裝配式鋼結(jié)構(gòu)點式連接外掛混凝土幕墻抗震性能研究

完海鷹， 陸 飛， 陳安英

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

當前裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅所特有的優(yōu)點雖然有目共睹但其整體性和抗震性的問題卻不可忽略，特別是作為圍護結(jié)構(gòu)重要組成部分的外墻體是如何通過合理的連接方式與主體結(jié)構(gòu)相連接是裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計時的重點和難點，因此研究裝配式結(jié)構(gòu)點式外掛混凝土幕墻的相關(guān)抗震性能就有極其重要的意義。

近年來，針對帶墻板鋼框架結(jié)構(gòu)的研究工作已有一定進展，如文獻[1-5]分別通過試驗、數(shù)值模擬以及理論分析方法對帶墻板鋼框架結(jié)構(gòu)進行了研究。國內(nèi)學(xué)者主要通過模擬地震荷載或低周反復(fù)荷載來開展相關(guān)方面的研究，并得出了許多有益結(jié)論[6-9]。目前，對地震荷載下外掛復(fù)合墻板與鋼框架共同作用及抗震性能的研究尚不多見。

本文對該連接節(jié)點進行了受力性能的理論分析，并分別對有軸向壓力和無軸向壓力的外掛幕墻-鋼框架體系進行低周反復(fù)荷載數(shù)值模擬，并考慮有無外掛幕墻的因素。通過觀察結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布，并著重分析滯回曲線、骨架曲線等內(nèi)容，揭示地震荷載下該結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向受力性能及軸向壓力、外掛幕墻對鋼框架受力的影響，力求為此類結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 數(shù)值模擬概況

1.1 分析模型

模擬共設(shè)計3榀足尺的單層單跨鋼管框架模型，如圖1所示，其中2個為帶外掛幕墻鋼框架，1個為空鋼框架，并對其中2榀框架施加軸壓比為0.2的軸向壓力。具體尺寸見表1。

圖1 ABAQUS有限元模型

表1 試件尺寸表

利用非線性方法模擬的模型比較復(fù)雜，所以對模型進行了適度的簡化和假定，從而在不影響模型計算結(jié)果正確的前提下提高運算效率。模型采用的簡化方法和基本假定如下所示：

(1)鋼材之間焊接優(yōu)良，焊縫不會發(fā)生撕裂、斷裂。

(2)上節(jié)點、下節(jié)點和梁柱的連接螺栓與連接件之間協(xié)同工作，螺栓不會發(fā)生相對位移。

(3)位移加載始終處于水平方向，軸向壓力始終處于豎直方向，忽略后期可能產(chǎn)生的偏心對試件產(chǎn)生的影響。

(4)外掛混凝土墻板的鋼筋骨架與混凝土之間接觸良好，不會產(chǎn)生相對位移。

(5)鋼墩和底梁，鋼柱和鋼墩連接良好，不會隨著位移加載產(chǎn)生滑移。

1.2 本構(gòu)模型和單元選擇

(1)鋼材的本構(gòu)模型。有限元模擬的模型中的鋼材采用的是基于Von-Mises屈服準則的二次塑流模型以及雙折線模型[10]。對于模型中的鋼梁、鋼柱、鋼墩、底梁以及上下節(jié)點均采用二次塑流模型，如圖2a所示。對于模型中的高強螺栓和鋼筋骨架采用雙折線模型，如圖2b所示，兩根折線分別代表彈性階段和強化階段。

圖2 鋼材的應(yīng)力(σ)-應(yīng)變(ε)關(guān)系曲線

(2)混凝土的本構(gòu)模型?；炷敛牧系膹椝苄蕴卣魇侵甘芾笆軌籂顟B(tài)下混凝土材料有不同的表現(xiàn)，因此外掛混凝土幕墻的有限元本構(gòu)模型為《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010-2010)[11]中混凝土塑性損傷模型，如圖3所示。

圖3 混凝土損傷塑性模型

2 數(shù)值模擬結(jié)果

三榀結(jié)構(gòu)體系的有限元模型模擬計算分析完成后，即可對有限元模型關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)力云圖進行分析對比。對GKJ1與GKJ2的應(yīng)力云圖結(jié)果進行比較分析以研究軸向壓力對外掛幕墻-鋼框架結(jié)構(gòu)體系抗震性能的影響，對GKJ1與GKJ3的應(yīng)力云圖結(jié)果進行比較分析以研究外掛幕墻對抗震性能的影響。

2.1 滯回曲線比較分析

對GKJ1、GKJ2和GKJ3的有限元模型計算結(jié)果進行分析，將有限元模型中位移荷載施加參考點RP1的水平方向反力和位移導(dǎo)出并繪制出模型的滯回曲線，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 滯回曲線對比圖

(1)GKJ1和GKJ2的有限元模型在加載前期，其加載和卸載曲線基本上為斜直線，說明在加載前期表現(xiàn)出一定的彈性性能；GKJ1和GKJ2的有限元模型的滯回曲線為“梭形”，中間無“捏縮”現(xiàn)象，曲線基本沒有鋸齒現(xiàn)象，加載后期曲線的波動較小，滯回曲線比較飽滿，說明耗能能力良好。其中GKJ2的最大承載力高于GKJ1，GKJ2卸載過程中曲線斜率減小程度小于GKJ1，這是由于GKJ2有軸向壓力的存在使得同樣的地震荷載下橫向位移偏小，意味著軸向壓力可以提高結(jié)構(gòu)體系的承載能力和耗能能力。

(2)對GKJ1和GKJ3有限元模型計算的滯回曲線進行比較可以看出GKJ1的滯回曲線較GKJ3更加飽滿，意味著GKJ1擁有更好的耗能能力，這是因為GKJ1帶有的外掛幕墻可以和鋼框架形成一個整體進行受力，在加載后期可以消耗大量的能量，提高結(jié)構(gòu)體系的耗能能力和抗震能力。觀察該兩榀結(jié)構(gòu)在加載前期的加載和卸載曲線，可以發(fā)現(xiàn)GKJ3的彈性剛度相較于GKJ1更小，表明外掛幕墻提高了結(jié)構(gòu)體系的剛度。同時GKJ1滯回曲線峰值也較GKJ3高，說明外掛幕墻同時提高了結(jié)構(gòu)體系的承載能力。

2.2 骨架曲線比較分析

有限元模型計算得到的骨架曲線結(jié)果如圖5所示。

圖5 骨架曲線對比圖

(1)對GKJ2和GKJ1有限元模型骨架曲線的對比發(fā)現(xiàn)GKJ1的骨架曲線始終在GKJ2的外側(cè)，意味著同一加載位移下GKJ1的荷載更大，這是由于軸向壓力的存在使得鋼框架的約束更強，加強了鋼框架和外掛幕墻的協(xié)同作用，軸向壓力在前期對結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力影響較小，±2Δy循環(huán)后逐漸起到增加結(jié)構(gòu)抗側(cè)力的作用，導(dǎo)致加載后期GKJ1的承載力始終高于GKJ2。

(2)對GKJ1和GKJ3有限元模型骨架曲線的對比可以發(fā)現(xiàn)GKJ1的骨架曲線始終在GKJ3的外側(cè)，意味著在加載過程中同一加載位移GKJ1始終較大。尤其是加載中后期隨著外掛幕墻逐漸參與整體結(jié)構(gòu)的受力，GKJ1與GKJ3的承載力差距逐漸變大，說明了鋼框架和外掛幕墻的協(xié)同作用可以提高結(jié)構(gòu)體系的承載能力，其中GKJ1正向極限承載力較GKJ3提高了9.6%，負向極限承載力較GKJ3提高了8.7%。而GKJ1正向彈性剛度較GKJ3提高了8.6%，反向彈性剛度較GKJ3提升了4.8%，說明外掛幕墻提升了結(jié)構(gòu)體系的剛度。