房建鋼-混凝土結構抗震反應分析與力學性能試驗

摘要：為了推動我國裝配式抗側力結構體系在房建鋼-混凝土結構中的工業化應用，通過在裝配式抗側力鋼柱外圍澆筑混凝土的方法制備了裝配式抗側力墻試件，對裝配式抗側力墻在水平荷載下的破壞形態、滯回曲線和骨架曲線進行研究；利用ABAQUS軟件，對裝配式抗側墻試件進行抗震反應分析，并與實驗數據進行了比較。結果表明，水平荷載作用下裝配式抗側力墻結構的破壞形態與ABAQUS有限元軟件分析的結果較為吻合，加載過程中試件會出現鋼筋綴件彎曲變形、翼緣/混凝土分離和腳部混凝土大塊脫落等現象；裝配式抗側力墻結構的滯回曲線、骨架曲線等抗震實驗參數試驗結果與模擬結果吻合，可為該技術支撐提供重要參考。

關鍵詞：裝配式；抗側力墻；水平往復荷載；有限元模擬；抗震性能

中圖分類號：TQ178；TU317文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0068-04

Seismic response analysis and mechanical property test of steel-concrete structure of housing construction

CHI Hongyi，WANG Xiaojing，WANG Jiwu，MA Binbin，LI Guanghui，FENG Tiancheng，CHEN Deliang，CHI Hongli

（Beijing Urban Construction Road and Bridge Construction Group Co.，Ltd.，Beijing 100124，China）

Abstract：In order to promote the industrial application of the prefabricated lateral force resistance structure system in the steel-concrete structure of housing construction，the prefabricated lateral force resistance wall specimens were prepared by pouring concrete on the periphery of the prefabricated lateral force resistant steel column，and the failure mode，hysteresis curve and skeleton curve of the prefabricated lateral force resistance wall under horizontal load were studied.ABAQUS software was used to analyze the seismic response of the assembled sidewall speci?mens，and compared with the experimental data.The results show that the failure mode of the prefabricated lateral force wall structure under horizontal load is consistent with the analysis results of ABAQUS finite element software，and the specimens will have the bending deformation of the reinforcement patches，the separation of the flange/con?crete，and the falloff of the foot concrete during the loading process.The test results of seismic experimental param?eters such as hysteresis curve and skeleton curve of prefabricated lateral force wall structure are consistent with thesimulation results，which can provide an important reference for the technical support.

Key words：assembly type；lateral force resisting wall；horizontal reciprocating load；finite element simulation；seis?mic performance

裝配式鋼結構建筑是由鋼（構）件構成的裝配式建筑結構體系，相較于裝配式混凝土建筑具有施工便捷、基礎造價更低、綠色環保、建筑使用面積更大和抗震性能更好等優點[1]，在美國、日本、加拿大和法國等國家已有著廣泛應用。而我國的裝配式建筑工業的起步較晚，隨著近年來裝配式建筑規范、標準和政策在我國的不斷推出（如GB/T 51232—2016《裝配式鋼結構建筑技術標準》、JGJ/T 469—2019《裝配式鋼結構住宅建筑技術標準》等）[2]，裝配式鋼結構建筑的發展迎來了巨大發展機遇，不斷開發出鋼支撐、多肢鋼管混凝土格構柱等傳統抗側力鋼構件[3，4]，以及鋼板/鋼支撐組合、鋼框架/填充墻構件等新型抗側力鋼構件[5，6]，但是前者存在標準化設計程度低、裝配式施工困難，后者存在構件的強度、剛度無法滿足整體結構抗震設防等要求，在很大程度上限制了裝配式抗側力結構的工業化應用[7-9]。為了在項目中采用裝配式抗側力鋼-混凝土結構，本文以裝配式抗側鋼柱為研究對象，在其周邊澆注可塑性混凝土，研究其抗震性能。以期為裝配式抗側力墻結構的工業化應用提供技術支撐與參考。

1試驗設計與建模

1.1試驗設計

圖1為抗側力墻的結構示意圖，鋼柱結構包括H型鋼梁（Q345鋼、截面尺寸為250 mm×125 mm×6 mm×9 mm、鋼梁長度為900 mm）、加勁肋（Q345鋼，200 mm×125 mm×15 mm）、螺栓（10.9級M16，孔徑17.5 mm）、柱肢（80 mm×80 mm×5 mm方鋼管、長度2 500 mm）、墊塊（Q345鋼，80 mm×10 mm×40 mm）、鋼片（Q345鋼，100 mm×4 mm×100 mm）、鋼筋綴件（Φ22 mm HRB335鋼筋，細部尺寸a和b分別為10 mm和40 mm，與柱肢夾角為45°）和外部改性聚苯顆粒混凝土墻板（C7.5級，900 mm×125 mm×2 500 mm）。

依據GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗》標準對Q345鋼、HRB335鋼筋和10.9級螺栓進行室溫拉伸性能測試，Q345鋼、HRB335鋼筋的屈服強度為365、345 MPa、抗拉強度625、485 MPa、斷后伸長率22.6%、24.7%、彈性模量為2.02×105、2.03×105 MPa，10.9級螺栓的屈服強度為845 MPa、抗拉強度1 145 MPa、斷后伸長率11.2%。依據GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》測得改性聚苯顆粒混凝土立方體試件的抗壓強度為7.93 MPa，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。

1.2模型建立

采用ABAQUS有限元軟件對抗側力墻試件進行數值模擬[10，11]，各結構件（H型鋼梁、柱肢、螺栓、鋼片、混凝土等）的三維模型按照實體結構形式設計，鋼材和混凝土的材料屬性根據實測結果輸入到實體模型中，整體結構形式與圖1保持一致。

在模擬加載過程中，對H形鋼梁進行縱向受力40 kN，兩端受橫向Z向往復荷載；定義柱肢/墊塊、鋼筋綴件/鋼片、鋼筋綴件/墊塊接觸形式為“綁定”，螺栓/孔壁、螺帽/翼緣接觸形式為“小滑移”，翼緣/混凝土接觸形式為“有限滑移”，混凝土與柱肢、鋼片等的接觸形式為“內置區域”約束[12]。在劃分網格單元時，利用C3D8R單元對H型鋼梁（網格單元尺寸16 mm）、墊塊（網格單元尺寸20 mm）、墊塊（尺寸8 mm）、螺栓（尺寸2 mm）、混凝土（120 mm）進行網格劃分。采用C3D10MH單元對鋼筋綴件（網格單元尺寸11 mm）進行網格劃分。建模完成后，在可視化模塊中對裝配式抗側力結構件進行與實體結構件相同的擬靜力加載試驗[13，14]，當結構件的抗側力降低至極限荷載的85%或者連接部件嚴重破壞時停止加載。

2結果與分析

2.1破壞過程

當水平位移加載至10 mm時，裝配式抗側力墻試件的墻面開始出現豎向微裂紋，裂紋位置在鋼梁/混凝土連接處附近；當位移加載至12 mm時，墻面豎向微裂紋逐漸增多的同時開始出現橫向裂紋；增加位移至15 mm，墻面裂紋數量增多、寬度變大；在位移為20 mm時，豎向裂紋和橫向裂紋不斷擴展，墻板邊緣處混凝土出現破碎，并在位移增加至30 mm時出現混凝土/鋼連接板脫離現象；在位移為40 mm時，翼緣/墻板裂縫增加至8 mm，同時可聽見部件摩擦產生的碰撞聲、局部混凝土發生脫落；繼續增加位移至50 mm，混凝土/鋼連接板脫離和混凝土脫落現象愈發顯著，并在位移為60 mm時承載力急劇下降至極限荷載的85%以下，鋼筋綴件出現明顯彎曲變形、翼緣/混凝土分離、腳部混凝土大塊脫落。

在加載過程中，墻板局部區域會出現較大的應力而產生微裂紋，與墻板加載試驗過程中多處出現裂紋的結構相吻合；鋼筋綴件的應力云圖和加載試驗的破壞形貌都表明，鋼筋綴件在加載過程中會出現局部屈曲；鋼梁/連接板連接處的應力云圖表明在連接處會出現應力集中，這與H型鋼梁/連接板連接處出現裂縫的試驗結果相吻合。整體而言，水平荷載作用下裝配式抗側力墻結構的破壞形態與ABAQUS有限元軟件分析的結果較為吻合。

2.2滯回曲線

圖2為裝配式抗側力墻結構的滯回曲線。

由圖2可知，從試驗和仿真中得出的滯回曲線都比較充分。整體呈現出“捏縮”特征，體現出裝配式抗側力墻結構具有較好的抗震性能。此外，有限元模擬得到的滯回曲線采用了更為理想化的模型邊界條件、約束條件，且在模擬過程中沒有考慮鋼柱結構件的殘余應力等[15]，因此滯回曲線模擬結果會相對試驗結果更為飽滿，但是整體變化趨勢較為吻合。

2.3骨架曲線

圖3為裝配式抗側力墻結構的骨架曲線。

由圖3可知，從試驗結果看，加載初期試件由于處于彈性變形階段，抗側力會隨著位移增加而線性增大；隨著位移的逐漸增大，骨架曲線的斜率變小，試件逐漸進入彈塑性變形階段；當位移增加至12 mm時，試件的抗側力為43.16 kN，而隨著位移逐漸增加，試件的極限抗側力增加至85.48 kN。整體而言，模擬得到的骨架曲線與試驗結果的變化趨勢較為吻合[16]。

2.4剛度退化曲線

圖4為裝配式抗側力墻結構的剛度退化曲線。

由圖4可知，在加載初期，試驗與模擬得到的剛度退化曲線中的剛度退化較快，而當位移增加至20 mm時，剛度退化趨勢變緩且未出現剛度突變，二者的剛度退化曲線變化趨勢基本一致。

2.5延性試驗

表1為裝配式抗側力墻結構的延性試驗結果與模擬結果。

由表1可知，正向加載和負向加載過程中模擬得到的屈服位移、極限位移與試驗結果相差不大，延性系數平均值為3.92，與試驗結果誤差在5%以內。試驗和模擬得到的位移延性系數平均值gt;3且較為接近，可見裝配式抗側力墻結構具有較好的變形能力[17]。

2.6耗能能力

圖5為裝配式抗側力墻結構的耗能能力試驗結果與模擬結果。

由圖5可知，裝配式抗側力墻試件的耗能能量隨位移變化的試驗結果與模擬結果較為吻合，即在開始彈性變形階段的耗能能量較小，且耗能隨著位移增加而逐漸增大，但是相同位移下數值模擬得到的耗能能量要高于試驗結果，這主要與數值模擬采用了更為理想化的模型邊界條件、約束條件，且在模擬過程中沒有考慮鋼柱結構件的殘余應力等有關[18]，這與前述的滯回曲線相吻合。

表2為裝配式抗側力墻結構的等效粘滯阻尼系數試驗結果與模擬結果。在相同加載位移條件下，等效粘滯阻尼系數的模擬結果要大于試驗結果，但是誤差控制在10%以內，表明本文的數值模擬可以對裝配式抗側力墻結構的等效粘滯阻尼系數進行可靠預測。

3結語

（1）裝配式抗側力墻結構在水平位移加載至10 mm時，墻面開始出現豎向微裂紋，裂紋位置在鋼梁/混凝土連接處附近；隨著加載位移逐漸增大，墻面裂紋數量逐漸增多、裂紋寬度增大，并逐漸出現混凝土/鋼連接板脫離、混凝土脫落現象，在位移為60 mm時承載力急劇下降至極限荷載的85%以下，鋼筋綴件出現明顯彎曲變形、翼緣/混凝土分離、腳部混凝土大塊脫落。水平荷載作用下裝配式抗側力墻結構的破壞形態與ABAQUS有限元軟件分析的結果吻合；

（2）試驗得到的滯回曲線和模擬得到的滯回曲線都較為飽滿，整體呈現出“捏縮”特征，體現出裝配式抗側力墻結構具有較好的抗震性能，二者的滯回曲線整體變化趨勢吻合；

（3）裝配式抗側力墻受力特性測試與仿真計算值基本一致，但由于數值模擬采用了更為理想化的模型邊界條件、約束條件，且在模擬過程中沒有考慮鋼柱結構件的殘余應力等，二者仍然有一定誤差。

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（責任編輯：張玉平）