采用不同連接方式的外掛UHPC幕墻鋼筋混凝土框架結構抗震性能研究

何利，種迅，沙慧玲，等.2024.采用不同連接方式的外掛UHPC幕墻鋼筋混凝土框架結構抗震性能研究［J］.地震研究，47（1）：094-104，doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0031.

He L，Chong X，Sha H L，et al.2024.Study on seismic performance of reinforced concrete frame structure with UHPC cladding panels using different connection systems［J］.Journal of Seismological Research，47（1）：094-104，doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0031.

摘要：為研究超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，簡稱UHPC）幕墻與主體結構間不同連接方式對結構抗震性能的影響，提出了適用于UHPC幕墻的新型柔性連接和耗能連接方式。設計了4種單層單跨鋼筋混凝土框架結構，分別為UHPC幕墻采用柔性連接、耗能連接和剛性連接方式的框架結構及不含幕墻的純框架結構。利用有限元軟件ABAQUS對4種結構進行了靜力推覆分析和彈塑性時程分析，對比研究其在水平地震作用下的損傷機制以及動力荷載作用下的抗震性能。結果表明：4種模型中主體結構的最終損傷模式一致，均在梁端和柱腳出現塑性鉸；幕墻與主體結構采用剛性連接時，連接節點處螺栓發生破壞，連接附近的墻板及框架梁損傷嚴重；采用柔性連接和耗能連接方式時，連接節點處的墻板和連接螺栓均保持完好。彈塑性時程分析結果表明：采用耗能連接方式時，水平地震作用下主體結構的損傷狀態較輕，結構在3條地震波作用下的位移響應相比柔性連接模型減小了24.8%、32.9%和36.5%，減震效果顯著。

關鍵詞：UHPC幕墻；柔性連接；耗能連接；剛性連接；抗震性能

中圖分類號：TU973+.31"""文獻標識碼：A"""文章編號：1000-0666（2024）01-0094-11

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0031

0"引言

隨著建筑外裝飾技術的不斷發展，建筑結構形式越來越復雜，建筑設計對建筑幕墻的通透性、美學效果及獨特性有了更高的要求。超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，簡稱UHPC）墻板具有易于造型、外型美觀、耐久性好、使用壽命長等優點，其在建筑幕墻領域的推廣應用倍受關注。UHPC幕墻技術在國外得到較為廣泛的應用，在國內也已在部分工程中得到了應用，并取得了較好的效果（陳寶春等，2019）。

UHPC幕墻作為一種非結構外圍護構件，其與主體結構之間的連接方式是影響結構安全性的重要因素。目前主體結構和外墻板之間常用的連接方式包括剛性連接、柔性連接和耗能連接。研究表明（Toniolo，Colombo，2012；Bournas et al，2014；Belleri et al，2015），墻板與結構間采用剛性連接時，二者之間無相對變形，地震作用下將會產生較強的相互作用，從而導致節點處承受較大的內力。柔性連接方式可以解決這一問題，通過設置可以產生變形的連接節點，使得墻板和主體結構在地震作用下可以相互獨立變形，從而避免二者之間的相互作用，減小對連接節點承載力的需求。柔性連接方式多采用“點連接”形式，墻板和結構之間通常設置4個連接節點。根據墻板的形式和節點連接構造的區別，墻板和主體結構在地震作用下往往會產生滑動或者轉動變形（Del et al，2019）。近年來，在結構中安裝消能減震裝置以耗散地震能量已經成為提升現代建筑抗震性能的重要方式。在UHPC幕墻與主體結構間柔性連接節點的基礎上采用耗能裝置，可以充分利用墻板和主體結構在地震作用下的相對變形，耗散地震能量，減小主體結構的損傷，因此這是一種更為合理的連接方式。而摩擦阻尼器作為消能減震裝置的一種，具有構造簡單、耗能能力強等優點，具有良好的工程應用前景。

本文首先提出了一種UHPC幕墻與主體結構間的柔性連接方式。這種連接通過在連接角鋼上設置可以讓螺栓豎向滑動的長螺栓孔，使得UHPC幕墻在地震作用下能夠產生與主體結構獨立的平面內轉動變形。然后在柔性連接的基礎上安裝摩擦阻尼器，利用墻板和主體結構間的相對轉動變形產生摩擦耗能，從而得到了UHPC幕墻與主體結構間的新型耗能連接方式。為了評估所提出的柔性連接方式和耗能連接方式的有效性，采用有限元軟件ABAQUS分別建立了4種模型，對4種模型進行了靜力推覆分析和彈塑性時程分析，系統研究了連接節點、墻板以及主體結構在地震作用下的損傷演變機制以及耗能能力。

1"新型UHPC幕墻連接節點

本文所提出的UHPC幕墻柔性連接方式如圖1a所示。墻板下部采用2個承重連接裝置（圖1e）與下層梁連接，上部采用2個限位連接裝置（圖1c）與上層梁連接。承重連接裝置包括懸臂方鋼管和承重連接角鋼（圖1f），方鋼管和連接角鋼的水平肢通過螺栓連接。在幕墻下部預埋2個套筒，與連接角鋼的豎向肢通過螺栓連接。連接角鋼的豎向肢上設有豎向開口長孔，在螺栓墊板與角鋼之間設置滑移件，螺栓可在長孔內發生豎向的滑動變形。

由于限位連接裝置不承受UHPC幕墻的重力，僅限制幕墻的平面外變形，因此限位連接裝置所需的螺栓直徑小于承重節點，且角鋼上不需設置加勁肋。限位連接角鋼（圖1d）的豎向肢上也開設豎向長孔，使螺栓可在長孔內發生豎向的滑動變形。采用這種連接方式，主體結構在地震作用下產生水平變形時，UHPC幕墻隨之進行平面內的轉動變形，幕墻轉動變形如圖1b所示。

為了有效利用主體結構與UHPC幕墻間的相對變形，在上部限位連接節點和下部承重連接節點的連接角鋼和螺栓兩側串聯摩擦片、鋼墊板、螺栓墊片和碟形彈簧組，形成摩擦耗能節點，如圖2所示。在高強螺栓上施加預緊力后，在水平地震作用下，兩塊摩擦片只會沿著連接角鋼的豎向肢滑動。通過控制高強螺栓的預緊力大小和摩擦片的摩擦系數，可以改變摩擦阻尼器的阻尼力，利用阻尼力消耗地震輸入能量，提高結構的抗震性能。

2"有限元模型

2.1"模型設計

為了對比研究采用柔性連接方式、耗能連接方式和傳統的剛性連接方式時，UHPC幕墻對于結構抗震性能的影響，筆者設計了一個單層單跨鋼筋混凝土框架（Reinforced Concrete，簡稱RC）結構。其中，混凝土強度等級選取C30，縱筋和箍筋均采用HRB400級，連接節點鋼材采用Q355。框架的尺寸和配筋見圖3a、b，UHPC幕墻板的尺寸和布置見圖3c。

每塊UHPC墻板通過上部2個限位連接節點和下部2個承重連接節點與RC框架連接，懸臂鋼管焊接在梁中的預埋件上。柔性連接節點和連接處的構造見圖4，耗能連接節點構造見圖5。上部限位連接螺栓直徑取18 mm，下部承重連接螺栓直徑取24 mm。根據何利等（2023）對轉動式柔性連接節點角鋼豎向肢開孔長度提出的設計方法，分別取上部限位連接角鋼和下部承重連接角鋼豎向肢開孔長度為80 mm和90 mm。

2.2"模型建立

利用有限元分析軟件ABAQUS建立4個模型。其中，模型一為不含UHPC幕墻的純框架結構（圖6a）；模型二為采用所提出的柔性連接方式的含UHPC幕墻的RC框架結構，節點尺寸和連接方式如圖4和圖6b所示，建模時預埋在墻板內的螺栓采用綁定方式連接；模型三為采用本文所提出的耗能連接方式的含UHPC幕墻的RC框架結構，節點尺寸和連接方式如圖5和圖6c所示，建模方式與柔性連接模型類似，區別在于連接節點處增加了用于耗能的摩擦片；模型四中將柔性連接改為剛性連接（圖6d），即將連接角鋼中的長孔改為一般的圓孔，其余參數均與模型二相同，此時UHPC墻板和主體結構之間不發生相互變形，墻板和主體結構間位移耦合。

在ABAQUS有限元分析模型中，鋼筋采用T3D2桁架單元建模，RC框架、UHPC幕墻板和連接節點等均采用C3D8R實體單元建模，RC框架采用C30混凝土損傷塑性本構。鋼材單軸受拉和受壓應力-應變本構選用理想彈塑性模型。連接節點鋼材彈性模量均為206 GPa，泊松比均為0.3。所有模型的鋼筋均內置于框架中。高強螺栓采用Chong等（2023）定義的單軸應力-應變關系，屈服強度為570 MPa，屈服應變為0.003。UHPC的受拉和受壓本構參考王衍等（2020）、楊劍和方志（2008）定義的模型，UHPC的抗壓和抗拉強度分別為138 MPa和11.7 MPa，UHPC的峰值應變為0.003 5，極限應變為0.004 5。

在柔性連接、耗能連接和剛性連接模型中，懸臂鋼管與預埋件之間，以及連接角鋼與懸臂鋼管之間的焊縫均采用Tie連接，螺栓嵌入UHPC墻板內。在柔性連接模型中，螺栓與連接角鋼之間的摩擦系數取0.15（楊參天，李愛群，2023），螺栓僅施加一個非常小的預緊力。在耗能連接模型中，采用黃銅片作為摩擦材料，建模時不單獨建立摩擦片，將摩擦耗能節點簡化為用螺栓相連的兩塊鋼板，鋼板和角鋼豎向肢之間的摩擦系數取0.15。限位連接節點和承重連接節點的螺栓預緊力均取100 kN，由庫倫摩擦定律可得，單個摩擦阻尼器出力為30 kN。根據等效線性化方法（潘鵬等，2014），此時RC框架在多遇地震下的附加阻尼比為7.3%。

2.3"摩擦阻尼器有限元模擬驗證

為了驗證摩擦阻尼器建模方式的正確性，需要將其與石文龍等（2021）設計的滑動摩擦阻尼器力學性能試驗結果進行對比（圖7）。本文選取了該研究中的第7個試驗工況作為對比，試驗裝置由耳板、上下夾板和開設長孔的滑動板組成，摩擦材料采用紫銅，試驗加載頻率為0.01 Hz，加載圈數一圈。按該研究中試驗裝置的尺寸、材料本構和摩擦系數進行建模，得到摩擦阻尼器的模擬滯回曲線和本文的試驗結果曲線對比（圖8）。從圖8可見，模擬曲線與試驗滯回曲線吻合良好，阻尼器出力穩定，摩擦阻尼器的建模方式具有合理性。

3"靜力推覆分析

在每根柱的頂部施加豎向荷載321.8 kN（設計軸壓比為0.325）。采用單調位移加載模式，將結構推覆至《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）規定的罕遇地震下鋼筋混凝土框架結構層間位移角限值1/50，即頂點位移58 mm。

3.1"RC框架損傷分析

在加載到1/50層間位移角時，4種模型框架混凝土等效塑性應變云圖和鋼筋應力云圖如圖9所示，通過云圖對比分析框架結構的損傷情況。

由圖9a可見，模型一的最大等效塑性應變出現在梁端，為0.005 53，模型二、三的最大等效塑性應變出現在同一位置，分別為0.006 19和0.005 25，與模型一的差距較小。而模型四中，在墻板連接節點處出現了明顯的應變較大區域，最大等效塑性應變值為0.011 7，是另外3個模型中最大等效塑性應變的1.9～2.2倍，且遠大于混凝土的極限壓應變，表明框架梁混凝土在這一位置地震作用下將產生較明顯損壞。

由圖9b可見，4個框架縱筋最大應變均出現在梁端和柱底，且縱筋均已達到屈服，表明4種結構模型的最終損傷模式一致。可見采用4點連接時，無論是采用柔性連接、耗能連接還是剛性連接，UHPC幕墻板對框架的損傷模式沒有明顯影響。此外，模型四中墻板連接節點附近框架梁內的箍筋應力較大，表明連接節點傳遞給框架梁的集中力在框架梁內產生了較大的剪力。

3.2"UHPC墻板和連接節點損傷分析

UHPC墻板造價相比普通預制混凝土墻板較高。因此，減少或者避免UHPC墻板在水平地震作用下的損傷，對于降低震后的修復費用有重要意義。

圖10對比了3種模型中UHPC墻板的主壓應變云圖。由圖可知，UHPC幕墻最大壓應變發生的部位均在連接節點附近。模型二和模型三中，墻板的最大壓應變分別為0.000 138 5和0.002 86，耗能連接節點處由于摩擦阻尼器出力，使得墻板應變較大，但仍小于UHPC墻板的峰值應變（0.003 5）。模型四（圖10c）中，當位移加載至36 mm時，墻板的最大壓應變已經達到了UHPC墻板的峰值應變；當位移加載至43 mm時，壓應變""""達到了UHPC墻板的極限應變（0.004 5），說明墻板在連接節點附近出現受壓破壞。可見，柔性連接方式可以有效控制UHPC墻板在水平地震作用下的損傷。合理設計的耗能連接方式也可以避免墻板損傷，而剛性連接方式會造成墻板在地震作用下有較嚴重的損壞。

連接節點處的損傷是墻板在地震作用下的安全性的關鍵，節點破壞可能導致墻板墜落的震害。圖11分別對比了在1/50位移角時采用模型二、模型三和模型四時，在同一位置處承重連接節點高強螺栓與角鋼的Mises應力云圖。

從圖11a可見，模型二中，螺栓的最大應力為87 MPa，遠小于屈服強度，表明螺栓未發生破壞。模型三中，由于螺栓預緊力和摩擦阻尼器出力的影響，其最大應力達到了541 MPa，但仍小于屈服應力。模型四中，螺栓全截面應力均較大，承重連接節點最大應力為794 MPa，已經達到了屈服應力。此外，分析螺栓應變可知，模型三中，螺栓的最大應變出現在左上角的限位連接節點處，達到0.002 48，小于屈服應變（0.003）。模型四中，螺栓的最大應變出現在同一位置，達到0.0219，是耗能連接螺栓應變和屈服應變的8.8倍和7.3倍，表明剛性連接節點處螺栓已經破壞，墻板可能有墜落的風險。

從圖11b可以看出，在模型二和模型三中，承重連接角鋼的最大應力分別為48和64 MPa，遠小于屈服應力，表明連接角鋼未發生破壞。在模型四中，角鋼的最大應力為364 MPa，超過了角鋼的屈服應力，但相比螺栓，角鋼只有部分位置屈服，說明螺栓是這一連接方式的薄弱部位。

3.3"承載力和剛度分析

圖12對比了4種模型結構在單調加載時的水平荷載-頂點位移曲線。模型二中，墻板與主體結構之間獨立運動，墻板幾乎不參與主體結構受力，因此模型二的水平荷載-頂點位移曲線和剛度與模型一基本一致，承載力比模型一略高。模型三中，由于節點處摩擦阻尼器出力，對結構的剛度和承載力均有一定的提升效果。模型四中，由于墻板和主體結構之間存在強相互作用，結構的剛度和承載能力有明顯提升，初始剛度以及1/50層間位移角時的承載力約為柔性連接模型的1.69和1.78倍。可見，剛性連接方式對于主體結構的影響較大。

4"彈塑性時程分析

根據前述研究可知，UHPC幕墻與主體結構間采用剛性連接節點時，墻板和主體結構間產生了較強的相互作用，對框架和節點均造成了不利的影響。而對采用柔性和耗能連接方式的RC框架進行靜力推覆分析時，主體結構的損傷情況接近，UHPC幕墻都沒有發生破壞。同時，采用柔性連接方式時，墻板和主體結構相互變形獨立，墻板對主體結構的剛度和承載力影響可以忽略，柔性連接模型的抗震性能與純框架模型基本相同，因此本節僅選取模型二和模型三，對其進行X方向的彈塑性時程分析，進一步研究采用柔性和耗能連接方式時RC框架的抗震性能。

4.1"地震波選取

首先對模型結構進行模態分析，得到模型二和模型三在X方向的周期分別為0.39和0.41 s，螺栓預緊力對于結構周期的影響較小。

按照《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）要求，選取2條天然地震波（EL Centro波和Taft波）和1條人工地震波作為輸入地震波。天然地震波從美國太平洋地震工程研究中心（PEER）地面運動數據庫中選取，按照Ⅷ度（PGA=0.2 g）罕遇地震水準將輸入地震波的峰值加速度調整為0.4 g。天然地震波的加速度時程曲線如圖13a所示，為計算方便，天然地震波有效持續時間僅截取加速度時程曲線的前20 s，規范設計譜與天然地震動反應譜對比如圖13b所示。

4.2"RC框架位移響應

圖14對比了在2條天然地震波和1條人工地震波作用下RC框架的位移響應。在EL Centro波、Taft波和人工波作用下模型三的最大頂點位移分別為39.8、34.9和20.0 mm，對應的層間位移角分別為1/70、1/80和1/140。在以上3條地震波作用下，模型二的最大頂點位移分別為52.9、52.0和31.5 mm，對應的層間位移角分別為1/53、1/54和1/89。可見，設置摩擦阻尼器后，相比模型二，模型三的位移響應分別減小了24.8%、32.9%和36.5%，模型三的減震效果顯著，說明摩擦耗能連接裝置可以有效控制主體結構在地震作用下的位移響應。

4.3"RC框架損傷分析

圖15對比了在2條天然地震波和1條人工地震波作用下RC框架的等效塑性應變。在EL Centro波、Taft波和人工波作用下模型三的最大等效塑性應變為0.014 3、0.021 6和0.011 9，而模型二的最大等效塑性應變分別為0.033 0、0.043 1和0.024 5，分別是模型三的2.3、2.0和2.1倍。可見，在相同地震波作用下，設置耗能連接件可以有效耗散地震輸入能量，從而控制RC框架在地震作用下的損傷程度。

5"結論

本文提出了一種UHPC幕墻板與主體結構間的柔性連接方式和耗能連接方式。利用有限元軟件ABAQUS對單層單跨含UHPC幕墻的鋼筋混凝土框架結構進行靜力推覆分析和彈塑性時程分析，得到了以下結論：

（1）純框架模型一、UHPC幕墻與RC框架間采用柔性連接的模型二、UHPC幕墻與RC框架間采用耗能連接的模型三和采用剛性連接的模型四中，RC框架的最終損傷模式一致，均為梁端和柱腳出現塑性鉸。模型一、模型二和模型三的損傷程度差距較小，而模型四中，RC框架損傷嚴重。

（2）采用柔性連接方式時，UHPC幕墻和連接節點的應變均處于較低的范圍，墻板保持完好。采用耗能連接方式時，UHPC幕墻和連接節點的應變相比柔性連接較大，但仍處于彈性階段。采用剛性連接方式時，墻板連接節點附近的應變已經超過UHPC的極限應變，螺栓的應變也遠超屈服應變，表明螺栓已經破壞。

（3）由彈塑性時程分析結果可知，相比模型二，在3條地震波作用下模型三頂點位移分別減小了24.8%、32.9%和36.5%，減震效果顯著。采用耗能裝置時，在相同地震波作用下主體結構的損傷程度相比無耗能裝置的柔性連接模型大幅降低。在墻板與結構間設置摩擦耗能裝置可以有效耗散地震輸入能量，控制主體結構的損傷。

（4）相比柔性連接方式，耗能連接方式不僅可以將墻板和節點的損傷控制在較低的范圍，還可以增強結構在地震作用下的耗能能力，降低結構在地震作用下的位移響應和損傷程度，因此是一種更為合理的連接方式。

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Study on Seismic Performance of Reinforced Concrete Frame Structure with UHPC Cladding Panels Using Different Connection Systems

HE Li1，CHONG Xun2，SHA Huiling2，GAO Jun2，FENG Hui1，ZHAO Peng1，LI Zhipeng1

（1.Hefei University of Technology Construction Supervision Co.，Ltd.，Hefei 230051，Anhui，China）

（2.College of Civil Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，Anhui，China）

Abstract

To address the impact of different connection systems of the Ultra-High Performance Concrete（UHPC）cladding panels and the main structure on the seismic performance of the overall structure，two novel kinds of flexible and energy-dissipating connections between the UHPC cladding panels and the main structure were proposed in this study.Four single-story，single-span reinforced concrete（RC）frames were designed，including one RC frame with flexibly connected UHPC cladding panels，one RC frame with dissipative connected UHPC cladding panels，one RC frame with rigidly connected UHPC cladding panels，and a counterpart bare frame.Inelastic static analysis and nonlinear time-history analysis of the four structures were conducted using the finite element analysis software ABAQUS，and their mechanical properties and damage modes during earthquakes were compared and investigated.Results from the inelastic static analysis indicated that the ultimate damage modes were consistent for all four structures，and plastic hinges appeared at the ends of the beams and the bottom of the columns.In the rigid connection model，some of the connection bolts were damaged，and severe cracks appeared in the UHPC panels and the frame beam near the connections.In the flexible and energy-dissipating connection models，the connections and UHPC panels remained intact.The results from the nonlinear time-history analysis indicated that the displacement responses of the energy-dissipating connection model under the action of the three ground motions were reduced by 24.8%，32.9%，and 36.5%，respectively，compared to the flexible connection model，and the damage state of the energy-dissipating connection model hit by the strong earthquake was lighter，indicating a significant damage control effect.

Keywords：UHPC cladding panels；flexible connection；energy-dissipating connection；rigid connection；seismic performance

*收稿日期：2023-06-27.

基金項目：國家自然科學基金項目（52178472）；安徽省住房城鄉建設科學技術計劃項目（2023-YF094）.

第一作者簡介：何"利（1968-），教授級高工，碩士生導師，博士，主要從事結構工程、工程監理研究.

E-mail：heli@hfut.edu.cn.

?通信作者簡介：種"迅（1978-），教授，博士生導師，博士，主要從事結構工程研究.E-mail：chongxun@hfut.edu.cn.