填充材料剛度對裝配式耗能RC結構性能的影響

鄭 起 ，陳尚鴻 ，林 偉

（1.閩西職業技術學院 城鄉建筑學院，福建 龍巖 364021；2.福州大學 土木工程學院，福州 350108）

0 引言

傳統現澆混凝土結構具有污染環境、工期長、施工效率低等劣勢，所以近年來國家大力發展裝配式建筑。但是，諸多學者對裝配式框架混凝土結構抗震性能提出質疑，普遍認為裝配式結構的整體性較差，特別是現場裝配的梁柱連接區為薄弱部位，這也直接導致了國家對裝配式框架的適用條件提出了較為苛刻的要求。將屈曲支撐、阻尼器、耗能墻板等工業化產物投入到裝配式結構體系中是未來裝配式建筑發展的一個方向，這些耗能元件不但能提升裝配式框架結構的抗震耗能能力，而且能增強結構的抗倒塌能力。張偲嚴等[1]設計了一種阻尼器耗能連接，置于剪力墻的連梁中部、剪力墻之間以及墻梁交界處等連接位置，時程分析結果表明耗能連接能耗散大量的能量，使得主體結構基本處于彈性階段。吳函恒[2]提出了一種裝配式鋼框架-預制混凝土抗側力墻結構體系，體系有兩道抗震防線，鋼筋混凝土墻為第一道防線，鋼框架作為第二道防線，結果表明該體系有良好的抗震性能。龍佳棟[3]提出一種帶減震墻板的裝配式混凝土結構，在地震作用下框架柱帶動墻板單元發生水平移動，使墻體變形主要集中在減震層，以此減小對框架的約束作用，并且減震層的變形耗散一定的地震能量，保護主體框架。

現有研究對裝配式框架結構主體框架部分的保護防線多數為一道，故提出一種新型裝配式耗能RC結構體系。將阻尼器與耗能墻體內置于裝配式框架結構中，通過對結構各項參數的優選，力求新型裝配式耗能RC結構在地震及水平作用下能夠實現“阻尼器→墻體→框架”的屈服順序，最大程度上保護主體框架，提升裝配式框架結構的抗震耗能能力，打破規范對原有的裝配式建筑的限制條件。而內置墻體與框架之間的填充材料的剛度能在很大程度上影響裝配式耗能RC結構體系的損傷形式及耗能能力，故對采用不同剛度的填充材料的裝配式耗能RC結構進行研究有重要意義。

1 裝配式耗能RC結構構造形式

裝配式耗能RC結構體系如圖1所示，體系包含主體裝配式框架、耗能RC墻板和阻尼器三部分構成。混凝土墻板與主體框架柱之擬采用橡膠等柔性填充介質材料，頂部通過阻尼器與框架梁連接。

圖1 裝配式耗能RC結構示意圖

新型裝配式耗能RC結構體系的屈服損傷順序將可以通過各部分設計參數如墻板厚度、墻板形式、墻板配筋率、阻尼器剛度等的調整有目的地加以引導，在地震作用下結構體系的理想屈服順序為：阻尼器→耗能RC 墻板→主體框架。為了實現這個目的，填充介質材料的選取至關重要。其中填充材料的剛度能夠很大程度上改變整個體系的受力性能與耗能能力，故選取10 MPa、20 MPa、40 MPa、80 Mpa為參數變量建立4個單跨新型裝配式耗能RC結構模型，命名為AED1～4，對各模擬進行擬靜力加載，探究適用于新型裝配式的合理的填充材料的剛度。

2 有限元模型的建立

2.1 模型尺寸及材料參數

單榀裝配式耗能RC結構的框架尺寸為3 000 mm×4 000 mm，梁、柱、墻板配筋圖及阻尼器尺寸如圖2所示。其中墻板配雙層雙向鋼筋網，阻尼器采用軟鋼雙圓錐阻尼器，鋼材牌號為LY100，其屈服強度取130 MPa，抗拉強度取190 MPa，并雙排布置。柔性填充材料厚度為50 mm，彈性模量分別取10 MPa、20 MPa、40 MPa、80 Mpa。

圖2 各部件構造圖

圖2 各部件構造圖

2.2 本構模型

混凝土采用ABAQUS自帶的損傷塑性模型，單軸受拉受壓的應力-應變曲線及損傷因子根據《混凝土結構設計規范》[4]計算。鋼筋本構采用雙折線模型、Mises屈服準則，隨動強化準則以及關聯流動法則。有報道表明對國產低屈服點軟鋼LY100、LY160、LY225的低周反復加載試驗表明低屈服點軟鋼表現出強烈的同性強化趨勢[5-6]。采用各向同性強化準則加之雙折線模型進行模擬分析。

2.3 單元、網格、相互作用及加載控制

建立單跨一榀新型裝配式耗能RC結構。阻尼器、混凝土框架、混凝土墻板、填充材料均選取C3D8實體單元，鋼筋采用T3D2桁架單元模擬。各部件接觸面近似采用Tie約束，鋼筋骨架則通過Embed內置于混凝土中。耦合兩個加載墊塊外表面于關鍵點RP3，對關鍵點RP3施加擬靜力位移荷載，從3 mm至42 mm共14級加載，軸壓比取0.15。具體加載制度、荷載施加形式、網格劃分見圖3。

3 耗能結果分析

3.1 滯回曲線分析

各模型滯回曲線如圖4所示，各模型加載初期結構近似處于彈性階段，滯回曲線呈細小狹長形狀，隨著加載位移的增大，結構進入較高程度的非線性，實際結構開始出現裂縫。隨著裂縫的發展、塑性損傷的積累，滯回環逐漸飽滿，體現出較好的耗能能力。同時可以發現填充介質材料的剛度對新型裝配式耗能RC結構的耗能性能影響較大，各模型滯回曲線飽滿程度隨著填充材料的剛度增大而減小，觀察各模型應力云圖發現其原因在于當填充材料剛度較大時，在加載初期框架部分較早進入塑性階段，在加載位移較大時混凝土部分過早損傷完畢，而填充材料剛度較小的AED1模型在加載中后期混凝土才進入較高程度的塑性階段，發揮耗能能力，故其滯回曲線更加飽滿。

圖4 AED1～4模型滯回曲線

3.2 骨架曲線及剛度退化曲線

通過提取各模型滯回環峰值點得到各模型的骨架曲線如圖5（a）所示。剛度采用割線線剛度表達，計算公式為 Ki=（|+Fi|+|-Fi|） /|+ Δi|+|-Δi|，其中+Fi、+ Δi分別為第 i 次正向加載循環峰值點對應的荷載值與位移值，反之則為負向加載循環峰值點對應的荷載值與位移值。剛度退化曲線如圖5（b）所示。從骨架曲線可以發現隨著填充材料剛度的增大，在加載初期承載力提升較快，其原因有兩點，首先填充介質材料的剛度增大必然導致結構整體剛度的增大，其次是因為在同樣的加載位移下，填充材料剛度大的模型的墻板與框架間的相對位移減小，迫使墻板與框架的應力急劇提升，并且填充介質材料的剛度較大回導致混凝土部分損傷較快，在加載中后期承載力大幅下降，表現出一定程度的脆性破壞趨勢。而剛度較小的AED1模型從加載初期到最后一級加載，其承載力不斷上升，僅在最后兩級加載時表現出輕微的下降趨勢，表明其具有更強的變形及耗能儲備能力。從剛度退化曲線來看，各模型剛度退化速率由快到慢，隨著填充材料的剛度的加大，結構體系加載初期的剛度越大，并且剛度退化的速率也越快，在后期各模型剛度趨于一致。可見較柔的填充介質材料剛度能夠釋放結構的初期剛度，緩解框架與墻板的局部高應力狀態從而提高整體結構的變形性能及耗能能力。

圖5 AED1～4模型滯回、剛度退化曲線

3.3 阻尼器耗能占比

提取各模型阻尼器的滯回曲線后，計算整體結構及阻尼器在各級加載下滯回環面積則可以得到各級加載下整體結構的耗能量及與其模型中阻尼器的耗能量，將二者作商，可以得到各模型各級加載下阻尼器的耗能占比，如圖6所示。從圖6可以看出，各模型后期阻尼器耗能占比較為接近，差異主要集中在前中期。在加載前中期，隨著填充介質剛度的增大，阻尼器耗能占比下降明顯，意味著更多的塑性能量分散在混凝土框架及墻體中，這對主體框架結構是不利的。究其原因，不難發現填充材料的剛度越大，在整體結構的加載下，更多的水平位移由框架柱、耗能墻板所承擔，導致阻尼器上下板間錯動減小，以至阻尼器的耗能量及耗能占比較小。

圖6 各模型在各級加載下阻尼器耗能占整體結構耗能的百分比

3.4 結構的加載特征點

通過骨架曲線可以計算和提取結構的屈服點與峰值點。整體結構的峰值荷載及峰值位移直接提取承載力的最大值點。采用文獻所提的“能量等值法”計算結構的屈服點，并取正負向加載結果的均值作為最終值。通過骨架曲線提取的相應承載力、位移數值如表1所示。填充介質材料越柔，結構體系的屈服位移越大，即結構體系進入塑性的位移更大，意味著在地震及水平作用下能承受的非塑性變形量更大，同樣，峰值位移也隨著填充材料剛度的減小而增大，并且從圖5各模型的骨架曲線也可以看出，填充介質剛度越大，整體結構越早出現下降段，表明較柔的填充材料介質的剛度具有更好的延性。

4 分階段屈服能力分析

新型裝配式耗能RC結構體系的理想屈服順序為阻尼器-耗能墻板-主體框架，通過對結構各構件進行屈服順序的探究必須先對屈服有明確的標準。探究不同剛度的填充材料對整體結構能否實現“耗能阻尼器→預制墻體→主體框架”的屈服順序至關重要。

4.1 阻尼器先于墻板屈服情況的探究

軟鋼阻尼器可以通過其滯回曲線判定是否屈服，表1計算了各整體結構模型的屈服點，以整體結構屈服時的位移定制加載制度，二次加載在整體結構上，提取此次加載下阻尼器的滯回曲線，觀察阻尼器是否已經屈服，如果屈服明顯，則說明阻尼器在整體結構屈服之前已經屈服。而如果可以證明阻尼器在整體結構屈服前屈服，就相當于證明了阻尼器在框架與墻板屈服前屈服。

表1 結構加載特征點

建立第二組加載制度，設△為各模型整體結構的屈服位移，分別為14.82 mm、13.99 mm、11.80 mm、7.82 mm。具體的加載幅值為0.2△、0.4△、0.6△、0.8△、1.0△，作用于各自整體結構的RP3上，再提取二次加載制度下各模型阻尼器的滯回曲線如圖7（a）所示。

各模型阻尼器滯回曲線均十分飽滿，飽滿程度隨填充介質材料的剛度的增大而減小，各阻尼器在整體結構屈服前已充分屈服并耗散大量能量。各模型在二次加載下每一級加載的阻尼器的耗能量如圖7（b）所示，隨著每一級位移荷載的增大，各模型阻尼器的耗能量都在不斷增大，其中耗能能力最強的阻尼器為模型AED1的阻尼器。因此，較柔的填充介質材料對阻尼器先于墻板屈服十分有利。

圖7 各模型屈服前阻尼器的滯回曲線及耗能量

4.2 墻板先于框架屈服情況的探究

墻體與框架的屈服判定較為困難。實體單元構件由網格組成，框架梁、柱難以對塑性鉸有明確的判定，而墻板的屈服更是難以判斷。根據《混凝土結構設計原理》，鋼筋混凝土主要通過鋼筋受拉、混凝土受壓來進行承載工作，大多數構件如梁、柱等在第二階段拉區混凝土退出工作轉而由受拉鋼筋承載時，構件將發生較大的變形。因此混凝土墻及框架的屈服順序通過查看混凝土積累塑性應變PEEQ及鋼筋應力S11進行，當鋼筋的S11云圖數值大于其屈服應力表示該構件（墻板或框架）屈服，并且混凝土的積累塑性應變PEEQ的情況也可以說明二者屈服情況。如果加載后期，墻板混凝土PEEQ大于框架PEEQ，墻板大量鋼筋單元應力S11超過其屈服強度，而框架鋼筋應力僅有少部分超過屈服強度，則可認為墻板先于框架進入塑性屈服。

提取各模型36 mm位移加載下墻板與框架混凝土部分的PEEQ應變云圖及墻板與框架鋼筋s11應力云圖如圖8所示，觀察墻板與框架屈服情況。

圖8 各模型36 mm加載下鋼筋s11云圖、混凝土PEEQ云圖

從框架和墻板的鋼筋應力s11分布圖可以發現，各模型墻板鋼筋的屈服程度遠高于框架鋼筋，并且墻板除了超過屈服點的鋼筋以外，還有大量鋼筋處于高應力狀態，這表明墻體鋼筋能夠先于框架鋼筋進入塑性耗能狀態。從混凝土應變圖來看，墻體部分塑性應變同樣大于框架塑性應變，隨著填充介質的剛度增加，墻板積累的塑性應變從墻板底部、與阻尼器交接處轉變到墻板中部，并且隨著框架屈服的程度加強。但與此同時，框架部分的積累應變由梁端塑性鉸部位轉變為框架柱端，這種應變分布違反了強柱弱梁原則，對抗震不利。

5 結論

通過對比4個模型的滯回曲線、骨架曲線、剛度退化曲線、結構加載特征點、應力應變分布圖得出以下結論：

（1）裝配式耗能RC結構滯回曲線飽滿，具有良好的耗能抗震能力。填充材料的剛度越小，裝配式耗能RC結構體系的耗能能力越強，滯回曲線更加飽滿，剛度退化更加緩慢，耗能儲備量更大，在加載前中期，更多的能量于阻尼器耗散，保護了主體混凝土框架結構。

（2）當填充材料的剛度為10 MPa、20 MPa、40 MPa、80 MPa時，各模型均能實現“阻尼器→墻體→框架”的屈服順序。其中填充材料的剛度越小，整體結構在屈服前阻尼器的耗能能量越大，滯回曲線越飽滿，阻尼器先于混凝土墻體屈服的趨勢越強。填充材料的剛度越小，墻板鋼筋先于框架鋼筋屈服的趨勢越強，框架的損傷部位更加合理。

（3）進一步對裝配式耗能RC結構進行研究分析時，應選用較柔的材料作為混凝土框架和墻板之間的填充介質，能顯著改善裝配式耗能RC結構的耗能性能及分階段屈服能力。