新型震后可修复预制混凝土填充墙板抗震性能研究

摘 要：为了解决预制混凝土墙板在强震作用下损伤严重、结构功能难以快速恢复的问题，提出了一种带防屈曲耗能杆的柔性连接预制混凝土填充墙板（flexible connected prefabricated concrete wall panel，FCWP）。首先，介绍了新型墙板的概念及工作原理；其次，采用ABAQUS有限元软件对耗能杆及预制混凝土填充墙板进行了有限元模拟；最后，对比分析了FCWP和传统刚性连接预制填充墙板（traditional rigid connected prefabricated wall panels，RCWP）在低周往复荷载下的受力机理及损伤模式。结果表明：RCWP加载初期预制墙板底部出现水平裂缝，墙板右底部出现逐渐向左上部延伸的斜裂缝，随着位移的持续增大，斜裂缝在墙板跨中贯通，结构破坏；FCWP中防屈曲约束耗能杆发挥了优异的耗能能力，预制墙板仅在底部及顶部与耗能杆连接部分出现裂缝，损伤程度较轻。所提新型柔性连接墙板应力及损伤显著低于刚性连接墙板，且损伤主要集中于耗能杆，具有较好的耗能能力和震后可恢复能力。

关键词：结构设计；预制混凝土墙板；柔性连接；可更换；防屈曲约束耗能杆；抗震性能

中图分类号：TU375.4 文献标识码：A

Research on seismic performance of new post-earthquake repairable prefabricated concrete infill wall panels

Abstract：

In order to solve the problem of severe damage to prefabricated concrete wall panels under strong seismic action and difficulty in quickly restoring structural function， a flexible connected prefabricated concrete wall panel （FCWP） with buckling-restrained energy dissipater was proposed. Firstly， the concept and working principle of the new type of wall panel were introduced. Secondly， Abaqus finite element software was used to conduct finite element simulation on the energy dissipater and prefabricated concrete wall panel. Finally， the stress mechanism and damage mode of FCWP and traditional rigid connected prefabricated wall panels （RCWP） under low cycle reciprocating loads were compared and analyzed. The results show that during the initial loading of RCWP， horizontal cracks appeared at the bottom of the prefabricated wall panel， and diagonal cracks gradually extended to the upper left of the wall panel. As the loading amplitude increases， the diagonal cracks penetrated through the mid span of the wall panel， causing structural failure. The buckling-restrained energy dissipater in FCWP exhibits excellent energy dissipation capacity， and cracks only appear in the connection parts between the bottom and top of the prefabricated wall panel and the damper， with relatively mild damage. The proposed new flexible connected prefabricated wall panels effectively improve the seismic performance and post-earthquake recovery ability of prefabricated wall panel structures by introducing buckling-restrained energy dissipater into the structure.This new connection provides a new idea and method for the seismic design of prefabricated wall panel structure， which has important engineering application value.

Keywords：

structural design；prefabricated concrete wall panels; flexible connection; replaceable; buckling-restrained energy dissipater; seismic performance

随着可持续发展观念的不断深入，具有低碳、环保、节能等特点的装配式建筑得到了社会的广泛认可[1]。装配式混凝土结构和装配式钢结构均属于中国大力推广的绿色环保建筑[2-3]，近些年在绿色建筑和建筑工业化的推动下，预制填充墙板得到了广泛应用[4-5]。但预制填充墙板作为非结构构件，在设计时一般不参与结构承载力计算[6]，随着研究人员对实际震害调查的不断深入，发现预制填充墙板引起的“刚度效应”和“短柱效应”是导致结构破坏的主要因素。预制填充墙板可能会因结构震后节点破坏而出现脱落、倒塌现象，由此引发严重的二次震害。因此，如何改进预制填充墙板的连接方式并提高其抗震性能，成为近些年抗震领域的研究热点。

研究人员针对预制混凝土墙板不同连接方式的抗震性开展了大量工作。郭宏超等[7]对2个单层单跨 1∶3 缩尺刚性连接再生混凝土墙板钢框架结构进行了拟静力试验，结果表明墙板在刚性连接节点处损伤严重，与钢框架出现分离现象。陈晓等[8]通过拟静力试验研究了叠合填充墙板对框架结构抗震性能的影响，结果表明柔性连接叠合填充墙板框架试件降低了墙板刚度对主体结构的影响，有效抑制了“短柱效应”。种迅等[9-10]设计了一种在预制混凝土墙板与主体结构间设置U型钢板消能器的减震外挂墙板，并以此为基础，对单跨2层含减震墙板预制混凝土框架进行了拟静力试验，表明该减震结构具有良好的变形能力和耗能能力，与纯框架结构相比具有较强的刚度和极限承载力。陈强等[11]通过试验研究了一种“上挂下坐”式柔性连接一体化内嵌墙板对钢框架结构抗震性能的影响。上述研究表明，柔性连接构造能够显著提高预制墙板框架结构的延性，减轻墙板损伤。然而，现有柔性连接预制墙板的研究主要集中于其抗震性能，并未关注其震后可修复性，亟需开展如何提高其震后可修复能力使其震后功能快速恢复方面的研究。

为了提高预制混凝土墙板的震后可修复能力，本文提出一种新型带可更换耗能杆的柔性连接预制墙板结构，阐述防屈曲耗能杆与预制墙板结构的工作机理，并以此为基础进行柔性连接预制墙板结构的理论公式推导。对防屈曲耗能杆的轴向拉压试验进行有限元模拟，并基于该模拟结果建立新型柔性连接墙板有限元模型，分别对新型柔性连接墙板及传统刚性连接墙板有限元模型进行低周往复加载，通过对比2种不同形式连接墙板的抗震性能差异，以此验证新型柔性连接预制墙板结构优异的抗震性能与震后可恢复能力。

1 新型柔性连接预制墙板

1.1 新型墙板概念提出

目前，建筑行业中预制混凝土墙板与主体结构的连接主要采用套筒灌浆和焊接等刚性连接方式，刚性连接预制混凝土填充墙板（traditional rigid connected prefabricated wall panels，RCWP）结构见图1。采用刚性连接时预制墙板与主体结构共同承受荷载，其优点是结构整体刚度较大，但在结构承受较大荷载产生变形后会引起墙板严重损伤。

本文提出一种带防屈曲耗能杆的柔性连接预制混凝土填充墙板（flexible connected prefabricated concrete wall panel，FCWP），预制混凝土墙板顶部与框架梁通过防屈曲耗能杆连接结构，见图2。底部与框架梁固结，防屈曲耗能杆与框架梁及预制墙板均采用铰接。本文选用了文献[12]和文献[13]提出的一种防屈曲耗能杆，该耗能杆已经通过试验验证了其优异的耗能能力。LI等［14］将此耗能杆应用于连肢剪力墙间的连梁中，结果表明该耗能杆能够有效提高结构耗能能力及抗震性能。防屈曲耗能杆由竹节型核心棒和外约束圆套管组成，见图3。

其中竹节型核心棒由竹节和屈服段组成，竹节在耗能杆承受轴向荷载时保持弹性，屈服段用来耗散地震能量。核心棒和外约束圆套管间无需填充砂浆，大幅减轻耗能杆质量，外约束圆套管保持弹性，防止耗能杆受压时整体失稳。防屈曲耗能杆具有成本低、质量轻及耗能优异等优点，其两端与框架和预制墙板铰接，安装及震后拆卸方便，可大幅提高预制墙板的震后修复能力。在地震荷载作用下，新型墙板的塑性变形主要集中于防屈曲耗能杆，通过与框架梁铰接，可以实现震后快速拆卸及更换，使结构功能快速恢复。

1.2 新型墙板工作原理

安装防屈曲耗能杆的新型柔性连接预制墙板在地震荷载作用下的变形图如图4所示。在地震荷载作用下，防屈曲耗能杆首先屈服保护主体结构，框架梁和框架柱发生弯曲变形，防屈曲耗能杆分别承受轴向拉力和压力，耗能杆竹节保持弹性，2根耗能杆受拉屈服段变形伸长。另外，2根耗能杆受压屈服段变形缩短，耗散地震能量，外约束圆套管约束耗能杆屈服段的侧向变形，防止耗能杆受压整体失稳。新型墙板的塑性变形主要集中在耗能杆的屈服段，从而减轻主体结构损伤。

通过调整耗能杆的倾斜角度、直径、布置方式等参数，以方便对初始刚度进行调整，有效减小框架结构的侧向位移。方便拆卸和更换震后损伤的耗能杆，其质量较轻，且与框架梁及预制墙板通过销轴铰接，可大幅减少更换时间和更换成本。震后不需更换预制墙板和框架梁，从而使框架结构震后的恢复能力进一步提升。

该预制墙板结构抗侧刚度在设计与使用中具有重要作用。在弹性阶段，初始刚度主要由混凝土框架及4根防屈曲耗能杆共同提供，依据文献[13]及文献[15]对钢筋混凝土框架及竹节型防屈曲耗能杆刚度进行设计并计算。FCWP的弹性抗侧刚度按照式（1）进行简化设计。

K=Kf+Ke，（1）

式中：K为柔性连接预制混凝土填充墙板结构的弹性抗侧刚度；Kf为混凝土框架弹性抗侧刚度；Ke为框架内防屈曲耗能杆弹性抗侧刚度。

其中，

式中：δb为混凝土框架弯曲变形；δs为混凝土框架剪切变形；h为框架层高；Ec为混凝土弹性模量；Ic为框架柱截面惯性矩；μ为剪应力分布不均匀系数；ic为框架柱线刚度；αc为刚度修正系数。

框架内防屈曲耗能杆抗侧刚度Ke根据刘烨[13]提出的串联刚度模型进行计算。

式中：θ为防屈曲耗能杆与框架梁间夹角；E为防屈曲耗能杆弹性模量；Lz，Lj，Lg分别为耗能杆竹节段、竹间段及过渡段长度；Az，Aj，Ag分别为耗能杆竹节段、竹间段及过渡段截面面积。

综上所述，FCWP的弹性抗侧刚度如式（6）所示：

2 数值分析模型建立

2.1 防屈曲耗能杆有限元验证

本文基于LIU等[12]对防屈曲耗能杆进行的轴向拉压试验建立有限元模型。耗能杆有限元模型选用八节点线性六面体缩减积分实体单元（C3D8R），外部约束圆套管设定为弹性，竹节型核心棒定义为弹塑性材料，材料塑性采用考虑硬化效应的循环硬化本构。接触模型切向定义为Coulomb摩擦行为，法向定义为硬接触，外约束圆套管两端定义为固支，仅释放竹节型核心棒纵向约束，并对其两端对称施加位移荷载。模拟耗能杆应力-应变滞回曲线与文献[12]结果对比见图5，结果表明模拟试验结果与文献[12]结果吻合较好。耗能杆试验过程中表现出稳定的滞回响应，加载过程中未出现局部或整体失稳现象，滞回曲线较为饱满，大致呈“梭形”，表明该耗能杆具有良好的耗能能力。本文基于该防屈曲耗能杆设计柔性连接预制墙板结构，模拟分析其抗震性能。

2.2 预制填充墙板有限元模型建立

RCWP中预制混凝土墙板与框架底梁间采用注浆法固接[16]，墙板顶部设置拉结筋伸入框架顶梁，FCWP墙板底部与框架梁间采用注浆法固接，墙板顶部与框架梁间通过防屈曲耗能杆实现点支撑柔性连接。根据冉怀方等[17]对预制混凝土墙板结构中点支撑位置对结构的影响，确定了FCWP中耗能杆的位置。防屈曲耗能杆与框架顶梁夹角为30°，防屈曲耗能杆的核心棒长度为390 mm，耗能杆竹节及屈服段直径取值分别为19 mm和10 mm。基于种迅等[9]对含减震外挂墙板的装配式混凝土联同支剪力墙进行的数值分析研究，采用ABAQUS有限元软件分别对本文中RCWP和FCWP破坏模式、承载能力及耗能能力进行对比分析。

RCWP与FCWP中混凝土强度等级均为C30，本构模型选用混凝土塑性损伤模型，泊松比为0.2，其弹性模量Ec、抗拉强度ft、抗压强度fc等均根据《混凝土结构设计标准》（2024年版）（GB 50010—2010）[18]进行计算。钢筋强度等级为HRB400，选用二次塑流本构模型模拟实际受力特征，FCWP中耗能杆竹节型核心棒为Q235B级钢材，采用考虑硬化效应的循环硬化本构，弹性模量取值为207 GPa，定义屈服强度为235 MPa。连接件钢材等级为Q345，抗拉强度ft、屈服强度fy等参数均采用文献[13]中实测值。参考何利等[19]对UHPC幕墙钢筋混凝土框架结构及庞瑞等[20]对预制混凝土复合填充墙的有限元建模参数选取，建立RCWP和FCWP有限元模型。其中框架梁、柱及墙板选用八节点线性六面体减缩积分单元（C3D8R），钢筋选用两节点线性三维桁架单元（T3D2），钢筋采用Embedded 的方式嵌入至混凝土内，不考虑钢筋与混凝土间的粘结滑移。

3 抗震性能数值模拟结果

3.1 耗能能力

水平荷载-顶点位移曲线的形状能够直观反映结构的宏观力学性能，模拟得到RCWP与FCWP水平荷载-顶点位移滞回曲线如图7所示。

通过2种模型的滞回曲线能够得到如下结论。

1）加载初期主要由框架结构承受荷载，RCWP与FCWP在出现裂缝前曲线基本保持线弹性趋势，结构中各构件处于弹性工作状态。

2）随着结构顶部位移的逐渐增大，RCWP裂缝不断扩展，结构受到滑移作用影响，滞回曲线出现轻微“捏缩”现象，曲线饱满度较差，大致呈“弓形”。对于FCWP，其滞回曲线形状较为饱满，曲线大致呈“梭形”。这是由于FCWP中耗能杆通过拉伸和压缩变形耗散大量能量，随着结构位移与荷载的持续增加，滞回环面积进一步增大，表现出更加优异的耗能能力。因此，FCWP的耗能能力优于RCWP。

3.2 刚度及承载力

依据滞回曲线中各位移对应的峰值荷载提取结构骨架曲线，RCWP与FCWP水平荷载-顶点位移骨架曲线对比如图8所示。

通过RCWP和FCWP骨架曲线能够得出如下结论。

1）RCWP与FCWP在加载初期基本呈弹性阶段，骨架曲线均大致为直线。RCWP相较于FCWP初始刚度较大，原因为RCWP中墙板与框架间节点固接，整体性较好。当加载至框架梁端及柱底出现塑性铰区时，骨架曲线逐渐趋于平缓。随着位移的不断增大，RCWP塑性区域持续开展，骨架曲线斜率下降，结构刚度不断降低。FCWP骨架曲线相较RCWP较为平缓，斜率下降较为缓慢，表明墙板损伤较轻，结构刚度退化速度较慢。

2）RCWP相较于FCWP具有更大的峰值荷载，主要原因为RCWP四周与框架结构均为固结，提供的承载力更大，但墙板后期损伤也更为严重。FCWP随着耗能杆核心棒屈服后应变硬化，墙板承载力逐渐增大，损伤主要集中于耗能杆，大幅减轻墙板损伤，通过更换损伤耗能杆，可实现震后功能快速恢复。

3.3 破坏模式

RCWP与FCWP墙板受拉损伤云图及加载全过程应力云图分别如图9、图10所示。

1）由图9、图10可知，对于RCWP，在加载初期各构件基本保持弹性工作状态。当RCWP顶部位移达到5 mm时，框架柱底及梁端出现塑性铰区，墙板底部受拉产生未贯通水平裂缝，墙板自右柱底部至左柱顶部出现细微斜裂缝，此时墙板应力主要集中在该对角线方向，并沿该对角线逐渐向墙板跨中发展。持续加载至RCWP顶部位移达到15 mm时，框架梁、柱中多根纵筋屈服，梁端和柱底出现多条水平裂缝。墙板底部水平裂缝不断加粗，裂缝长度接近贯通墙板，墙板自右柱底部至左柱顶部出现多条斜裂缝，墙板对角线方向出现大面积应力集中。最终RCWP顶部位移加载至35 mm时，框架梁、柱端混凝土损伤严重，墙板跨中应力不断增大，墙板底部水平裂缝贯通，对角线方向多条斜裂缝不断延伸扩展并贯通，墙板轻微面外变形，损伤较为严重。

2）对于FCWP，当结构顶部位移加载至5 mm时，结构最大应力主要集中于防屈曲耗能杆中核心棒的屈服段，墙板与耗能杆连接节点位置由于受到耗能杆的拉力和压力出现部分应力集中，FCWP墙板应力远小于RCWP。随着FCWP顶点位移持续加载至15 mm，框架梁、柱端分别沿水平和竖直方向开裂。墙板受耗能杆拉力和压力产生的斜裂缝逐渐向跨中延伸，墙板与框架底梁间采用固结，墙板底部出现自左、右柱端向跨中延伸的水平裂缝。结构应力依然集中在耗能杆屈服段，墙板产生应力较小。当FCWP顶部位移达到35 mm时，框架纵筋屈服，梁、柱端混凝土损伤严重，墙板与顶部斜裂缝持续向跨中发展，墙板底部水平裂缝向跨中延伸但并未形成贯通，损伤程度较轻。FCWP应力主要集中在防屈曲耗能杆屈服段，墙板应力相较于RCWP略小，无明显应力集中。

通过分析FCWP和RCWP 2种不同连接方式的预制混凝土墙板结构受拉损伤云图能够得出，FCWP中墙板损伤与应力主要出现在板顶与耗能杆连接部位，且墙板损伤区域相较RCWP减少了约80%。FCWP中耗能杆应力主要集中在屈服段，同时竹节保持弹性工作状态以提供稳定的支撑和约束，墙板及框架损伤显著低于RCWP，具有更强的耗能能力，如图11所示。

RCWP框架破坏模式为弯剪型，墙板底部水平裂缝贯通，对角线方向裂缝大致成X型，结构损伤较为严重，墙板出现了部分面外偏移变形，可能出现墙板脱落。FCWP中防屈曲耗能杆发挥了优异的耗能能力，结构加载过程中应力、应变主要集中在耗能杆屈服段，通过耗能杆屈服段拉伸与压缩变形耗散了大量能量，大幅减轻了框架与墙板的损伤，耗能杆通过销轴与墙板及框架铰接，震后能够更换耗能杆使结构重新投入使用，实现结构功能的震后快速恢复，具有较好的震后可修复性。

4 结 语

为了提升预制填充墙板的震后可修复能力，本文对带防屈曲耗能杆的FCWP的抗震性能进行了对比，通过数值分析，得出的主要结论如下。

1）RCWP滞回曲线受到滑移影响，出现轻微“捏缩”现象，曲线饱满度较差，大致呈“弓形”；FCWP滞回曲线形状较为饱满，大致呈“梭形”，FCWP中耗能杆通过拉伸和压缩变形耗散大量能量，且随着结构位移的持续增加，滞回环面积进一步增大，表现出更加优异的耗能能力，FCWP耗能能力显著优于RCWP。

2）FCWP结构应力及损伤显著低于RCWP。墙板RCWP破坏时墙板底部水平裂缝贯通，对角线方向裂缝大致呈X型，墙板出现轻微面外变形，框架及墙板损伤严重。FCWP破坏时框架梁、柱端混凝土损伤较为严重，耗能杆承受拉力与压力产生拉伸和压缩变形耗散大量能量，结构应力及损伤主要集中在耗能杆屈服段，墙板损伤程度较轻，相较于RCWP具有更好的抗震性能。

3）FCWP中防屈曲耗能杆通过销轴分别与框架及墙板铰接，损伤主要集中于防屈曲耗能杆，墙板损伤大幅减轻，震后通过更换损伤的耗能杆，能够实现结构功能快速恢复的目的。

本研究仅对新型柔性连接预制混凝土填充墙板进行了数值模拟，未来还需进一步对柔性预制墙板进行试验验证，并研究耗能杆的直径、倾斜角度及布置方式对墙板抗震性能的影响规律。

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