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      螺栓連接多層全裝配式混凝土墻板結(jié)構(gòu)彈性階段抗震性能研究

      2022-03-12 04:14:44李錫洲鐘易張勝
      特種結(jié)構(gòu) 2022年1期
      關(guān)鍵詞:墻板現(xiàn)澆裝配式

      李錫洲 鐘易 張勝

      長沙遠(yuǎn)大住宅工業(yè)集團(tuán)股份有限公司 410000

      引言

      螺栓連接多層全裝配式混凝土墻板結(jié)構(gòu)是由預(yù)制墻板作為豎向承重及抗側(cè)力構(gòu)件,預(yù)制樓板作為樓蓋,預(yù)制構(gòu)件之間通過預(yù)埋套筒、連接盒、螺栓連接形成的結(jié)構(gòu)體系[1]。當(dāng)前關(guān)于螺栓連接多層全裝配式混凝土墻板結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究中,更多關(guān)注于連接節(jié)點(diǎn)[2]和單獨(dú)墻體[3]的受力分析和設(shè)計,對于建筑整體的抗震性能卻缺乏相關(guān)的研究。然而,建筑整體參數(shù)尤其是建筑高度、寬度對結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度有非常大的影響。結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計時,需注重抗震概念設(shè)計,限制房屋高度、層數(shù)和高寬比。隨著建筑高度和層數(shù)增加,房屋的倒塌率概率隨之增加[4]。通過約束最大房屋高度和層數(shù)可以限制總地震作用的大小,限制高寬比則可以防止建筑出現(xiàn)整體彎曲的情況。因此,為保障該新型全裝配式建筑的安全性,開展相關(guān)抗震性能研究顯得尤為重要。

      本文引用《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2011)[5]中的方法,基于有限元軟件ETABS,分析該結(jié)構(gòu)體系接近規(guī)程中規(guī)定的最大建筑高度、層數(shù)和高度高寬比限值時,在彈性階段(多遇地震)下其扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、層間位移角等抗震性能指標(biāo)。并對比分析裝配式模型與現(xiàn)澆模型彈性階段的計算結(jié)果,研究螺栓連接多層全裝配式混凝土墻板結(jié)構(gòu)的抗震性能。

      1 工程概況

      本文以一棟住宅建筑為研究對象。根據(jù)《螺栓連接多層全裝配式混凝土墻板結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 809—2021)[1]規(guī)定的房屋總高度、層數(shù)和高寬比限值(見表1),針對不同地震烈度地區(qū)限值不同情況,對建筑的高度、層數(shù)以及平面尺寸進(jìn)行調(diào)整以使其接近規(guī)程中的限值,最終得到三組建筑A組、B組和C組(見表2),門窗洞口僅布置于縱墻,平、立面示意見圖1。每組模型分別用現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)和全裝配式結(jié)構(gòu)兩種不同的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行計算。為了模擬結(jié)構(gòu)在最不利條件下的抗震性能,計算時假定地震作用全部由外墻承擔(dān),內(nèi)部墻體不提供結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度。

      表1 螺栓連接多層全裝配式混凝土墻板結(jié)構(gòu)房屋的總高度、層數(shù)和高寬比限制Tab.1 The allowable number of total height,stories and height-weight ratio of buildings

      表2 模型基本信息Tab.2 Basic information of models

      圖1 模型平面及立面示意Fig.1 Plan and elevation of models

      A組、B組和C組結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級均為C35,鋼筋選用HRB400?,F(xiàn)澆剪力墻模型橫、縱墻均為140mm厚實(shí)心混凝土墻;全裝配式模型橫、縱墻均為200mm厚預(yù)制夾心混凝土墻,由內(nèi)、外葉各70mm厚混凝土與60mm厚夾心保溫材料組成,構(gòu)造見圖2。

      圖2 預(yù)制墻板構(gòu)造示意Fig.2 Schematic diagram of prefabricated wall panels

      數(shù)值模擬計算相關(guān)的參數(shù):結(jié)構(gòu)安全等級為二級,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0,設(shè)計使用年限為50年。樓面均布活荷載取值為2.0kN/m2,屋面為不上人屋面,均布活荷載取值為0.5kN/m2。風(fēng)荷載按照50年一遇基本風(fēng)壓0.55kN/m2取用,雪荷載按照0.4kN/m2取用。建筑抗震設(shè)防類別為丙類,場地類別為Ⅲ類,設(shè)計地震分組為第一組。

      2 有限元模型建立

      2.1 材料參數(shù)及邊界條件

      采用ETABS2018有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,根據(jù)A組、B組、C組的結(jié)構(gòu)分別建立現(xiàn)澆和裝配兩種計算模型。混凝土和鋼筋的彈性模量按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[6]取值。螺栓連接多層全裝配式混凝土墻板結(jié)構(gòu)體系的連接方式為:用螺栓桿一端預(yù)埋在預(yù)制構(gòu)件中或與預(yù)埋套筒相連,另一端伸入連接盒用螺母緊固,使構(gòu)件連成整體(見圖3)。根據(jù)湖南大學(xué)奚樹杭等完成的連接節(jié)點(diǎn)相關(guān)性能研究,裝配式模型中螺栓連接的彈塑性本構(gòu)模型如圖4所示[7]。

      圖3 螺栓連接Fig.3 Bolt connection

      圖4 螺栓連接彈 塑性本構(gòu)模型 Fig.4 Elastic-plastic constitutive equation of bolt connection

      對于邊界條件:地面視為剛性地面;對現(xiàn)澆建筑模型,按照傳統(tǒng)現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的形式進(jìn)行建模;對裝配建筑模型,由于建筑墻體與基礎(chǔ)間及墻體與墻體間通過螺栓進(jìn)行連接,墻板水平拼縫和豎向拼縫間實(shí)際約束方式為點(diǎn)約束,建模時水平和豎向接縫采用非線性連接單元LINK彈簧連接,各點(diǎn)約束的間距按規(guī)程的要求選用為1m,根據(jù)奚樹杭等[7]研究結(jié)論和試驗(yàn)數(shù)據(jù),非線性彈簧連接滯回類型選擇Kinematic,有效剛度取為240000kN/m。

      2.2 模型建立

      模型中墻體、樓板均采用殼單元模擬,其中裝配模型使用分層殼單元模擬中間的保溫材料,各層厚度按工程實(shí)際厚度輸入。有限元模型見圖5和圖6。

      圖5 有限元模型(現(xiàn)澆模型)Fig.5 Finite element model(cast-in-place)

      圖6 有限元模型(裝配模型)Fig.6 Finite element model(precast)

      地震作用效應(yīng)與其他荷載效應(yīng)的基礎(chǔ)組合按式(1):

      式中:γG、γw分別為重力荷載和風(fēng)荷載分項系數(shù);γEh、γEv分別為水平和豎向地震作用分項系數(shù);ψw為風(fēng)荷載組合值系數(shù);SGE、SEhk、SEvk和Swk分別為重力荷載代表值的效應(yīng)、水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)、豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)和風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)。

      3 計算結(jié)果

      3.1 周期和振型

      根據(jù)有限元分析,在彈性階段(多遇地震),A、B、C組的現(xiàn)澆模型和裝配模型計算得到的周期及振型特征分別見表3、表4、表5。

      表3 周期及振型特征(A組)Tab.3 Period and vibration(Group A)

      表4 周期及振型特征(B組)Tab.4 Period and vibration(Group B)

      根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)的要求,周期比計算按式(2):

      式中:Tt為結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期;T1為平動為主的第一自振周期。

      從計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在彈性階段下,裝配模型平動為主的第一自振周期T1大于現(xiàn)澆模型,但周期比小于現(xiàn)澆模型。各模型的周期比,分別為:0.440(A組現(xiàn)澆模型)、0.239(A組裝配模型)、0.406(B組現(xiàn)澆模型)、0.139(B組裝配模型)、0.442(C組現(xiàn)澆模型)、0.181(C組裝配模型),現(xiàn)澆模型和裝配式模型計算出的結(jié)果均滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定周期比不應(yīng)大于0.9的要求。

      3.2 層間位移角

      根據(jù)有限元分析,地震作用下A、B、C組計算得到結(jié)構(gòu)層間位移角分別見圖7、圖8、圖9。

      圖7 A組層間位移角(抗震設(shè)防烈度6度)Fig.7 Elastic story drift of group A(Intensity 6)

      圖8 B組層間位移角(抗震設(shè)防烈度7度)Fig.8 Elastic story drift of group B(Intensity 7)

      圖9 C組層間位移角(抗震設(shè)防烈度8度)Fig.9 Elastic story drift of group C(Intensity 8)

      由有限元分析結(jié)果可知,多遇地震荷載作用下,各模型的X向位移均大于Y向位移。各模型的樓層位移比較,裝配模型的樓層位移大于現(xiàn)澆模型的樓層位移。各模型的最大的層間位移角很小,分別為:0.000028(A組現(xiàn)澆模型)、0.00005(A組裝配模型)、0.00008(B組現(xiàn)澆模型)、0.000421(B組裝配模型)、0.000081(C組現(xiàn)澆模型)、0.000379(C組裝配模型),遠(yuǎn)小于規(guī)范中剪力墻結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/1000的規(guī)定。

      4 結(jié)論

      通過有限元模擬對螺栓連接多層全裝配式混凝土墻板結(jié)構(gòu)在彈性階段(多遇地震)下整體抗震性能進(jìn)行分析,能夠得到以下結(jié)論:

      1.對于相同的建筑而言,在彈性階段,采用螺栓連接多層全裝配式混凝土墻板結(jié)構(gòu)的建筑周期和層間位移角略大于采用傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的建筑,但其數(shù)值滿足規(guī)范相應(yīng)的指標(biāo)要求。說明螺栓連接多層全裝配式混凝土墻板結(jié)構(gòu)的剛度略小于傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu),但在規(guī)程規(guī)定的最大層數(shù)、高度和高寬比限值下,仍然能夠滿足建筑抗震性能的要求。

      2.在最大高寬比控制下,通過數(shù)值模擬計算,螺栓連接多層全裝配式混凝土墻板結(jié)構(gòu)前兩個振型是以Y方向和X方向平動為主的振型,扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)于第三振型,且周期比小于0.9。說明結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向的動力特征接近,扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較小,抗扭剛度較大。

      3.在規(guī)程規(guī)定的最大層數(shù)、高度和高寬比限值下,螺栓連接多層全裝配式混凝土墻板結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角數(shù)值很小,遠(yuǎn)小于規(guī)范中對剪力墻結(jié)構(gòu)層間位移角限值的要求。說明該新型結(jié)構(gòu)體系在彈性階段(多遇地震)下結(jié)構(gòu)側(cè)向位移很小,抗側(cè)剛度較大,整體抗震性能良好,此時該結(jié)構(gòu)體系具有較大的結(jié)構(gòu)安全儲備。

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