阻尼器作为墙体连接件的装配式框-剪结构受力性能数值模拟

吕思奇

(沈阳建筑大学 土木工程学院，沈阳 110168)

随着我国建筑工业飞速发展，装配式结构得到了广泛应用，其相比于传统的现浇式建筑，具有施工周期短、安全可靠、绿色环保等优势。因此，发展装配式结构具有重要的现实意义。

针对装配式结构，国内外学者做了大量研究。马军卫等[1]对竖向连接采用灌浆套筒的装配式框-剪结构进行了试验研究，结果表明：其承载力、刚度耗能能力以及破坏模式均与现浇试件较为接近，表现出较好的抗震性能。王玉璋等[2]系统的分析了黏弹性橡胶连梁阻尼器在低周往复加载作用下的力学特性，结果表明，这种阻尼器具有很好的耗能能力，可以为结构提供足够的附加阻尼和抗侧移刚度，但这种阻尼器的力学性能在低周和高周往复加载作用下呈现出较为明显的下降趋势。孙香花等[3]为了探索竖缝对墙体力学特性的影响，对4片剪力墙进行往复荷载试验，结果表明，带竖缝的墙延性和耗能均有明显提高。刘继新等[4]对两种新型装配整体式墙体进行抗震试验分析，结果表明，墙片竖缝位置处的连接件能有效传递截面上的剪力，型钢边缘约束构件可延缓墙体角部破坏。滕军等[5]提出了一种新型的可更换钢板连梁阻尼器，其制作原理是在低屈服点的钢板上开设一列或两列矩形孔进而形成钢板阻尼器，结果表明，这种新型钢板连梁阻尼器具有很好的延性和耗能能力，但其容易发生弯曲失稳变形，会威胁整个结构的稳定性及安全性。朱幼麟等[6]对全装配式大板结构缩尺模型进行了静力和动力加载试验研究，结果表明，大板结构中水平接缝和竖向接缝对结构的内力分布及刚度均具有显著影响，整个大板房屋设计的整体性和延性均能满足抗震设计要求。Chung等[7]提出一种在钢连梁跨中位置安装摩擦型阻尼器连梁构件，建立结构模型并进行非线性时程分析，结果表明，安装摩擦型阻尼器的钢连梁结构对结构地震响应的控制效果最好。Crisafulli等[8]提出将开圆孔矩形钢板连接件用于剪力墙竖缝连接，通过理论和试验研究给出了该连接方式的剪切刚度、屈服强度和极限强度的简化计算方法，结果表明，开孔钢板可以作为预制墙体连接装置。Pekau等[9]采用非线性动力时程分析方法研究了在墙体竖缝处采用摩擦型连接件对结构抗震性能的影响，结果表明，该种连接方式减少了结构的地震响应，提高了结构的整体性能。Hutchinson等[10]对9个装配式混凝土剪力墙构件进行单调加载试验以研究后张拉水平接缝性能，研究结果表明，接缝承载力和空心楼板抗剪承载力中的较小值决定剪力墙构件水平接缝的抗剪切性能。安志文等[11]利用三维非线性有限元方法，对矩形截面两个主轴方向上配箍量不等的钢筋混凝土框架柱在斜向水平荷载作用下的受剪承载力进行了分析研究，结果表明，斜向水平荷载作用下钢筋混凝土框构件受压侧的两个角边易发生钢筋与混凝土的粘结破坏，在柱截面短边适量增加配箍量有利于提高斜截面受剪承载力。王玉璋等[12]系统的分析了黏弹性橡胶连梁阻尼器在低周往复加载和高周往复加载作用下的力学特性。结果表明，这种阻尼器具有良好的能量耗散能力，并且可以为结构提供足够的附加阻尼和抗侧移刚度。但这种阻尼器的力学性能在低周和高周往复加载作用下呈现出较为明显的下降趋势。钱稼茹等[13]提出用不同的连接方法对四块预制墙和一块现浇墙进行了拟静力测试。研究结果表明，预制剪力墙的破坏模式与现浇剪力墙的破坏模式相似，通过套筒浆锚连接和套筒浆锚间接搭接可以有效的对竖向钢筋的应力进行传递。李宁波等[14]提出使用竖向钢筋套筒挤压连接方法测试了四种类型的预制钢筋混凝土剪力墙结构。研究表明，套筒连接方法可以有效地传递钢筋的应力，并且可以实现小地震而无破坏，中等地震可修复，结构不倾倒的地震设防目标。刘家彬等[15]提出采用水平缝与U型闭合筋连接的方法并对全尺寸预制混凝土剪力墙结构试件进行低周反复载荷试验。研究结果表明，预制混凝土剪力墙形状的损坏和能量的消耗与现浇试件大致相同。

本文将阻尼器作为干式耗能连接件，将其用于装配式框-剪结构竖缝连接节点，以代替目前装配式结构后浇竖缝节点，以一个采用灌浆套筒竖向连接的全装配式框-剪结构试验模型为研究对象，将墙体部分进行不同方式的竖向拆分，并采用连续双圆孔型软钢阻尼器重新拼接预制构件，分别建立不同拆分方式的装配式框-剪结构和现浇结构的有限元模型，采用数值模拟的方法研究墙体预留竖缝宽度及位置对结构受力性能的影响。

1 有限元模型建立

根据文献[1]中以一个灌浆套筒竖向连接的全装配式框架-剪力墙结构抗震性能试验模型尺寸及材料属性为依据，构建1榀1/2比例两层两跨装配式框-剪结构有限元模型，采用与试验相同的材料属性，钢筋材料属性见表1，混凝土抗压强度见表2所示。

表2 实测混凝土立方体抗压强度

采用有限元分析软件ABAQUS建模，框架柱、剪力墙边柱、框架梁由B31梁单元来模拟，采用*ELCOPY命令为其配筋，钢筋单元根据面积等效的原则建立。剪力墙采用通用性较好的S4R壳单元建模，采用Rebar Layer双层双向对墙体配筋，钢筋强度等级HRB400，现浇框-剪结构(RCFW-1)有限元模型，如图1所示。

采用尺寸为90mm×180mm、钢材为Q235的连续双圆孔型软钢阻尼器，软钢阻尼器采用通用性较好的S4R壳单元建模，其与装配式框-剪耗能结构中预制墙体预留竖缝正反两面的约束采用Tie约束，设置预留竖缝宽为20mm、30mm、40mm和保持预留竖缝宽一致为20mm且距离预制墙体边缘300mm处设置预留竖缝，分别构建装配式框-剪结构有限元模型，四个模型分别为PCFW-1、PCFW-2、PCFW-3、PCFW-4，如图2～图5所示。采用与试验相同的加载方案，加载制度为单调加载，左侧施加水平位移荷载，对有限元模型进行受力性能分析。

图1 RCFW-1

图2 PCFW-1

图3 PCFW-2

图4 PCFW-3

图5 PCFW-4

2 材料模型

框架梁、柱用钢筋混凝土纤维梁单元材料子程序来做，阻尼器使用Q235钢材的本构，墙体的混凝土本构关系采用损伤塑性模型(Concrete damaged plastic model，简称CDP)进行分析。CDP模型是一个基于塑性的连续介质损伤模型，使用各向同性损伤弹性结合，各向同性拉伸和压缩塑性的模式来表征混凝土的非弹性行为，其假定拉伸开裂和压缩破碎为混凝土材料的主要破坏机制；拉伸等效塑性应变表征拉伸强化如图6所示；压缩等效塑性应变表征压缩硬化如图7所示；单轴拉、压荷载循环如图8所示。钢筋双折线强化模型(Bilinear kinematic hardening model，简称BKIN)应力-应变曲线屈服后直接进入强化段，如图9所示。

图6 拉伸强化

图7 压缩硬化

图8 混凝土单轴拉、压荷载循环图

图9 钢筋双折线强化模型

3 计算结果分析

对四个装配式模型PCFW-1、PCFW-2、PCFW-3、PCFW-4与现浇模型RCFW-1，进行受力性能对比分析。

3.1 预留竖缝宽对结构受力性能影响分析

在相同的加载方案、加载制度下，RCFW-1、PCFW-1、PCFW-2、PCFW-3进行对比分析，研究预留竖缝宽对装配式框-剪结构受力性能的影响，图10为荷载-位移曲线；表3为试件的峰值荷载比较。

图10 荷载-位移曲线

表3 试件的峰值荷载比较

从图10和表3可以看出，RCFW-1比PCFW-1峰值荷载大2.06%，比PCFW-2峰值荷载大2.55%，比PCFW-3峰值荷载大3.51%，表明RCFW-1分别与PCFW-1、PCFW-2、PCFW-3受力性能大致相同，但随着预留竖缝宽的增大，装配式框-剪结构承载力有所减小。在装配式框-剪结构中，剪力墙主要承担水平方向的侧向力，当预留竖缝宽度增大时，装配式框-剪结构中剪力墙的抗侧能力减弱，从而导致装配式框-剪结构承载力下降。

图11为刚度退化曲线。RCFW-1初始刚度略高于PCFW-1、PCFW-2、PCFW-3，但随着预留竖缝宽的增大，装配式框-剪结构初始刚度略有减小，刚度退化基本一致。

图11 刚度退化曲线

3.2 预留竖缝位置对结构受力性能影响分析

在相同的加载方案、加载制度下，RCFW-1、PCFW-1、PCFW-4进行对比分析，研究预留竖缝位置对装配式框-剪结构受力性能的影响，图12为荷载-位移曲线；表4试件的峰值荷载比较。

图12 荷载-位移曲线

表4 试件的峰值荷载比较

从图12和表4可以看出，RCFW-1与PCFW-4极限承载力相差2.02%，与PCFW-1极限承载力相差2.06%，表明不同预留竖缝位置对承载力影响不大，在装配式框-剪结构中，剪力墙主要承担水平方向的侧向力，剪力墙中预留竖缝的存在会降低装配式框-剪结构的极限承载力，但当预留竖缝位置发生改变时，对结构的受力性能影响不大。

图13为刚度退化曲线，PCFW-4初始刚度略大于PCFW-1，刚度退化基本一致。

图13 刚度退化曲线

4 结论

通过对1榀1/2比例两层两跨装配式框-剪结构进行数值模拟，得到如下结论。

(1)预留竖缝宽对装配式框-剪结构承载力有一定影响。随着预留竖缝宽的增大，装配式框-剪结构承载力逐渐减小，装配式框-剪结构初始刚度略有减小。

(2)设置不同的预留竖缝位置对模拟结果的影响并不十分显著，PCFW-1与PCFW-4受力性能大致相同且与RCFW-1接近，刚度退化基本一致。

本文初步验证装配式框-剪结构中，墙体部分竖向拆分并用阻尼器连接的可行性，为相关试验研究及实际工程提供理论依据。