基于劲性柱框撑体系的装配式外挂墙板模拟应用

吕秀娟,焦安亮,吴耀清

基于劲性柱框撑体系的装配式外挂墙板模拟应用

吕秀娟1,焦安亮2,吴耀清3

1. 河南建筑职业技术学院, 河南 郑州 450000 2. 中国建筑第七工程局有限公司, 河南 郑州 450000 3. 中建科技河南有限公司, 河南 郑州 450000

以某在建综合楼项目为实例，基于Abaqus软件对比研究外挂墙板在装配式劲性柱框撑体系、装配式框架体系、现浇框架体系三种工况下的破坏形态、滞回曲线、位移延性、耗能能力，提出了基于装配式劲性柱框撑体系的外挂墙板结构及节点设计方案。模拟结果表明:1.装配式劲性柱框撑体系在低周循环荷载作用下未出现破坏现象，最大应力值为6.98 Mpa，位于柱底钢板位置处；2.有外挂墙板存在的工况下，结构延性较好；3.部分耗能由外挂墙板负担，并且劲性柱框撑体系具有较高耗能能力。通过三种工况下的模拟研究，基于劲性柱框撑体系的装配式外挂墙板具有较好的受力性能，可以显著提高整体结构的耗能能力，具有较高的工程应用价值。

装配式外挂墙板; 劲性柱; 有限元分析; 耗能

装配式劲性柱混合梁框架柱结构是中国建筑第七工程局有限公司自主研发的新型装配式结构体系。该结构体系的框架柱较普通混凝土柱延性好、截面积小、抗压强度高、承载力高等特点，同时与普通预制混凝土柱相比，劲性柱框撑体系具有更好的整体性、适用性。与一般装配式结构体系传力方式不同，外挂墙板通过连接节点与劲性柱相连，自重不通过梁传递，可以有效减小梁截面面积。

目前，国内外相关学者对劲性柱体系进行了一些研究，焦安亮[1]等提出了新型装配式方钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁组合框撑体系，对6层缩比例尺模型应力分析地震荷载作用下连接节点的可靠性。张爱林[2]等对外挂墙板钢框架受力性能进行有限元分析，对比单向荷载与低周循环荷载对钢框架的受力性能。李国强[3]等对ALC墙板钢框架结构进行性能试验，分析在不同连接方式状态下钢框架的滞回性能。卢家森[4]等通过有限元模拟与结构计算，提出了新型预制外挂墙板分析方法。

但国内目前还未见关于基于劲性柱框撑体系的外挂墙板模拟应用研究。为此，本文提出基于劲性柱框撑体系的装配式外挂墙板进行数值模拟应用研究，为以后设计、生产、施工提供一些参考。

1 工程概况

本项目为中建科技河南有限公司年产100万m2装配式预制构件建设项目综合楼，位于新密市曲梁镇裕南大街与裕中路交叉口西南角，建筑底层长为67.2 m，宽为35.1 m，建筑高度16.8 m，地上4层，结构体系为装配式劲性柱混合梁框架结构，抗震设防烈度7度。

综合楼最大跨度为7.2 m，1层高5.1 m，2~4层高3.9 m，外墙采用横条板系统外挂墙板。本文采用外挂墙板尺寸为6000 mm×2500 mm×150 mm，劲性柱截面为400 mm×400 mm，框架梁截面为200 mm×400 mm。梁柱均采用C30混凝土，劲性柱外侧包50 mm厚细石混凝土。具体详见图1、2。

图 1 整体效果图

图 2 外挂墙板图

2 有限元模型建立

有限元模型按照实际工程尺寸建立，具体尺寸见下表1。建立现浇结构、装配式框架结构、装配式劲性柱结构三种模型，基于三种结构对比分析外挂墙板对整体框架的影响。模型信息见表2。

表 1 有限元模型材料信息

表 2 模型信息

2.1 单元类型与材料属性

基于ABAQUS建立有限元模型，混凝土、钢柱单元类型选取C3D8R单元；为减少单元个数，更好的模拟钢筋受力情况，钢筋单元类型选用T3D2单元。在网格划分中，对混凝土、钢柱单元进行0.1间距布种，钢筋单元进行0.01间距布种，文中所有接触按照Tie接触进行选取。

2.2 边界条件与载荷

劲性柱底部将边界条件U1、U2、U3、R1、R2、R3设为0。模型整体受重力荷载，为使模型能够更快计算结果，对模型采用位移加载，加载制度按0.25∆、0.5∆、0.75∆∆、2∆、3∆、4∆、5∆、6∆、7∆控制。

3 模拟结果分析

对比分析在装配式劲性柱框撑体系、装配式框架体系、现浇框架体系不同工况下外挂墙板及框架结构的破坏形态、滞回曲线、延性、耗能能力。

3.1 破坏形态

通过对比模型A、B、C，在模型A工况下，装配式劲性柱框撑体系在低周循环荷载作用下未出现破坏现象，最大应力值为6.98 Mpa，位于柱底钢板位置处；在模型B工况下，装配式框架体系出现破坏情况，最大应力值为2.25 Mpa，出现在混凝土柱柱中。在水平地震力作用下，最大应力值超过C30混凝土抗拉强度，混凝土柱出现破坏；在模型C工况下，梁柱节点位置出现破坏。详见图3。

(a) 模型A应力云图 Stress nephogram of model A (b) 模型B应力云图 Stress nephogram of model B (c) 模型C应力云图Stress nephogram of model C

3.2 滞回曲线

对比分析图4中三种模型的滞回曲线可知：

3.2.1 模型A在位移加载初期，滞回曲线呈现梭形，框架具有较大恢复能力。随着位移加载增大，滞回曲线出现轻微“捏拢”现象。考虑在数值模拟中，假定钢筋与混凝土不出现小滑移，即在真实工程中结构“捏拢”现象应有所增加。

3.2.2 模型B加载初期滞回曲线也为梭形，但随着加载位移增大，由于钢筋混凝土柱对位移约束较小，“捏拢”现象加剧。

3.2.3 模型C由于未添加外挂墙板，荷载全部由框架梁、柱承担，滞回曲线呈弓形状。

(a)模型A滞回曲线 Hysteretic curves of model A (b)模型B滞回曲线 Hysteretic curves of model B (c)模型C滞回曲线 Hysteretic curves of model C

图 4 滞回曲线图

Fig.4 Hysteretic curves

3.3 位移延性

位移与屈服位移之比，其中极限位移为∆，屈服位移为。表3为三种模型位移延性对比表。

表 3 位移延性系数对比

劲性柱钢板将混凝土外圈包围，混凝土承载力提高且钢板抗弯力增大，模型A延性系数较B提高25.9%。模型A、B延性系数均高于模型C，这表明了在有外挂墙板存在的工况下，结构延性较好。

3.4 耗能能力

图 5 耗能模型

图 6 外挂墙板配筋图

滞回曲线所包围面积作为结构的耗能能力判定标准，下图给出了累计耗能W与累积循环次数N的关系。下图5可以看出，在循环荷载开始初期，三种模型耗能相差不大。在加载中期，模型A耗能较其他两种模型开始增加，模型A、B耗能均超过模型C，这表明在有外挂墙板的工况下，部分耗能由外挂墙板负担。在加载后期，模型A较其他两种结构体系耗能明显增加，这表明劲性柱框撑体系具有较高耗能能力。

4 设计建议

4.1 外挂墙板设计

本工程为综合办公楼项目，外挂墙板超过《预制混凝土外墙挂板》16J110-2中所规定的尺寸，需要对外挂板进行特殊设计。在三边分别添加截面为150 mm×150 mm的暗梁、暗柱，箍筋间距为100 mm，分布筋为双层200间距钢筋。如图7所示。

4.2 节点设计

挂点按照《装配式劲性柱混合梁框架结构技术规程》（JGJ/T400-2017）中规定的挂点，但由于本项目构件尺寸较大，外挂墙板与挂件之间连接件需要单独设计。预埋在外挂墙板上的埋件由两块三角形钢板组成，中间由钢筋焊接组成一个整体。三角形钢板边角处箍筋加密至50 mm，这样可以有利于应力扩散。

图 7 节点设计详图

Fig.7 The detailed design of node

5 结论

（1）装配式劲性柱框撑体系在低周循环荷载作用下未出现破坏现象，最大应力值为6.98 Mpa，出现在柱底钢板位置；装配式框架体系出现破坏情况，最大应力值为2.25 Mpa，出现在混凝土柱柱中。在水平地震力作用下，最大应力值超过C30混凝土抗拉强度，混凝土柱出现破坏；现浇混凝土，梁柱节点位置出现破坏；

（2）模型A延性系数较模型B提高25.9%。模型A、B延性系数均高于模型C，这表明了在有外挂墙板存在的工况下，结构延性较好；

（3）循环荷载初期，三种模型耗能相差不大，主要耗能与模型结构体系、结构之间有无填充墙均无关系，所有耗能均被框架结构吸收。加载中期，模型A耗能较其他两种模型开始增加，含有外挂墙板的两种模型A、B耗能均超过模型C，这表明在有外挂墙板时，部分耗能由外挂墙板负担。加载后期，劲性柱体系较其他两种结构体系耗能明显增加，表明劲性柱框撑体系具有较高耗能。

[1] 焦安亮,李正良.劲性装配式框架核心筒结构抗震性能试验研究[J].振动与冲击,2016,35(2):31-38

[2] 张爱林,马林,刘学春,等.装配式外挂墙板钢框架受力性能有限元分析[J].建筑结构学报,2016,37(S1):152-157

[3] 李国强,王城.外挂式和内嵌式ALC墙板钢框架结构的滞回性能试验研究[J].钢结构,2005,20(1):52-56

[4] 卢家森,周成功,郑振鹏.预制外挂墙板分析方法[J].中外建筑,2013(1):104-107

[5] McMullin K, Ortiz M, Yarra S,. Static experimental testing to define force-deformation relationships of precast concrete cladding building facade systems[C]. Reston, VA: Structural Engineering Institute of ASCE, 2014

Simulation Application of Assembled External Wall Panel Based on Stiffening Column Frame System

LV Xiu-juan1, JIAO An-liang2, WU Yao-qing3

1.450000,2.450000,3.450000,

Taking an integrated building project for an example, based on the Abaqus software, the stress state, hysteretic curve, displacement ductility and energy dissipation capacity of the external wall panels in the three working conditions of the assembled rigid frame supporting system, the assembled frame shear wall system and the cast-in-place frame system are compared. The external wall panel structure and the design scheme of the joint based on the assembled stiffened column frame system are proposed. Simulation results show that: 1.Assembly type steel column bracing system without damage phenomenon under low cycle cyclic loading. The maximum stress value is 6.98 Mpa, which appears at the position of the steel plate at the bottom of the column; 2.The structure ductility is better under the condition of the existing wall panel; 3.Under the condition of the existence of external wall panels, some of the energy consumption is borne by the external wall panel，and the stiff-columns has high energy dissipation capacity. Based on the simulation study under three working conditions, the fabricated external wall panel based on stiffened column bracing system has better mechanical performance, which can significantly improve the energy dissipation capacity of the overall structure, and has high engineering application value.

Prefabricated external wall panel; stiff-columns; finite element analysis; energy dissipation

TU3

A

1000-2324(2019)04-0638-04

2018-06-16

2018-07-19

河南省高等职业教育创新发展行动计划XM-1骨干专业建设项目——建筑工程技术

吕秀娟(1973-),女,硕士,副教授,主要从事建筑施工教学研究. E-mail:1851396013@qq.com