耗能明顯增加，這表明勁性柱框撐體系具有較高耗能能力。

4 設計建議

4.1 外掛墻板設計

本工程為綜合辦公樓項目，外掛墻板超過《預制混凝土外墻掛板》16J110-2中所規定的尺寸，需要對外掛板進行特殊設計。在三邊分別添加截面為150 mm×150 mm的暗梁、暗柱，箍筋間距為100 mm，分布筋為雙層200間距鋼筋。如圖7所示。

4.2 節點設計

掛點按照《裝配式勁性柱混合梁框架結構技術規程》（JGJ/T400-2017）中規定的掛點，但由于本項目構件尺寸較大，外掛墻板與掛件之間連接件需要單獨設計。預埋在外掛墻板上的埋件由兩塊三角形鋼板組成，中間由鋼筋焊接組成一個整體。三角形鋼板邊角處箍筋加密至50 mm，這樣可以有利于應力擴散。

圖 7 節點設計詳圖

Fig.7 The detailed design of node

5 結論

（1）裝配式勁性柱框撐體系在低周循環荷載作用下未出現破壞現象，最大應力值為6.98 Mpa，出現在柱底鋼板位置；裝配式框架體系出現破壞情況，最大應力值為2.25 Mpa，出現在混凝土柱柱中。在水平地震力作用下，最大應力值超過C30混凝土抗拉強度，混凝土柱出現破壞；現澆混凝土，梁柱節點位置出現破壞；

（2）模型A延性系數較模型B提高25.9%。模型A、B延性系數均高于模型C，這表明了在有外掛墻板存在的工況下，結構延性較好；

（3）循環荷載初期，三種模型耗能相差不大，主要耗能與模型結構體系、結構之間有無填充墻均無關系，所有耗能均被框架結構吸收。加載中期，模型A耗能較其他兩種模型開始增加，含有外掛墻板的兩種模型A、B耗能均超過模型C，這表明在有外掛墻板時，部分耗能由外掛墻板負擔。加載后期，勁性柱體系較其他兩種結構體系耗能明顯增加，表明勁性柱框撐體系具有較高耗能。

[1] 焦安亮,李正良.勁性裝配式框架核心筒結構抗震性能試驗研究[J].振動與沖擊,2016,35(2):31-38

[2] 張愛林,馬林,劉學春,等.裝配式外掛墻板鋼框架受力性能有限元分析[J].建筑結構學報,2016,37(S1):152-157

[3] 李國強,王城.外掛式和內嵌式ALC墻板鋼框架結構的滯回性能試驗研究[J].鋼結構,2005,20(1):52-56

[4] 盧家森,周成功,鄭振鵬.預制外掛墻板分析方法[J].中外建筑,2013(1):104-107

[5] McMullin K, Ortiz M, Yarra S,. Static experimental testing to define force-deformation relationships of precast concrete cladding building facade systems[C]. Reston, VA: Structural Engineering Institute of ASCE, 2014

Simulation Application of Assembled External Wall Panel Based on Stiffening Column Frame System

LV Xiu-juan1, JIAO An-liang2, WU Yao-qing3

1.450000,2.450000,3.450000,

Taking an integrated building project for an example, based on the Abaqus software, the stress state, hysteretic curve, displacement ductility and energy dissipation capacity of the external wall panels in the three working conditions of the assembled rigid frame supporting system, the assembled frame shear wall system and the cast-in-place frame system are compared. The external wall panel structure and the design scheme of the joint based on the assembled stiffened column frame system are proposed. Simulation results show that: 1.Assembly type steel column bracing system without damage phenomenon under low cycle cyclic loading. The maximum stress value is 6.98 Mpa, which appears at the position of the steel plate at the bottom of the column; 2.The structure ductility is better under the condition of the existing wall panel; 3.Under the condition of the existence of external wall panels, some of the energy consumption is borne by the external wall panel，and the stiff-columns has high energy dissipation capacity. Based on the simulation study under three working conditions, the fabricated external wall panel based on stiffened column bracing system has better mechanical performance, which can significantly improve the energy dissipation capacity of the overall structure, and has high engineering application value.

Prefabricated external wall panel; stiff-columns; finite element analysis; energy dissipation

TU3

A

1000-2324(2019)04-0638-04

2018-06-16

2018-07-19

河南省高等職業教育創新發展行動計劃XM-1骨干專業建設項目——建筑工程技術

呂秀娟(1973-),女,碩士,副教授,主要從事建筑施工教學研究. E-mail:1851396013@qq.com