外掛預(yù)制混凝土墻板裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究

孫雨欣

（1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測站，安徽 合肥 230031）

1 前言

裝配式建筑以其具有建筑工業(yè)化程度高，施工速度快，生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，在世界各國均有大量工程建造。我國自2015年住建部出臺《建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展綱要》后也開始大力發(fā)展裝配式建筑。外圍護(hù)墻板，作為裝配式建筑重要組成部分，其自身受力性能、與主體框架之間的連接構(gòu)造以及裝配式結(jié)構(gòu)整體受力特性一直是裝配式建設(shè)設(shè)計(jì)施工時需要重點(diǎn)考慮的實(shí)際工程問題。目前對于帶有外掛墻板的鋼框架受力性能已有部分研究，文獻(xiàn)[1]進(jìn)行了鋼框架內(nèi)嵌復(fù)合墻板抗震性能試驗(yàn)，深入探討了此類結(jié)構(gòu)的抗震性能。文獻(xiàn)[2]針對一種新型鋼框架-嵌掛結(jié)合型密肋復(fù)合墻板結(jié)構(gòu)建立有限元模型并探究不同因素對結(jié)構(gòu)性能的影響。文獻(xiàn)[3]進(jìn)行了帶有單排配筋再生混凝土薄墻板的輕鋼框架低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，探究了此類裝配式鋼結(jié)構(gòu)的滯回性能。文獻(xiàn)[4]通過建立非線性有限元模型，研究了帶外掛墻板鋼管混凝土柱框架的計(jì)受力性能。

雖然許多學(xué)者針對帶有外掛墻板的裝配式結(jié)構(gòu)已有部分研究成果，但由于影響此類裝配式結(jié)構(gòu)受力性能的研究參數(shù)較多，因此需要進(jìn)一步研究此類結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。本文對帶有外掛預(yù)制混凝土墻板的裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了低周往復(fù)荷載作用下的有限元模擬，考慮了是否帶有外掛墻板對結(jié)構(gòu)受力性能的影響因素，著重對計(jì)算所得滯回曲線及骨架曲線進(jìn)行分析，探究了兩種外掛墻板點(diǎn)式連接方式及軸壓比對結(jié)構(gòu)彈性剛度及水平承載力的影響。

2 有限元計(jì)算模型

2.1 模型幾何尺寸

本文共設(shè)計(jì)四榀足尺單層單跨鋼框架模型，編號為SF1～4，其中SF1為空鋼框架模型。其余三榀為帶有外掛預(yù)制混凝土墻板的鋼框架模型，外掛墻板采用點(diǎn)式連接。為研究外掛墻板連接方式對結(jié)構(gòu)受力性能的影響，設(shè)計(jì)兩榀鋼框架采用下托式連接外掛墻板，一榀鋼框架采用上掛式連接外掛墻板。為減小外掛墻板對鋼框架受力性能影響，所有外掛墻板的重力支座均設(shè)為固定節(jié)點(diǎn)，水平支座均采用擴(kuò)大螺孔連接空間的水平活動節(jié)點(diǎn)。所有模型柱端均施加軸向荷載，模型具體參數(shù)如圖1及表1所示。

圖1 有限元模型

表1 有限元模型參數(shù)

2.2 材料本構(gòu)模型及單元選擇

2.2.1 鋼材本構(gòu)模型

鋼材采用二次塑流模型，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式如下：

2.2.2 混凝土本構(gòu)模型

混凝土采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）附錄C中推薦的混凝土塑性損傷模型，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線見圖2（b）。

圖2 材料的應(yīng)力(σ)-應(yīng)變(ε)關(guān)系曲線

2.2.3 有限元模型

模型采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分三維實(shí)體單元（C3D8R），不同部件之間界面法向采用硬接觸，切向采用罰函數(shù)，界面間摩擦系數(shù)取為0.25。采用牛頓法進(jìn)行迭代計(jì)算。在梁中心水平高度處建立參考點(diǎn)，將參考點(diǎn)與柱端外側(cè)面施加耦合約束。在框架柱底施加固定約束，在鋼框架柱頂施加軸向荷載并保持恒定，對參考點(diǎn)施加水平往復(fù)荷載，有限元模型見圖1。

3 有限元分析結(jié)果

3.1 外掛墻板影響

對比分析試件SF1與試件SF2、SF4有限元計(jì)算所得荷載-位移曲線如圖3（a）、圖3（b）所示。在加載初期，試件加載曲線為斜直線，且加卸載曲線基本重合，表明試件在加載初期處于彈性階段。隨著試件水平位移不斷增大，加載曲線斜率出現(xiàn)下降，同時試件加卸載曲線開始分離，試件進(jìn)入彈塑性階段。三個試件滯回曲線均較為飽滿，無明顯捏攏及承載力突變，表明試件在較大水平側(cè)移情況下仍能夠保持平穩(wěn)的水平承載力并且具有較好的耗能能力。

對比試件SF1與試件SF2、SF4滯回曲線可以看出，帶有外掛墻板的試件SF2、SF4，其滯回曲線包絡(luò)面積大于空框架試件SF1。尤其當(dāng)試件水平位移角超過1/150后，同級加載位移下，試件SF2、SF4滯回曲線包絡(luò)面積顯著增大，表明在加載后期外掛墻板與鋼框架共同受力，明顯提高結(jié)構(gòu)整體耗能能力，同時使試件SF2、SF4水平極限承載力有所提高。

對比試件SF1與試件SF2、SF4骨架曲線可知，采用下托式連接的外掛墻板鋼框架試件SF2正向水平承載力相比于空框架試件提高了31.4%，負(fù)向水平承載力提高了29.7%；采用上掛式連接的外掛墻板鋼框架試件SF4正向水平承載力相比于空框架試件提高了19.5%，負(fù)向水平承載力提高了20.3%。加載初期，試件SF1、SF2和SF4的彈性剛度較為接近，其正負(fù)向彈性剛度相差不超過5%，結(jié)果表明采用水平活動節(jié)點(diǎn)的外掛墻板對結(jié)構(gòu)整體初始剛度影響不大，只在結(jié)構(gòu)側(cè)向出現(xiàn)較大變形后才參與結(jié)構(gòu)整體受力。

3.2 軸壓比影響

對比試件SF2、SF3滯回曲線如圖3（c）所示，軸壓比為0.4的試件SF3，其滯回曲線包絡(luò)面積大于軸壓比為0.2的試件SF2。同級加載位移下，試件SF3正負(fù)向水平承載力均大于試件SF2，表明適當(dāng)提高軸壓比能夠?qū)蚣芴峁┹^強(qiáng)約束，提高結(jié)構(gòu)整體耗能能力。

對比試件SF2、SF3骨架曲線可知，軸壓比為0.4的試件SF3正向水平承載力相比于軸壓比為0.2的試件SF2提高了32.7%，負(fù)向水平承載力相提高了28.6%。試件SF3正向彈性剛度相比于試件SF2提高了12.4%，負(fù)向彈性剛度提高了11.8%。結(jié)果表明適當(dāng)提高框架柱頂軸壓比能夠增強(qiáng)框架整體約束，提高結(jié)構(gòu)水平承載力及抗側(cè)剛度。

3.3 連接方式影響

對比試件SF2、SF4滯回曲線如圖3（d）所示，當(dāng)框架處于彈性加載階段及彈塑性階段初期，兩試件滯回曲線無明顯差別，當(dāng)水平荷載接近試件極限承載力時，采用下托式連接的外掛墻板鋼框架試件SF2其滯回曲線包絡(luò)面積略大于采用上掛式連接的外掛墻板鋼框架試件SF4。由于采用下托式連接，試件SF2的地梁為墻板提供較大約束作用，提高了單層框架整體耗能能力。

圖3 滯回曲線對比圖

對比試件SF2、SF4骨架曲線可知，兩試件彈性剛度較為接近，數(shù)值相差在5%以內(nèi)。采用下托式連接的外掛墻板鋼框架試件SF2正向水平承載力相比于上掛式連接的外掛墻板鋼框架試件SF4提高了8.7%，負(fù)向水平承載力相提高了9.6%。結(jié)果表明，在加載初期兩種外掛墻板點(diǎn)式連接方式對結(jié)構(gòu)受力性能影響無明顯差別，在加載后期，由于采用下托式連接的地梁為外掛墻板提供較大約束，使結(jié)構(gòu)整體水平承載力略有提高。

圖4 骨架曲線對比圖

4 結(jié)論

①在地震作用下，帶有外掛預(yù)制混凝土墻板的裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)具有良好的受力性能及耗能能力。點(diǎn)式連接外掛墻板對結(jié)構(gòu)彈性剛度無明顯影響，在結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段后墻板參與整體受力，有效提高框架水平承載力。

②適當(dāng)增加柱頂軸壓比能夠增強(qiáng)框架約束，提高整體結(jié)構(gòu)彈性剛度及水平承載力。

③在加載初期，采用上掛式及下托式連接的外掛墻板，鋼框架彈性剛度無明顯差別，在結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段后期，由于采用下托式連接的地梁為外掛墻板提供較大約束，使結(jié)構(gòu)整體水平承載力略有提高。