新型震后可修復預制混凝土填充墻板抗震性能研究

摘 要：為了解決預制混凝土墻板在強震作用下?lián)p傷嚴重、結(jié)構(gòu)功能難以快速恢復的問題，提出了一種帶防屈曲耗能桿的柔性連接預制混凝土填充墻板（flexible connected prefabricated concrete wall panel，F(xiàn)CWP）。首先，介紹了新型墻板的概念及工作原理；其次，采用ABAQUS有限元軟件對耗能桿及預制混凝土填充墻板進行了有限元模擬；最后，對比分析了FCWP和傳統(tǒng)剛性連接預制填充墻板（traditional rigid connected prefabricated wall panels，RCWP）在低周往復荷載下的受力機理及損傷模式。結(jié)果表明：RCWP加載初期預制墻板底部出現(xiàn)水平裂縫，墻板右底部出現(xiàn)逐漸向左上部延伸的斜裂縫，隨著位移的持續(xù)增大，斜裂縫在墻板跨中貫通，結(jié)構(gòu)破壞；FCWP中防屈曲約束耗能桿發(fā)揮了優(yōu)異的耗能能力，預制墻板僅在底部及頂部與耗能桿連接部分出現(xiàn)裂縫，損傷程度較輕。所提新型柔性連接墻板應力及損傷顯著低于剛性連接墻板，且損傷主要集中于耗能桿，具有較好的耗能能力和震后可恢復能力。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設計；預制混凝土墻板；柔性連接；可更換；防屈曲約束耗能桿；抗震性能

中圖分類號：TU375.4 文獻標識碼：A

Research on seismic performance of new post-earthquake repairable prefabricated concrete infill wall panels

Abstract：

In order to solve the problem of severe damage to prefabricated concrete wall panels under strong seismic action and difficulty in quickly restoring structural function， a flexible connected prefabricated concrete wall panel （FCWP） with buckling-restrained energy dissipater was proposed. Firstly， the concept and working principle of the new type of wall panel were introduced. Secondly， Abaqus finite element software was used to conduct finite element simulation on the energy dissipater and prefabricated concrete wall panel. Finally， the stress mechanism and damage mode of FCWP and traditional rigid connected prefabricated wall panels （RCWP） under low cycle reciprocating loads were compared and analyzed. The results show that during the initial loading of RCWP， horizontal cracks appeared at the bottom of the prefabricated wall panel， and diagonal cracks gradually extended to the upper left of the wall panel. As the loading amplitude increases， the diagonal cracks penetrated through the mid span of the wall panel， causing structural failure. The buckling-restrained energy dissipater in FCWP exhibits excellent energy dissipation capacity， and cracks only appear in the connection parts between the bottom and top of the prefabricated wall panel and the damper， with relatively mild damage. The proposed new flexible connected prefabricated wall panels effectively improve the seismic performance and post-earthquake recovery ability of prefabricated wall panel structures by introducing buckling-restrained energy dissipater into the structure.This new connection provides a new idea and method for the seismic design of prefabricated wall panel structure， which has important engineering application value.

Keywords：

structural design；prefabricated concrete wall panels; flexible connection; replaceable; buckling-restrained energy dissipater; seismic performance

隨著可持續(xù)發(fā)展觀念的不斷深入，具有低碳、環(huán)保、節(jié)能等特點的裝配式建筑得到了社會的廣泛認可[1]。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)和裝配式鋼結(jié)構(gòu)均屬于中國大力推廣的綠色環(huán)保建筑[2-3]，近些年在綠色建筑和建筑工業(yè)化的推動下，預制填充墻板得到了廣泛應用[4-5]。但預制填充墻板作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在設計時一般不參與結(jié)構(gòu)承載力計算[6]，隨著研究人員對實際震害調(diào)查的不斷深入，發(fā)現(xiàn)預制填充墻板引起的“剛度效應”和“短柱效應”是導致結(jié)構(gòu)破壞的主要因素。預制填充墻板可能會因結(jié)構(gòu)震后節(jié)點破壞而出現(xiàn)脫落、倒塌現(xiàn)象，由此引發(fā)嚴重的二次震害。因此，如何改進預制填充墻板的連接方式并提高其抗震性能，成為近些年抗震領(lǐng)域的研究熱點。

研究人員針對預制混凝土墻板不同連接方式的抗震性開展了大量工作。郭宏超等[7]對2個單層單跨 1∶3 縮尺剛性連接再生混凝土墻板鋼框架結(jié)構(gòu)進行了擬靜力試驗，結(jié)果表明墻板在剛性連接節(jié)點處損傷嚴重，與鋼框架出現(xiàn)分離現(xiàn)象。陳曉等[8]通過擬靜力試驗研究了疊合填充墻板對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，結(jié)果表明柔性連接疊合填充墻板框架試件降低了墻板剛度對主體結(jié)構(gòu)的影響，有效抑制了“短柱效應”。種迅等[9-10]設計了一種在預制混凝土墻板與主體結(jié)構(gòu)間設置U型鋼板消能器的減震外掛墻板，并以此為基礎，對單跨2層含減震墻板預制混凝土框架進行了擬靜力試驗，表明該減震結(jié)構(gòu)具有良好的變形能力和耗能能力，與純框架結(jié)構(gòu)相比具有較強的剛度和極限承載力。陳強等[11]通過試驗研究了一種“上掛下坐”式柔性連接一體化內(nèi)嵌墻板對鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。上述研究表明，柔性連接構(gòu)造能夠顯著提高預制墻板框架結(jié)構(gòu)的延性，減輕墻板損傷。然而，現(xiàn)有柔性連接預制墻板的研究主要集中于其抗震性能，并未關(guān)注其震后可修復性，亟需開展如何提高其震后可修復能力使其震后功能快速恢復方面的研究。

為了提高預制混凝土墻板的震后可修復能力，本文提出一種新型帶可更換耗能桿的柔性連接預制墻板結(jié)構(gòu)，闡述防屈曲耗能桿與預制墻板結(jié)構(gòu)的工作機理，并以此為基礎進行柔性連接預制墻板結(jié)構(gòu)的理論公式推導。對防屈曲耗能桿的軸向拉壓試驗進行有限元模擬，并基于該模擬結(jié)果建立新型柔性連接墻板有限元模型，分別對新型柔性連接墻板及傳統(tǒng)剛性連接墻板有限元模型進行低周往復加載，通過對比2種不同形式連接墻板的抗震性能差異，以此驗證新型柔性連接預制墻板結(jié)構(gòu)優(yōu)異的抗震性能與震后可恢復能力。

1 新型柔性連接預制墻板

1.1 新型墻板概念提出

目前，建筑行業(yè)中預制混凝土墻板與主體結(jié)構(gòu)的連接主要采用套筒灌漿和焊接等剛性連接方式，剛性連接預制混凝土填充墻板（traditional rigid connected prefabricated wall panels，RCWP）結(jié)構(gòu)見圖1。采用剛性連接時預制墻板與主體結(jié)構(gòu)共同承受荷載，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)整體剛度較大，但在結(jié)構(gòu)承受較大荷載產(chǎn)生變形后會引起墻板嚴重損傷。

本文提出一種帶防屈曲耗能桿的柔性連接預制混凝土填充墻板（flexible connected prefabricated concrete wall panel，F(xiàn)CWP），預制混凝土墻板頂部與框架梁通過防屈曲耗能桿連接結(jié)構(gòu)，見圖2。底部與框架梁固結(jié)，防屈曲耗能桿與框架梁及預制墻板均采用鉸接。本文選用了文獻[12]和文獻[13]提出的一種防屈曲耗能桿，該耗能桿已經(jīng)通過試驗驗證了其優(yōu)異的耗能能力。LI等［14］將此耗能桿應用于連肢剪力墻間的連梁中，結(jié)果表明該耗能桿能夠有效提高結(jié)構(gòu)耗能能力及抗震性能。防屈曲耗能桿由竹節(jié)型核心棒和外約束圓套管組成，見圖3。

其中竹節(jié)型核心棒由竹節(jié)和屈服段組成，竹節(jié)在耗能桿承受軸向荷載時保持彈性，屈服段用來耗散地震能量。核心棒和外約束圓套管間無需填充砂漿，大幅減輕耗能桿質(zhì)量，外約束圓套管保持彈性，防止耗能桿受壓時整體失穩(wěn)。防屈曲耗能桿具有成本低、質(zhì)量輕及耗能優(yōu)異等優(yōu)點，其兩端與框架和預制墻板鉸接，安裝及震后拆卸方便，可大幅提高預制墻板的震后修復能力。在地震荷載作用下，新型墻板的塑性變形主要集中于防屈曲耗能桿，通過與框架梁鉸接，可以實現(xiàn)震后快速拆卸及更換，使結(jié)構(gòu)功能快速恢復。

1.2 新型墻板工作原理

安裝防屈曲耗能桿的新型柔性連接預制墻板在地震荷載作用下的變形圖如圖4所示。在地震荷載作用下，防屈曲耗能桿首先屈服保護主體結(jié)構(gòu)，框架梁和框架柱發(fā)生彎曲變形，防屈曲耗能桿分別承受軸向拉力和壓力，耗能桿竹節(jié)保持彈性，2根耗能桿受拉屈服段變形伸長。另外，2根耗能桿受壓屈服段變形縮短，耗散地震能量，外約束圓套管約束耗能桿屈服段的側(cè)向變形，防止耗能桿受壓整體失穩(wěn)。新型墻板的塑性變形主要集中在耗能桿的屈服段，從而減輕主體結(jié)構(gòu)損傷。

通過調(diào)整耗能桿的傾斜角度、直徑、布置方式等參數(shù)，以方便對初始剛度進行調(diào)整，有效減小框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移。方便拆卸和更換震后損傷的耗能桿，其質(zhì)量較輕，且與框架梁及預制墻板通過銷軸鉸接，可大幅減少更換時間和更換成本。震后不需更換預制墻板和框架梁，從而使框架結(jié)構(gòu)震后的恢復能力進一步提升。

該預制墻板結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度在設計與使用中具有重要作用。在彈性階段，初始剛度主要由混凝土框架及4根防屈曲耗能桿共同提供，依據(jù)文獻[13]及文獻[15]對鋼筋混凝土框架及竹節(jié)型防屈曲耗能桿剛度進行設計并計算。FCWP的彈性抗側(cè)剛度按照式（1）進行簡化設計。

K=Kf+Ke，（1）

式中：K為柔性連接預制混凝土填充墻板結(jié)構(gòu)的彈性抗側(cè)剛度；Kf為混凝土框架彈性抗側(cè)剛度；Ke為框架內(nèi)防屈曲耗能桿彈性抗側(cè)剛度。

其中，

式中：δb為混凝土框架彎曲變形；δs為混凝土框架剪切變形；h為框架層高；Ec為混凝土彈性模量；Ic為框架柱截面慣性矩；μ為剪應力分布不均勻系數(shù)；ic為框架柱線剛度；αc為剛度修正系數(shù)。

框架內(nèi)防屈曲耗能桿抗側(cè)剛度Ke根據(jù)劉燁[13]提出的串聯(lián)剛度模型進行計算。

式中：θ為防屈曲耗能桿與框架梁間夾角；E為防屈曲耗能桿彈性模量；Lz，Lj，Lg分別為耗能桿竹節(jié)段、竹間段及過渡段長度；Az，Aj，Ag分別為耗能桿竹節(jié)段、竹間段及過渡段截面面積。

綜上所述，F(xiàn)CWP的彈性抗側(cè)剛度如式（6）所示：

2 數(shù)值分析模型建立

2.1 防屈曲耗能桿有限元驗證

本文基于LIU等[12]對防屈曲耗能桿進行的軸向拉壓試驗建立有限元模型。耗能桿有限元模型選用八節(jié)點線性六面體縮減積分實體單元（C3D8R），外部約束圓套管設定為彈性，竹節(jié)型核心棒定義為彈塑性材料，材料塑性采用考慮硬化效應的循環(huán)硬化本構(gòu)。接觸模型切向定義為Coulomb摩擦行為，法向定義為硬接觸，外約束圓套管兩端定義為固支，僅釋放竹節(jié)型核心棒縱向約束，并對其兩端對稱施加位移荷載。模擬耗能桿應力-應變滯回曲線與文獻[12]結(jié)果對比見圖5，結(jié)果表明模擬試驗結(jié)果與文獻[12]結(jié)果吻合較好。耗能桿試驗過程中表現(xiàn)出穩(wěn)定的滯回響應，加載過程中未出現(xiàn)局部或整體失穩(wěn)現(xiàn)象，滯回曲線較為飽滿，大致呈“梭形”，表明該耗能桿具有良好的耗能能力。本文基于該防屈曲耗能桿設計柔性連接預制墻板結(jié)構(gòu)，模擬分析其抗震性能。

2.2 預制填充墻板有限元模型建立

RCWP中預制混凝土墻板與框架底梁間采用注漿法固接[16]，墻板頂部設置拉結(jié)筋伸入框架頂梁，F(xiàn)CWP墻板底部與框架梁間采用注漿法固接，墻板頂部與框架梁間通過防屈曲耗能桿實現(xiàn)點支撐柔性連接。根據(jù)冉懷方等[17]對預制混凝土墻板結(jié)構(gòu)中點支撐位置對結(jié)構(gòu)的影響，確定了FCWP中耗能桿的位置。防屈曲耗能桿與框架頂梁夾角為30°，防屈曲耗能桿的核心棒長度為390 mm，耗能桿竹節(jié)及屈服段直徑取值分別為19 mm和10 mm?；诜N迅等[9]對含減震外掛墻板的裝配式混凝土聯(lián)同支剪力墻進行的數(shù)值分析研究，采用ABAQUS有限元軟件分別對本文中RCWP和FCWP破壞模式、承載能力及耗能能力進行對比分析。

RCWP與FCWP中混凝土強度等級均為C30，本構(gòu)模型選用混凝土塑性損傷模型，泊松比為0.2，其彈性模量Ec、抗拉強度ft、抗壓強度fc等均根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設計標準》（2024年版）（GB 50010—2010）[18]進行計算。鋼筋強度等級為HRB400，選用二次塑流本構(gòu)模型模擬實際受力特征，F(xiàn)CWP中耗能桿竹節(jié)型核心棒為Q235B級鋼材，采用考慮硬化效應的循環(huán)硬化本構(gòu)，彈性模量取值為207 GPa，定義屈服強度為235 MPa。連接件鋼材等級為Q345，抗拉強度ft、屈服強度fy等參數(shù)均采用文獻[13]中實測值。參考何利等[19]對UHPC幕墻鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)及龐瑞等[20]對預制混凝土復合填充墻的有限元建模參數(shù)選取，建立RCWP和FCWP有限元模型。其中框架梁、柱及墻板選用八節(jié)點線性六面體減縮積分單元（C3D8R），鋼筋選用兩節(jié)點線性三維桁架單元（T3D2），鋼筋采用Embedded 的方式嵌入至混凝土內(nèi)，不考慮鋼筋與混凝土間的粘結(jié)滑移。

3 抗震性能數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 耗能能力

水平荷載-頂點位移曲線的形狀能夠直觀反映結(jié)構(gòu)的宏觀力學性能，模擬得到RCWP與FCWP水平荷載-頂點位移滯回曲線如圖7所示。

通過2種模型的滯回曲線能夠得到如下結(jié)論。

1）加載初期主要由框架結(jié)構(gòu)承受荷載，RCWP與FCWP在出現(xiàn)裂縫前曲線基本保持線彈性趨勢，結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)。

2）隨著結(jié)構(gòu)頂部位移的逐漸增大，RCWP裂縫不斷擴展，結(jié)構(gòu)受到滑移作用影響，滯回曲線出現(xiàn)輕微“捏縮”現(xiàn)象，曲線飽滿度較差，大致呈“弓形”。對于FCWP，其滯回曲線形狀較為飽滿，曲線大致呈“梭形”。這是由于FCWP中耗能桿通過拉伸和壓縮變形耗散大量能量，隨著結(jié)構(gòu)位移與荷載的持續(xù)增加，滯回環(huán)面積進一步增大，表現(xiàn)出更加優(yōu)異的耗能能力。因此，F(xiàn)CWP的耗能能力優(yōu)于RCWP。

3.2 剛度及承載力

依據(jù)滯回曲線中各位移對應的峰值荷載提取結(jié)構(gòu)骨架曲線，RCWP與FCWP水平荷載-頂點位移骨架曲線對比如圖8所示。

通過RCWP和FCWP骨架曲線能夠得出如下結(jié)論。

1）RCWP與FCWP在加載初期基本呈彈性階段，骨架曲線均大致為直線。RCWP相較于FCWP初始剛度較大，原因為RCWP中墻板與框架間節(jié)點固接，整體性較好。當加載至框架梁端及柱底出現(xiàn)塑性鉸區(qū)時，骨架曲線逐漸趨于平緩。隨著位移的不斷增大，RCWP塑性區(qū)域持續(xù)開展，骨架曲線斜率下降，結(jié)構(gòu)剛度不斷降低。FCWP骨架曲線相較RCWP較為平緩，斜率下降較為緩慢，表明墻板損傷較輕，結(jié)構(gòu)剛度退化速度較慢。

2）RCWP相較于FCWP具有更大的峰值荷載，主要原因為RCWP四周與框架結(jié)構(gòu)均為固結(jié)，提供的承載力更大，但墻板后期損傷也更為嚴重。FCWP隨著耗能桿核心棒屈服后應變硬化，墻板承載力逐漸增大，損傷主要集中于耗能桿，大幅減輕墻板損傷，通過更換損傷耗能桿，可實現(xiàn)震后功能快速恢復。

3.3 破壞模式

RCWP與FCWP墻板受拉損傷云圖及加載全過程應力云圖分別如圖9、圖10所示。

1）由圖9、圖10可知，對于RCWP，在加載初期各構(gòu)件基本保持彈性工作狀態(tài)。當RCWP頂部位移達到5 mm時，框架柱底及梁端出現(xiàn)塑性鉸區(qū)，墻板底部受拉產(chǎn)生未貫通水平裂縫，墻板自右柱底部至左柱頂部出現(xiàn)細微斜裂縫，此時墻板應力主要集中在該對角線方向，并沿該對角線逐漸向墻板跨中發(fā)展。持續(xù)加載至RCWP頂部位移達到15 mm時，框架梁、柱中多根縱筋屈服，梁端和柱底出現(xiàn)多條水平裂縫。墻板底部水平裂縫不斷加粗，裂縫長度接近貫通墻板，墻板自右柱底部至左柱頂部出現(xiàn)多條斜裂縫，墻板對角線方向出現(xiàn)大面積應力集中。最終RCWP頂部位移加載至35 mm時，框架梁、柱端混凝土損傷嚴重，墻板跨中應力不斷增大，墻板底部水平裂縫貫通，對角線方向多條斜裂縫不斷延伸擴展并貫通，墻板輕微面外變形，損傷較為嚴重。

2）對于FCWP，當結(jié)構(gòu)頂部位移加載至5 mm時，結(jié)構(gòu)最大應力主要集中于防屈曲耗能桿中核心棒的屈服段，墻板與耗能桿連接節(jié)點位置由于受到耗能桿的拉力和壓力出現(xiàn)部分應力集中，F(xiàn)CWP墻板應力遠小于RCWP。隨著FCWP頂點位移持續(xù)加載至15 mm，框架梁、柱端分別沿水平和豎直方向開裂。墻板受耗能桿拉力和壓力產(chǎn)生的斜裂縫逐漸向跨中延伸，墻板與框架底梁間采用固結(jié)，墻板底部出現(xiàn)自左、右柱端向跨中延伸的水平裂縫。結(jié)構(gòu)應力依然集中在耗能桿屈服段，墻板產(chǎn)生應力較小。當FCWP頂部位移達到35 mm時，框架縱筋屈服，梁、柱端混凝土損傷嚴重，墻板與頂部斜裂縫持續(xù)向跨中發(fā)展，墻板底部水平裂縫向跨中延伸但并未形成貫通，損傷程度較輕。FCWP應力主要集中在防屈曲耗能桿屈服段，墻板應力相較于RCWP略小，無明顯應力集中。

通過分析FCWP和RCWP 2種不同連接方式的預制混凝土墻板結(jié)構(gòu)受拉損傷云圖能夠得出，F(xiàn)CWP中墻板損傷與應力主要出現(xiàn)在板頂與耗能桿連接部位，且墻板損傷區(qū)域相較RCWP減少了約80%。FCWP中耗能桿應力主要集中在屈服段，同時竹節(jié)保持彈性工作狀態(tài)以提供穩(wěn)定的支撐和約束，墻板及框架損傷顯著低于RCWP，具有更強的耗能能力，如圖11所示。

RCWP框架破壞模式為彎剪型，墻板底部水平裂縫貫通，對角線方向裂縫大致成X型，結(jié)構(gòu)損傷較為嚴重，墻板出現(xiàn)了部分面外偏移變形，可能出現(xiàn)墻板脫落。FCWP中防屈曲耗能桿發(fā)揮了優(yōu)異的耗能能力，結(jié)構(gòu)加載過程中應力、應變主要集中在耗能桿屈服段，通過耗能桿屈服段拉伸與壓縮變形耗散了大量能量，大幅減輕了框架與墻板的損傷，耗能桿通過銷軸與墻板及框架鉸接，震后能夠更換耗能桿使結(jié)構(gòu)重新投入使用，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能的震后快速恢復，具有較好的震后可修復性。

4 結(jié) 語

為了提升預制填充墻板的震后可修復能力，本文對帶防屈曲耗能桿的FCWP的抗震性能進行了對比，通過數(shù)值分析，得出的主要結(jié)論如下。

1）RCWP滯回曲線受到滑移影響，出現(xiàn)輕微“捏縮”現(xiàn)象，曲線飽滿度較差，大致呈“弓形”；FCWP滯回曲線形狀較為飽滿，大致呈“梭形”，F(xiàn)CWP中耗能桿通過拉伸和壓縮變形耗散大量能量，且隨著結(jié)構(gòu)位移的持續(xù)增加，滯回環(huán)面積進一步增大，表現(xiàn)出更加優(yōu)異的耗能能力，F(xiàn)CWP耗能能力顯著優(yōu)于RCWP。

2）FCWP結(jié)構(gòu)應力及損傷顯著低于RCWP。墻板RCWP破壞時墻板底部水平裂縫貫通，對角線方向裂縫大致呈X型，墻板出現(xiàn)輕微面外變形，框架及墻板損傷嚴重。FCWP破壞時框架梁、柱端混凝土損傷較為嚴重，耗能桿承受拉力與壓力產(chǎn)生拉伸和壓縮變形耗散大量能量，結(jié)構(gòu)應力及損傷主要集中在耗能桿屈服段，墻板損傷程度較輕，相較于RCWP具有更好的抗震性能。

3）FCWP中防屈曲耗能桿通過銷軸分別與框架及墻板鉸接，損傷主要集中于防屈曲耗能桿，墻板損傷大幅減輕，震后通過更換損傷的耗能桿，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)功能快速恢復的目的。

本研究僅對新型柔性連接預制混凝土填充墻板進行了數(shù)值模擬，未來還需進一步對柔性預制墻板進行試驗驗證，并研究耗能桿的直徑、傾斜角度及布置方式對墻板抗震性能的影響規(guī)律。

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