螺栓连接多层全装配式混凝土墙板结构弹性阶段抗震性能研究

李锡洲 钟易 张胜

长沙远大住宅工业集团股份有限公司 410000

引言

螺栓连接多层全装配式混凝土墙板结构是由预制墙板作为竖向承重及抗侧力构件，预制楼板作为楼盖，预制构件之间通过预埋套筒、连接盒、螺栓连接形成的结构体系［1］。当前关于螺栓连接多层全装配式混凝土墙板结构技术的研究中，更多关注于连接节点［2］和单独墙体［3］的受力分析和设计，对于建筑整体的抗震性能却缺乏相关的研究。然而，建筑整体参数尤其是建筑高度、宽度对结构的抗侧刚度有非常大的影响。结构在抗震设计时，需注重抗震概念设计，限制房屋高度、层数和高宽比。随着建筑高度和层数增加，房屋的倒塌率概率随之增加［4］。通过约束最大房屋高度和层数可以限制总地震作用的大小，限制高宽比则可以防止建筑出现整体弯曲的情况。因此，为保障该新型全装配式建筑的安全性，开展相关抗震性能研究显得尤为重要。

本文引用《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2011）［5］中的方法，基于有限元软件ETABS，分析该结构体系接近规程中规定的最大建筑高度、层数和高度高宽比限值时，在弹性阶段（多遇地震）下其扭转效应、层间位移角等抗震性能指标。并对比分析装配式模型与现浇模型弹性阶段的计算结果，研究螺栓连接多层全装配式混凝土墙板结构的抗震性能。

1 工程概况

本文以一栋住宅建筑为研究对象。根据《螺栓连接多层全装配式混凝土墙板结构技术规程》（T／CECS 809—2021）［1］规定的房屋总高度、层数和高宽比限值（见表1），针对不同地震烈度地区限值不同情况，对建筑的高度、层数以及平面尺寸进行调整以使其接近规程中的限值，最终得到三组建筑A组、B组和C组（见表2），门窗洞口仅布置于纵墙，平、立面示意见图1。每组模型分别用现浇剪力墙结构和全装配式结构两种不同的结构形式进行计算。为了模拟结构在最不利条件下的抗震性能，计算时假定地震作用全部由外墙承担，内部墙体不提供结构侧向刚度。

表1 螺栓连接多层全装配式混凝土墙板结构房屋的总高度、层数和高宽比限制Tab.1 The allowable number of total height，stories and height-weight ratio of buildings

表2 模型基本信息Tab.2 Basic information of models

图1 模型平面及立面示意Fig.1 Plan and elevation of models

A组、B组和C组结构混凝土强度等级均为C35，钢筋选用HRB400。现浇剪力墙模型横、纵墙均为140mm厚实心混凝土墙；全装配式模型横、纵墙均为200mm厚预制夹心混凝土墙，由内、外叶各70mm厚混凝土与60mm厚夹心保温材料组成，构造见图2。

图2 预制墙板构造示意Fig.2 Schematic diagram of prefabricated wall panels

数值模拟计算相关的参数：结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0，设计使用年限为50年。楼面均布活荷载取值为2.0kN／m2，屋面为不上人屋面，均布活荷载取值为0.5kN／m2。风荷载按照50年一遇基本风压0.55kN／m2取用，雪荷载按照0.4kN／m2取用。建筑抗震设防类别为丙类，场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第一组。

2 有限元模型建立

2.1 材料参数及边界条件

采用ETABS2018有限元软件进行数值模拟，根据A组、B组、C组的结构分别建立现浇和装配两种计算模型。混凝土和钢筋的弹性模量按照《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［6］取值。螺栓连接多层全装配式混凝土墙板结构体系的连接方式为：用螺栓杆一端预埋在预制构件中或与预埋套筒相连，另一端伸入连接盒用螺母紧固，使构件连成整体（见图3）。根据湖南大学奚树杭等完成的连接节点相关性能研究，装配式模型中螺栓连接的弹塑性本构模型如图4所示［7］。

图3 螺栓连接Fig.3 Bolt connection

图4 螺栓连接弹 塑性本构模型 Fig.4 Elastic-plastic constitutive equation of bolt connection

对于边界条件：地面视为刚性地面；对现浇建筑模型，按照传统现浇钢筋混凝土剪力墙结构的形式进行建模；对装配建筑模型，由于建筑墙体与基础间及墙体与墙体间通过螺栓进行连接，墙板水平拼缝和竖向拼缝间实际约束方式为点约束，建模时水平和竖向接缝采用非线性连接单元LINK弹簧连接，各点约束的间距按规程的要求选用为1m，根据奚树杭等［7］研究结论和试验数据，非线性弹簧连接滞回类型选择Kinematic，有效刚度取为240000kN／m。

2.2 模型建立

模型中墙体、楼板均采用壳单元模拟，其中装配模型使用分层壳单元模拟中间的保温材料，各层厚度按工程实际厚度输入。有限元模型见图5和图6。

图5 有限元模型（现浇模型）Fig.5 Finite element model（cast-in-place）

图6 有限元模型（装配模型）Fig.6 Finite element model（precast）

地震作用效应与其他荷载效应的基础组合按式（1）：

式中：γG、γw分别为重力荷载和风荷载分项系数；γEh、γEv分别为水平和竖向地震作用分项系数；ψw为风荷载组合值系数；SGE、SEhk、SEvk和Swk分别为重力荷载代表值的效应、水平地震作用标准值的效应、竖向地震作用标准值的效应和风荷载标准值的效应。

3 计算结果

3.1 周期和振型

根据有限元分析，在弹性阶段（多遇地震），A、B、C组的现浇模型和装配模型计算得到的周期及振型特征分别见表3、表4、表5。

表3 周期及振型特征（A组）Tab.3 Period and vibration（Group A）

表4 周期及振型特征（B组）Tab.4 Period and vibration（Group B）

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）的要求，周期比计算按式（2）：

式中：Tt为结构扭转为主的第一自振周期；T1为平动为主的第一自振周期。

从计算结果可以发现，在弹性阶段下，装配模型平动为主的第一自振周期T1大于现浇模型，但周期比小于现浇模型。各模型的周期比，分别为：0.440（A组现浇模型）、0.239（A组装配模型）、0.406（B组现浇模型）、0.139（B组装配模型）、0.442（C组现浇模型）、0.181（C组装配模型），现浇模型和装配式模型计算出的结果均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定周期比不应大于0.9的要求。

3.2 层间位移角

根据有限元分析，地震作用下A、B、C组计算得到结构层间位移角分别见图7、图8、图9。

图7 A组层间位移角（抗震设防烈度6度）Fig.7 Elastic story drift of group A（Intensity 6）

图8 B组层间位移角（抗震设防烈度7度）Fig.8 Elastic story drift of group B（Intensity 7）

图9 C组层间位移角（抗震设防烈度8度）Fig.9 Elastic story drift of group C（Intensity 8）

由有限元分析结果可知，多遇地震荷载作用下，各模型的X向位移均大于Y向位移。各模型的楼层位移比较，装配模型的楼层位移大于现浇模型的楼层位移。各模型的最大的层间位移角很小，分别为：0.000028（A组现浇模型）、0.00005（A组装配模型）、0.00008（B组现浇模型）、0.000421（B组装配模型）、0.000081（C组现浇模型）、0.000379（C组装配模型），远小于规范中剪力墙结构最大层间位移角为1／1000的规定。

4 结论

通过有限元模拟对螺栓连接多层全装配式混凝土墙板结构在弹性阶段（多遇地震）下整体抗震性能进行分析，能够得到以下结论：

1.对于相同的建筑而言，在弹性阶段，采用螺栓连接多层全装配式混凝土墙板结构的建筑周期和层间位移角略大于采用传统现浇混凝土结构的建筑，但其数值满足规范相应的指标要求。说明螺栓连接多层全装配式混凝土墙板结构的刚度略小于传统现浇混凝土结构，但在规程规定的最大层数、高度和高宽比限值下，仍然能够满足建筑抗震性能的要求。

2.在最大高宽比控制下，通过数值模拟计算，螺栓连接多层全装配式混凝土墙板结构前两个振型是以Y方向和X方向平动为主的振型，扭转振型出现于第三振型，且周期比小于0.9。说明结构在两个主轴方向的动力特征接近，扭转效应较小，抗扭刚度较大。

3.在规程规定的最大层数、高度和高宽比限值下，螺栓连接多层全装配式混凝土墙板结构的弹性层间位移角数值很小，远小于规范中对剪力墙结构层间位移角限值的要求。说明该新型结构体系在弹性阶段（多遇地震）下结构侧向位移很小，抗侧刚度较大，整体抗震性能良好，此时该结构体系具有较大的结构安全储备。