裝配式鋼結構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

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

當前裝配式鋼結構住宅所特有的優點雖然有目共睹但其整體性和抗震性的問題卻不可忽略，特別是作為圍護結構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構相連接是裝配式鋼結構建筑設計時的重點和難點，因此研究裝配式結構點式外掛混凝土幕墻的相關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構的研究工作已有一定進展，如文獻[1-5]分別通過試驗、數值模擬以及理論分析方法對帶墻板鋼框架結構進行了研究。國內學者主要通過模擬地震荷載或低周反復荷載來開展相關方面的研究，并得出了許多有益結論[6-9]。目前，對地震荷載下外掛復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荷載數值模擬，并考慮有無外掛幕墻的因素。通過觀察結構的應力應變分布，并著重分析滯回曲線、骨架曲線等內容，揭示地震荷載下該結構體系的側向受力性能及軸向壓力、外掛幕墻對鋼框架受力的影響，力求為此類結構的工程應用提供參考依據。

1 數值模擬概況

1.1 分析模型

模擬共設計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)鋼材之間焊接優良，焊縫不會發生撕裂、斷裂。

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

(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，忽略后期可能產生的偏心對試件產生的影響。

(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生滑移。

1.2 本構模型和單元選擇

(1)鋼材的本構模型。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 鋼材的應力(σ)-應變(ε)關系曲線

(2)混凝土的本構模型。混凝土材料的彈塑性特征是指受拉及受壓狀態下混凝土材料有不同的表現，因此外掛混凝土幕墻的有限元本構模型為《混凝土結構設計規范》(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 數值模擬結果

三榀結構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鍵區域的應力云圖進行分析對比。對GKJ1與GKJ2的應力云圖結果進行比較分析以研究軸向壓力對外掛幕墻-鋼框架結構體系抗震性能的影響，對GKJ1與GKJ3的應力云圖結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出并繪制出模型的滯回曲線，其結果如圖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”現象，曲線基本沒有鋸齒現象，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構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，提高結構體系的耗能能力和抗震能力。觀察該兩榀結構在加載前期的加載和卸載曲線，可以發現GKJ3的彈性剛度相較于GKJ1更小，表明外掛幕墻提高了結構體系的剛度。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構體系的承載能力。

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現GKJ1的骨架曲線始終在GKJ2的外側，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同作用，軸向壓力在前期對結構的抗側力影響較小，±2Δy循環后逐漸起到增加結構抗側力的作用，導致加載后期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現GKJ1的骨架曲線始終在GKJ3的外側，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構的受力，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同作用可以提高結構體系的承載能力，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構體系的剛度。