装配式钢结构点式连接外挂混凝土幕墙抗震性能研究

完海鹰， 陆 飞， 陈安英

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

当前装配式钢结构住宅所特有的优点虽然有目共睹但其整体性和抗震性的问题却不可忽略，特别是作为围护结构重要组成部分的外墙体是如何通过合理的连接方式与主体结构相连接是装配式钢结构建筑设计时的重点和难点，因此研究装配式结构点式外挂混凝土幕墙的相关抗震性能就有极其重要的意义。

近年来，针对带墙板钢框架结构的研究工作已有一定进展，如文献[1-5]分别通过试验、数值模拟以及理论分析方法对带墙板钢框架结构进行了研究。国内学者主要通过模拟地震荷载或低周反复荷载来开展相关方面的研究，并得出了许多有益结论[6-9]。目前，对地震荷载下外挂复合墙板与钢框架共同作用及抗震性能的研究尚不多见。

本文对该连接节点进行了受力性能的理论分析，并分别对有轴向压力和无轴向压力的外挂幕墙-钢框架体系进行低周反复荷载数值模拟，并考虑有无外挂幕墙的因素。通过观察结构的应力应变分布，并着重分析滞回曲线、骨架曲线等内容，揭示地震荷载下该结构体系的侧向受力性能及轴向压力、外挂幕墙对钢框架受力的影响，力求为此类结构的工程应用提供参考依据。

1 数值模拟概况

1.1 分析模型

模拟共设计3榀足尺的单层单跨钢管框架模型，如图1所示，其中2个为带外挂幕墙钢框架，1个为空钢框架，并对其中2榀框架施加轴压比为0.2的轴向压力。具体尺寸见表1。

图1 ABAQUS有限元模型

表1 试件尺寸表

利用非线性方法模拟的模型比较复杂，所以对模型进行了适度的简化和假定，从而在不影响模型计算结果正确的前提下提高运算效率。模型采用的简化方法和基本假定如下所示：

(1)钢材之间焊接优良，焊缝不会发生撕裂、断裂。

(2)上节点、下节点和梁柱的连接螺栓与连接件之间协同工作，螺栓不会发生相对位移。

(3)位移加载始终处于水平方向，轴向压力始终处于竖直方向，忽略后期可能产生的偏心对试件产生的影响。

(4)外挂混凝土墙板的钢筋骨架与混凝土之间接触良好，不会产生相对位移。

(5)钢墩和底梁，钢柱和钢墩连接良好，不会随着位移加载产生滑移。

1.2 本构模型和单元选择

(1)钢材的本构模型。有限元模拟的模型中的钢材采用的是基于Von-Mises屈服准则的二次塑流模型以及双折线模型[10]。对于模型中的钢梁、钢柱、钢墩、底梁以及上下节点均采用二次塑流模型，如图2a所示。对于模型中的高强螺栓和钢筋骨架采用双折线模型，如图2b所示，两根折线分别代表弹性阶段和强化阶段。

图2 钢材的应力(σ)-应变(ε)关系曲线

(2)混凝土的本构模型。混凝土材料的弹塑性特征是指受拉及受压状态下混凝土材料有不同的表现，因此外挂混凝土幕墙的有限元本构模型为《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)[11]中混凝土塑性损伤模型，如图3所示。

图3 混凝土损伤塑性模型

2 数值模拟结果

三榀结构体系的有限元模型模拟计算分析完成后，即可对有限元模型关键区域的应力云图进行分析对比。对GKJ1与GKJ2的应力云图结果进行比较分析以研究轴向压力对外挂幕墙-钢框架结构体系抗震性能的影响，对GKJ1与GKJ3的应力云图结果进行比较分析以研究外挂幕墙对抗震性能的影响。

2.1 滞回曲线比较分析

对GKJ1、GKJ2和GKJ3的有限元模型计算结果进行分析，将有限元模型中位移荷载施加参考点RP1的水平方向反力和位移导出并绘制出模型的滞回曲线，其结果如图4所示。

图4 滞回曲线对比图

(1)GKJ1和GKJ2的有限元模型在加载前期，其加载和卸载曲线基本上为斜直线，说明在加载前期表现出一定的弹性性能；GKJ1和GKJ2的有限元模型的滞回曲线为“梭形”，中间无“捏缩”现象，曲线基本没有锯齿现象，加载后期曲线的波动较小，滞回曲线比较饱满，说明耗能能力良好。其中GKJ2的最大承载力高于GKJ1，GKJ2卸载过程中曲线斜率减小程度小于GKJ1，这是由于GKJ2有轴向压力的存在使得同样的地震荷载下横向位移偏小，意味着轴向压力可以提高结构体系的承载能力和耗能能力。

(2)对GKJ1和GKJ3有限元模型计算的滞回曲线进行比较可以看出GKJ1的滞回曲线较GKJ3更加饱满，意味着GKJ1拥有更好的耗能能力，这是因为GKJ1带有的外挂幕墙可以和钢框架形成一个整体进行受力，在加载后期可以消耗大量的能量，提高结构体系的耗能能力和抗震能力。观察该两榀结构在加载前期的加载和卸载曲线，可以发现GKJ3的弹性刚度相较于GKJ1更小，表明外挂幕墙提高了结构体系的刚度。同时GKJ1滞回曲线峰值也较GKJ3高，说明外挂幕墙同时提高了结构体系的承载能力。

2.2 骨架曲线比较分析

有限元模型计算得到的骨架曲线结果如图5所示。

图5 骨架曲线对比图

(1)对GKJ2和GKJ1有限元模型骨架曲线的对比发现GKJ1的骨架曲线始终在GKJ2的外侧，意味着同一加载位移下GKJ1的荷载更大，这是由于轴向压力的存在使得钢框架的约束更强，加强了钢框架和外挂幕墙的协同作用，轴向压力在前期对结构的抗侧力影响较小，±2Δy循环后逐渐起到增加结构抗侧力的作用，导致加载后期GKJ1的承载力始终高于GKJ2。

(2)对GKJ1和GKJ3有限元模型骨架曲线的对比可以发现GKJ1的骨架曲线始终在GKJ3的外侧，意味着在加载过程中同一加载位移GKJ1始终较大。尤其是加载中后期随着外挂幕墙逐渐参与整体结构的受力，GKJ1与GKJ3的承载力差距逐渐变大，说明了钢框架和外挂幕墙的协同作用可以提高结构体系的承载能力，其中GKJ1正向极限承载力较GKJ3提高了9.6%，负向极限承载力较GKJ3提高了8.7%。而GKJ1正向弹性刚度较GKJ3提高了8.6%，反向弹性刚度较GKJ3提升了4.8%，说明外挂幕墙提升了结构体系的刚度。