外挂预制混凝土墙板装配式钢框架结构抗震性能研究

2021-06-21孙雨欣

安徽建筑 2021年6期

孙雨欣

（1.安徽省建筑科学研究设计院，安徽合肥 230031；2.安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽合肥 230031）

1 前言

装配式建筑以其具有建筑工业化程度高，施工速度快，生产成本低等特点，在世界各国均有大量工程建造。我国自2015年住建部出台《建筑产业现代化发展纲要》后也开始大力发展装配式建筑。外围护墙板，作为装配式建筑重要组成部分，其自身受力性能、与主体框架之间的连接构造以及装配式结构整体受力特性一直是装配式建设设计施工时需要重点考虑的实际工程问题。目前对于带有外挂墙板的钢框架受力性能已有部分研究，文献[1]进行了钢框架内嵌复合墙板抗震性能试验，深入探讨了此类结构的抗震性能。文献[2]针对一种新型钢框架-嵌挂结合型密肋复合墙板结构建立有限元模型并探究不同因素对结构性能的影响。文献[3]进行了带有单排配筋再生混凝土薄墙板的轻钢框架低周往复荷载试验，探究了此类装配式钢结构的滞回性能。文献[4]通过建立非线性有限元模型，研究了带外挂墙板钢管混凝土柱框架的计受力性能。

虽然许多学者针对带有外挂墙板的装配式结构已有部分研究成果，但由于影响此类装配式结构受力性能的研究参数较多，因此需要进一步研究此类结构的力学性能。本文对带有外挂预制混凝土墙板的装配式钢框架结构进行了低周往复荷载作用下的有限元模拟，考虑了是否带有外挂墙板对结构受力性能的影响因素，着重对计算所得滞回曲线及骨架曲线进行分析，探究了两种外挂墙板点式连接方式及轴压比对结构弹性刚度及水平承载力的影响。

2 有限元计算模型

2.1 模型几何尺寸

本文共设计四榀足尺单层单跨钢框架模型，编号为SF1～4，其中SF1为空钢框架模型。其余三榀为带有外挂预制混凝土墙板的钢框架模型，外挂墙板采用点式连接。为研究外挂墙板连接方式对结构受力性能的影响，设计两榀钢框架采用下托式连接外挂墙板，一榀钢框架采用上挂式连接外挂墙板。为减小外挂墙板对钢框架受力性能影响，所有外挂墙板的重力支座均设为固定节点，水平支座均采用扩大螺孔连接空间的水平活动节点。所有模型柱端均施加轴向荷载，模型具体参数如图1及表1所示。

图1 有限元模型

表1 有限元模型参数

2.2 材料本构模型及单元选择

2.2.1 钢材本构模型

钢材采用二次塑流模型，其应力-应变关系表达式如下：

2.2.2 混凝土本构模型

混凝土采用《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）附录C中推荐的混凝土塑性损伤模型，其应力-应变关系曲线见图2（b）。

图2 材料的应力(σ)-应变(ε)关系曲线

2.2.3 有限元模型

模型采用八节点减缩积分三维实体单元（C3D8R），不同部件之间界面法向采用硬接触，切向采用罚函数，界面间摩擦系数取为0.25。采用牛顿法进行迭代计算。在梁中心水平高度处建立参考点，将参考点与柱端外侧面施加耦合约束。在框架柱底施加固定约束，在钢框架柱顶施加轴向荷载并保持恒定，对参考点施加水平往复荷载，有限元模型见图1。

3 有限元分析结果

3.1 外挂墙板影响

对比分析试件SF1与试件SF2、SF4有限元计算所得荷载-位移曲线如图3（a）、图3（b）所示。在加载初期，试件加载曲线为斜直线，且加卸载曲线基本重合，表明试件在加载初期处于弹性阶段。随着试件水平位移不断增大，加载曲线斜率出现下降，同时试件加卸载曲线开始分离，试件进入弹塑性阶段。三个试件滞回曲线均较为饱满，无明显捏拢及承载力突变，表明试件在较大水平侧移情况下仍能够保持平稳的水平承载力并且具有较好的耗能能力。

对比试件SF1与试件SF2、SF4滞回曲线可以看出，带有外挂墙板的试件SF2、SF4，其滞回曲线包络面积大于空框架试件SF1。尤其当试件水平位移角超过1/150后，同级加载位移下，试件SF2、SF4滞回曲线包络面积显著增大，表明在加载后期外挂墙板与钢框架共同受力，明显提高结构整体耗能能力，同时使试件SF2、SF4水平极限承载力有所提高。

对比试件SF1与试件SF2、SF4骨架曲线可知，采用下托式连接的外挂墙板钢框架试件SF2正向水平承载力相比于空框架试件提高了31.4%，负向水平承载力提高了29.7%；采用上挂式连接的外挂墙板钢框架试件SF4正向水平承载力相比于空框架试件提高了19.5%，负向水平承载力提高了20.3%。加载初期，试件SF1、SF2和SF4的弹性刚度较为接近，其正负向弹性刚度相差不超过5%，结果表明采用水平活动节点的外挂墙板对结构整体初始刚度影响不大，只在结构侧向出现较大变形后才参与结构整体受力。

3.2 轴压比影响

对比试件SF2、SF3滞回曲线如图3（c）所示，轴压比为0.4的试件SF3，其滞回曲线包络面积大于轴压比为0.2的试件SF2。同级加载位移下，试件SF3正负向水平承载力均大于试件SF2，表明适当提高轴压比能够对框架提供较强约束，提高结构整体耗能能力。

对比试件SF2、SF3骨架曲线可知，轴压比为0.4的试件SF3正向水平承载力相比于轴压比为0.2的试件SF2提高了32.7%，负向水平承载力相提高了28.6%。试件SF3正向弹性刚度相比于试件SF2提高了12.4%，负向弹性刚度提高了11.8%。结果表明适当提高框架柱顶轴压比能够增强框架整体约束，提高结构水平承载力及抗侧刚度。

3.3 连接方式影响

对比试件SF2、SF4滞回曲线如图3（d）所示，当框架处于弹性加载阶段及弹塑性阶段初期，两试件滞回曲线无明显差别，当水平荷载接近试件极限承载力时，采用下托式连接的外挂墙板钢框架试件SF2其滞回曲线包络面积略大于采用上挂式连接的外挂墙板钢框架试件SF4。由于采用下托式连接，试件SF2的地梁为墙板提供较大约束作用，提高了单层框架整体耗能能力。

图3 滞回曲线对比图

对比试件SF2、SF4骨架曲线可知，两试件弹性刚度较为接近，数值相差在5%以内。采用下托式连接的外挂墙板钢框架试件SF2正向水平承载力相比于上挂式连接的外挂墙板钢框架试件SF4提高了8.7%，负向水平承载力相提高了9.6%。结果表明，在加载初期两种外挂墙板点式连接方式对结构受力性能影响无明显差别，在加载后期，由于采用下托式连接的地梁为外挂墙板提供较大约束，使结构整体水平承载力略有提高。