柔性约束下模块化装配式民居的抗震性能研究

(西南科技大学土木工程与建筑学院 四川 绵阳 621010)

引言

装配式民居既满足传统生活与生产，也满足时代要求的可持续性发展。但装配式建筑因采取预制构件进行现场拼装的方式，在与传统建筑所用材料配筋等一样的情况下，整体抗震性能是有所降低的。加上我国地处环太平洋地震带与欧亚地震带之间，近年来发生的多次强震，已导致大量的人员伤亡及经济损失，典型的包括唐山地震(7.8级)，汶川地震(8.0级)，玉树地震(7.1级)以及雅安地震(7.0级)。因此提高抗震性能是促进我国推广绿色装配式建筑的关键性因素。

在2002年，张文芳副教授等人在一种装配式钢筋混凝土盒式结构房屋的每层里，设置了摩擦隔震部件，研究了此种情况的建筑地震反应分析模型和理论[1]。在2012年，硕士研究生卫杰斌和谭平研究员等人考虑高层装配式层间隔震建筑在罕遇地震条件下，以及隔震层和其上、下部结构非线性的情况下，通过动力弹塑性分析，探究了建筑的抗震性能，研究发现设计隔震层可使高层装配式建筑抗震性能提高一度，没有多层建筑抗震性能提升明显，但隔震后使室内舒适度和设备正常使用得到了保证[2]。在2013年，硕士研究生刘乐利用ABAQUS有限元软件，研究提出了一种针对集装箱结构的层层滑移隔震体系，结果表明，此体系减小了结构各层最大位移和结构层间位移角，提高了集装箱结构的抗震能力[3]。在2016年，硕士研究生黄敦坚在位移的抗震性能化设计方法基础上，提出了基于目标位移的模块化结构层间隔震设计流程，并研究发现随着隔震层位置的上移，模块化建筑的隔震效果逐渐减弱，因此为提高隔震性能，应尽可能不在结构 1/2高度以上的范围内设计隔震层[4]。在2018年，任佳妮等人以天津市静海白领宿舍公寓为案例，探究了钢结构的模块-框架复合建筑结构的基础隔震设计,研究发现基础隔震设计使结构表现出良好的隔震效果，并且比层间隔震设计的隔震效果更好[5]。

因此本文基于ANSYS数值模拟，针对模块化装配式民居，提出了一种新型的柔性约束隔震设计，在建筑整体动态响应模拟中，采用弹簧组连接基础与上部结构，并在建筑周围建立混凝土柱用于弹簧与建筑本身相连接，整体作为一个组合构，减小地震对上部结构的影响，从而探究在地震波的作用中，柔性约束下的建筑上部结构的变形与位移情况，以此判别此柔性约束的隔震效果，为接下来模块化装配式民居的柔性基础隔震技术的深入研究，提供一定的参考。

一、无柔性约束的模型仿真模拟

选取一个北京市(地震设防烈度8度，设计基本加速度值为0.2g)所建的三层模块化装配式居民楼为原型建立仿真模型，楼板和屋盖厚度为200mm，柱采用40cm×40cm×9m，横梁截面采用250mm×500mm，四周4根柱子采用40cm×40cm×2.8m，柱和梁等材料参数定义为45号钢，材料弹性模量E=2.06×106MPa,泊松比μ=0.269，密度为7890kg/m3，柱和梁采用SOLID185单元。板的材料定义为C20混凝土，材料弹性模量E=2.6×1010MPa，泊松比μ=0.27，密度为2500kg/m3，采用SOLID186单元。建筑底部施加ALL DOF约束。分析类型选用单点响应谱，地震位移频谱选自常用的EI-Centro波(表1)。由于混凝土的模拟计算应变位移非常小，所以本次模拟中求解器使用小变形选项进行位移计算。

表1 EI-Centro波位移谱

二、柔性约束下的模型仿真模拟

在原建筑模型的基础上，加入柔性约束组合构，四个角周围布置了四根混凝土柱，用弹簧组将混凝土柱与对应的建筑结构柱相连，并用弹簧组将基础与底层面板相连，建立仿真模型(图1)。原建筑模型材料参数定义一致，另弹簧材料参数定义为45号钢，材料弹性模量E=2.06×106MPa,泊松比μ=0.269，密度为7890kg/m3，采用COMBIN40单元。在四根混凝土柱与平板式筏型基础的底面，即Y=0的面，施加ALL DOF约束，柱子与建筑之间和基础与建筑底面之间用弹簧连接进行约束。

图1 仿真模型

三、数值结果分析

由模拟结果对比分析得，水平地震波作用下，固定端约束下建筑模型的大致变形范围在1.613～2.663毫米，即其最大位移值为2.663毫米，柔性约束下模型的变形范围在1.214～1.803毫米，即其最大位移值为1.803毫米，在竖向地震波作用下，柔性约束下的建筑大致变形范围在1.15～1.795毫米，即最大位移值为1.795毫米。因此，与地面是固定端约束相比，柔性约束产生的位移变形要更小一点，即柔性约束下模块化装配式民居的抗震性能有所提高；柔性约束下建筑横向变形最大位移与纵向变形最大位移相差无几，所以加强建筑整体抗震能力时，应同时考虑水平和竖向地震作用。

四、结论

本文采用ANSYS软件建立仿真模型，研究了模块化装配式民居在新型柔性约束下的动态响应，研究结果表明：(1)利用弹簧组作为基础与装配式民居的连接构件，将固定约束改为柔性约束，加上建筑四周弹簧组与混凝土柱组成的柔性组合构件，可减小建筑地震时的位移，从而提高建筑的整体抗震性能。(2)在预防水平地震对建筑物的破坏作用时，应同时考虑采取措施，减小竖向地震对建筑的影响。(3)柔性约束有一定的隔震能力，但效果还需加大改善，为使模型的变形位移更小，建筑整体抗震性能更好，可以适当地增加材料的相关参数和弹簧的刚度系数。

本文对于模块化装配式民居的新型柔性约束还处于初步研究阶段，为后续弹簧组具体构造与力学性能以及点位布置等的深入研究，提供了依据与可行性，同时为隔震技术在模块化建筑中的研究与应用提供一些参考，加快装配式建筑在我国高烈度地区的推广与应用。