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

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。