柔性約束下模塊化裝配式民居的抗震性能研究

(西南科技大學土木工程與建筑學院 四川 綿陽 621010)

引言

裝配式民居既滿足傳統生活與生產，也滿足時代要求的可持續性發展。但裝配式建筑因采取預制構件進行現場拼裝的方式，在與傳統建筑所用材料配筋等一樣的情況下，整體抗震性能是有所降低的。加上我國地處環太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，近年來發生的多次強震，已導致大量的人員傷亡及經濟損失，典型的包括唐山地震(7.8級)，汶川地震(8.0級)，玉樹地震(7.1級)以及雅安地震(7.0級)。因此提高抗震性能是促進我國推廣綠色裝配式建筑的關鍵性因素。

在2002年，張文芳副教授等人在一種裝配式鋼筋混凝土盒式結構房屋的每層里，設置了摩擦隔震部件，研究了此種情況的建筑地震反應分析模型和理論[1]。在2012年，碩士研究生衛杰斌和譚平研究員等人考慮高層裝配式層間隔震建筑在罕遇地震條件下，以及隔震層和其上、下部結構非線性的情況下，通過動力彈塑性分析，探究了建筑的抗震性能，研究發現設計隔震層可使高層裝配式建筑抗震性能提高一度，沒有多層建筑抗震性能提升明顯，但隔震后使室內舒適度和設備正常使用得到了保證[2]。在2013年，碩士研究生劉樂利用ABAQUS有限元軟件，研究提出了一種針對集裝箱結構的層層滑移隔震體系，結果表明，此體系減小了結構各層最大位移和結構層間位移角，提高了集裝箱結構的抗震能力[3]。在2016年，碩士研究生黃敦堅在位移的抗震性能化設計方法基礎上，提出了基于目標位移的模塊化結構層間隔震設計流程，并研究發現隨著隔震層位置的上移，模塊化建筑的隔震效果逐漸減弱，因此為提高隔震性能，應盡可能不在結構 1/2高度以上的范圍內設計隔震層[4]。在2018年，任佳妮等人以天津市靜海白領宿舍公寓為案例，探究了鋼結構的模塊-框架復合建筑結構的基礎隔震設計,研究發現基礎隔震設計使結構表現出良好的隔震效果，并且比層間隔震設計的隔震效果更好[5]。

因此本文基于ANSYS數值模擬，針對模塊化裝配式民居，提出了一種新型的柔性約束隔震設計，在建筑整體動態響應模擬中，采用彈簧組連接基礎與上部結構，并在建筑周圍建立混凝土柱用于彈簧與建筑本身相連接，整體作為一個組合構，減小地震對上部結構的影響，從而探究在地震波的作用中，柔性約束下的建筑上部結構的變形與位移情況，以此判別此柔性約束的隔震效果，為接下來模塊化裝配式民居的柔性基礎隔震技術的深入研究，提供一定的參考。

一、無柔性約束的模型仿真模擬

選取一個北京市(地震設防烈度8度，設計基本加速度值為0.2g)所建的三層模塊化裝配式居民樓為原型建立仿真模型，樓板和屋蓋厚度為200mm，柱采用40cm×40cm×9m，橫梁截面采用250mm×500mm，四周4根柱子采用40cm×40cm×2.8m，柱和梁等材料參數定義為45號鋼，材料彈性模量E=2.06×106MPa,泊松比μ=0.269，密度為7890kg/m3，柱和梁采用SOLID185單元。板的材料定義為C20混凝土，材料彈性模量E=2.6×1010MPa，泊松比μ=0.27，密度為2500kg/m3，采用SOLID186單元。建筑底部施加ALL DOF約束。分析類型選用單點響應譜，地震位移頻譜選自常用的EI-Centro波(表1)。由于混凝土的模擬計算應變位移非常小，所以本次模擬中求解器使用小變形選項進行位移計算。

表1 EI-Centro波位移譜

二、柔性約束下的模型仿真模擬

在原建筑模型的基礎上，加入柔性約束組合構，四個角周圍布置了四根混凝土柱，用彈簧組將混凝土柱與對應的建筑結構柱相連，并用彈簧組將基礎與底層面板相連，建立仿真模型(圖1)。原建筑模型材料參數定義一致，另彈簧材料參數定義為45號鋼，材料彈性模量E=2.06×106MPa,泊松比μ=0.269，密度為7890kg/m3，采用COMBIN40單元。在四根混凝土柱與平板式筏型基礎的底面，即Y=0的面，施加ALL DOF約束，柱子與建筑之間和基礎與建筑底面之間用彈簧連接進行約束。

圖1 仿真模型

三、數值結果分析

由模擬結果對比分析得，水平地震波作用下，固定端約束下建筑模型的大致變形范圍在1.613～2.663毫米，即其最大位移值為2.663毫米，柔性約束下模型的變形范圍在1.214～1.803毫米，即其最大位移值為1.803毫米，在豎向地震波作用下，柔性約束下的建筑大致變形范圍在1.15～1.795毫米，即最大位移值為1.795毫米。因此，與地面是固定端約束相比，柔性約束產生的位移變形要更小一點，即柔性約束下模塊化裝配式民居的抗震性能有所提高；柔性約束下建筑橫向變形最大位移與縱向變形最大位移相差無幾，所以加強建筑整體抗震能力時，應同時考慮水平和豎向地震作用。

四、結論

本文采用ANSYS軟件建立仿真模型，研究了模塊化裝配式民居在新型柔性約束下的動態響應，研究結果表明：(1)利用彈簧組作為基礎與裝配式民居的連接構件，將固定約束改為柔性約束，加上建筑四周彈簧組與混凝土柱組成的柔性組合構件，可減小建筑地震時的位移，從而提高建筑的整體抗震性能。(2)在預防水平地震對建筑物的破壞作用時，應同時考慮采取措施，減小豎向地震對建筑的影響。(3)柔性約束有一定的隔震能力，但效果還需加大改善，為使模型的變形位移更小，建筑整體抗震性能更好，可以適當地增加材料的相關參數和彈簧的剛度系數。

本文對于模塊化裝配式民居的新型柔性約束還處于初步研究階段，為后續彈簧組具體構造與力學性能以及點位布置等的深入研究，提供了依據與可行性，同時為隔震技術在模塊化建筑中的研究與應用提供一些參考，加快裝配式建筑在我國高烈度地區的推廣與應用。