填充材料刚度对装配式耗能RC结构性能的影响

郑 起 ，陈尚鸿 ，林 伟

（1.闽西职业技术学院 城乡建筑学院，福建 龙岩 364021；2.福州大学 土木工程学院，福州 350108）

0 引言

传统现浇混凝土结构具有污染环境、工期长、施工效率低等劣势，所以近年来国家大力发展装配式建筑。但是，诸多学者对装配式框架混凝土结构抗震性能提出质疑，普遍认为装配式结构的整体性较差，特别是现场装配的梁柱连接区为薄弱部位，这也直接导致了国家对装配式框架的适用条件提出了较为苛刻的要求。将屈曲支撑、阻尼器、耗能墙板等工业化产物投入到装配式结构体系中是未来装配式建筑发展的一个方向，这些耗能元件不但能提升装配式框架结构的抗震耗能能力，而且能增强结构的抗倒塌能力。张偲严等[1]设计了一种阻尼器耗能连接，置于剪力墙的连梁中部、剪力墙之间以及墙梁交界处等连接位置，时程分析结果表明耗能连接能耗散大量的能量，使得主体结构基本处于弹性阶段。吴函恒[2]提出了一种装配式钢框架-预制混凝土抗侧力墙结构体系，体系有两道抗震防线，钢筋混凝土墙为第一道防线，钢框架作为第二道防线，结果表明该体系有良好的抗震性能。龙佳栋[3]提出一种带减震墙板的装配式混凝土结构，在地震作用下框架柱带动墙板单元发生水平移动，使墙体变形主要集中在减震层，以此减小对框架的约束作用，并且减震层的变形耗散一定的地震能量，保护主体框架。

现有研究对装配式框架结构主体框架部分的保护防线多数为一道，故提出一种新型装配式耗能RC结构体系。将阻尼器与耗能墙体内置于装配式框架结构中，通过对结构各项参数的优选，力求新型装配式耗能RC结构在地震及水平作用下能够实现“阻尼器→墙体→框架”的屈服顺序，最大程度上保护主体框架，提升装配式框架结构的抗震耗能能力，打破规范对原有的装配式建筑的限制条件。而内置墙体与框架之间的填充材料的刚度能在很大程度上影响装配式耗能RC结构体系的损伤形式及耗能能力，故对采用不同刚度的填充材料的装配式耗能RC结构进行研究有重要意义。

1 装配式耗能RC结构构造形式

装配式耗能RC结构体系如图1所示，体系包含主体装配式框架、耗能RC墙板和阻尼器三部分构成。混凝土墙板与主体框架柱之拟采用橡胶等柔性填充介质材料，顶部通过阻尼器与框架梁连接。

图1 装配式耗能RC结构示意图

新型装配式耗能RC结构体系的屈服损伤顺序将可以通过各部分设计参数如墙板厚度、墙板形式、墙板配筋率、阻尼器刚度等的调整有目的地加以引导，在地震作用下结构体系的理想屈服顺序为：阻尼器→耗能RC 墙板→主体框架。为了实现这个目的，填充介质材料的选取至关重要。其中填充材料的刚度能够很大程度上改变整个体系的受力性能与耗能能力，故选取10 MPa、20 MPa、40 MPa、80 Mpa为参数变量建立4个单跨新型装配式耗能RC结构模型，命名为AED1～4，对各模拟进行拟静力加载，探究适用于新型装配式的合理的填充材料的刚度。

2 有限元模型的建立

2.1 模型尺寸及材料参数

单榀装配式耗能RC结构的框架尺寸为3 000 mm×4 000 mm，梁、柱、墙板配筋图及阻尼器尺寸如图2所示。其中墙板配双层双向钢筋网，阻尼器采用软钢双圆锥阻尼器，钢材牌号为LY100，其屈服强度取130 MPa，抗拉强度取190 MPa，并双排布置。柔性填充材料厚度为50 mm，弹性模量分别取10 MPa、20 MPa、40 MPa、80 Mpa。

图2 各部件构造图

图2 各部件构造图

2.2 本构模型

混凝土采用ABAQUS自带的损伤塑性模型，单轴受拉受压的应力-应变曲线及损伤因子根据《混凝土结构设计规范》[4]计算。钢筋本构采用双折线模型、Mises屈服准则，随动强化准则以及关联流动法则。有报道表明对国产低屈服点软钢LY100、LY160、LY225的低周反复加载试验表明低屈服点软钢表现出强烈的同性强化趋势[5-6]。采用各向同性强化准则加之双折线模型进行模拟分析。

2.3 单元、网格、相互作用及加载控制

建立单跨一榀新型装配式耗能RC结构。阻尼器、混凝土框架、混凝土墙板、填充材料均选取C3D8实体单元，钢筋采用T3D2桁架单元模拟。各部件接触面近似采用Tie约束，钢筋骨架则通过Embed内置于混凝土中。耦合两个加载垫块外表面于关键点RP3，对关键点RP3施加拟静力位移荷载，从3 mm至42 mm共14级加载，轴压比取0.15。具体加载制度、荷载施加形式、网格划分见图3。

3 耗能结果分析

3.1 滞回曲线分析

各模型滞回曲线如图4所示，各模型加载初期结构近似处于弹性阶段，滞回曲线呈细小狭长形状，随着加载位移的增大，结构进入较高程度的非线性，实际结构开始出现裂缝。随着裂缝的发展、塑性损伤的积累，滞回环逐渐饱满，体现出较好的耗能能力。同时可以发现填充介质材料的刚度对新型装配式耗能RC结构的耗能性能影响较大，各模型滞回曲线饱满程度随着填充材料的刚度增大而减小，观察各模型应力云图发现其原因在于当填充材料刚度较大时，在加载初期框架部分较早进入塑性阶段，在加载位移较大时混凝土部分过早损伤完毕，而填充材料刚度较小的AED1模型在加载中后期混凝土才进入较高程度的塑性阶段，发挥耗能能力，故其滞回曲线更加饱满。

图4 AED1～4模型滞回曲线

3.2 骨架曲线及刚度退化曲线

通过提取各模型滞回环峰值点得到各模型的骨架曲线如图5（a）所示。刚度采用割线线刚度表达，计算公式为 Ki=（|+Fi|+|-Fi|） /|+ Δi|+|-Δi|，其中+Fi、+ Δi分别为第 i 次正向加载循环峰值点对应的荷载值与位移值，反之则为负向加载循环峰值点对应的荷载值与位移值。刚度退化曲线如图5（b）所示。从骨架曲线可以发现随着填充材料刚度的增大，在加载初期承载力提升较快，其原因有两点，首先填充介质材料的刚度增大必然导致结构整体刚度的增大，其次是因为在同样的加载位移下，填充材料刚度大的模型的墙板与框架间的相对位移减小，迫使墙板与框架的应力急剧提升，并且填充介质材料的刚度较大回导致混凝土部分损伤较快，在加载中后期承载力大幅下降，表现出一定程度的脆性破坏趋势。而刚度较小的AED1模型从加载初期到最后一级加载，其承载力不断上升，仅在最后两级加载时表现出轻微的下降趋势，表明其具有更强的变形及耗能储备能力。从刚度退化曲线来看，各模型刚度退化速率由快到慢，随着填充材料的刚度的加大，结构体系加载初期的刚度越大，并且刚度退化的速率也越快，在后期各模型刚度趋于一致。可见较柔的填充介质材料刚度能够释放结构的初期刚度，缓解框架与墙板的局部高应力状态从而提高整体结构的变形性能及耗能能力。

图5 AED1～4模型滞回、刚度退化曲线

3.3 阻尼器耗能占比

提取各模型阻尼器的滞回曲线后，计算整体结构及阻尼器在各级加载下滞回环面积则可以得到各级加载下整体结构的耗能量及与其模型中阻尼器的耗能量，将二者作商，可以得到各模型各级加载下阻尼器的耗能占比，如图6所示。从图6可以看出，各模型后期阻尼器耗能占比较为接近，差异主要集中在前中期。在加载前中期，随着填充介质刚度的增大，阻尼器耗能占比下降明显，意味着更多的塑性能量分散在混凝土框架及墙体中，这对主体框架结构是不利的。究其原因，不难发现填充材料的刚度越大，在整体结构的加载下，更多的水平位移由框架柱、耗能墙板所承担，导致阻尼器上下板间错动减小，以至阻尼器的耗能量及耗能占比较小。

图6 各模型在各级加载下阻尼器耗能占整体结构耗能的百分比

3.4 结构的加载特征点

通过骨架曲线可以计算和提取结构的屈服点与峰值点。整体结构的峰值荷载及峰值位移直接提取承载力的最大值点。采用文献所提的“能量等值法”计算结构的屈服点，并取正负向加载结果的均值作为最终值。通过骨架曲线提取的相应承载力、位移数值如表1所示。填充介质材料越柔，结构体系的屈服位移越大，即结构体系进入塑性的位移更大，意味着在地震及水平作用下能承受的非塑性变形量更大，同样，峰值位移也随着填充材料刚度的减小而增大，并且从图5各模型的骨架曲线也可以看出，填充介质刚度越大，整体结构越早出现下降段，表明较柔的填充材料介质的刚度具有更好的延性。

4 分阶段屈服能力分析

新型装配式耗能RC结构体系的理想屈服顺序为阻尼器-耗能墙板-主体框架，通过对结构各构件进行屈服顺序的探究必须先对屈服有明确的标准。探究不同刚度的填充材料对整体结构能否实现“耗能阻尼器→预制墙体→主体框架”的屈服顺序至关重要。

4.1 阻尼器先于墙板屈服情况的探究

软钢阻尼器可以通过其滞回曲线判定是否屈服，表1计算了各整体结构模型的屈服点，以整体结构屈服时的位移定制加载制度，二次加载在整体结构上，提取此次加载下阻尼器的滞回曲线，观察阻尼器是否已经屈服，如果屈服明显，则说明阻尼器在整体结构屈服之前已经屈服。而如果可以证明阻尼器在整体结构屈服前屈服，就相当于证明了阻尼器在框架与墙板屈服前屈服。

表1 结构加载特征点

建立第二组加载制度，设△为各模型整体结构的屈服位移，分别为14.82 mm、13.99 mm、11.80 mm、7.82 mm。具体的加载幅值为0.2△、0.4△、0.6△、0.8△、1.0△，作用于各自整体结构的RP3上，再提取二次加载制度下各模型阻尼器的滞回曲线如图7（a）所示。

各模型阻尼器滞回曲线均十分饱满，饱满程度随填充介质材料的刚度的增大而减小，各阻尼器在整体结构屈服前已充分屈服并耗散大量能量。各模型在二次加载下每一级加载的阻尼器的耗能量如图7（b）所示，随着每一级位移荷载的增大，各模型阻尼器的耗能量都在不断增大，其中耗能能力最强的阻尼器为模型AED1的阻尼器。因此，较柔的填充介质材料对阻尼器先于墙板屈服十分有利。

图7 各模型屈服前阻尼器的滞回曲线及耗能量

4.2 墙板先于框架屈服情况的探究

墙体与框架的屈服判定较为困难。实体单元构件由网格组成，框架梁、柱难以对塑性铰有明确的判定，而墙板的屈服更是难以判断。根据《混凝土结构设计原理》，钢筋混凝土主要通过钢筋受拉、混凝土受压来进行承载工作，大多数构件如梁、柱等在第二阶段拉区混凝土退出工作转而由受拉钢筋承载时，构件将发生较大的变形。因此混凝土墙及框架的屈服顺序通过查看混凝土积累塑性应变PEEQ及钢筋应力S11进行，当钢筋的S11云图数值大于其屈服应力表示该构件（墙板或框架）屈服，并且混凝土的积累塑性应变PEEQ的情况也可以说明二者屈服情况。如果加载后期，墙板混凝土PEEQ大于框架PEEQ，墙板大量钢筋单元应力S11超过其屈服强度，而框架钢筋应力仅有少部分超过屈服强度，则可认为墙板先于框架进入塑性屈服。

提取各模型36 mm位移加载下墙板与框架混凝土部分的PEEQ应变云图及墙板与框架钢筋s11应力云图如图8所示，观察墙板与框架屈服情况。

图8 各模型36 mm加载下钢筋s11云图、混凝土PEEQ云图

从框架和墙板的钢筋应力s11分布图可以发现，各模型墙板钢筋的屈服程度远高于框架钢筋，并且墙板除了超过屈服点的钢筋以外，还有大量钢筋处于高应力状态，这表明墙体钢筋能够先于框架钢筋进入塑性耗能状态。从混凝土应变图来看，墙体部分塑性应变同样大于框架塑性应变，随着填充介质的刚度增加，墙板积累的塑性应变从墙板底部、与阻尼器交接处转变到墙板中部，并且随着框架屈服的程度加强。但与此同时，框架部分的积累应变由梁端塑性铰部位转变为框架柱端，这种应变分布违反了强柱弱梁原则，对抗震不利。

5 结论

通过对比4个模型的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线、结构加载特征点、应力应变分布图得出以下结论：

（1）装配式耗能RC结构滞回曲线饱满，具有良好的耗能抗震能力。填充材料的刚度越小，装配式耗能RC结构体系的耗能能力越强，滞回曲线更加饱满，刚度退化更加缓慢，耗能储备量更大，在加载前中期，更多的能量于阻尼器耗散，保护了主体混凝土框架结构。

（2）当填充材料的刚度为10 MPa、20 MPa、40 MPa、80 MPa时，各模型均能实现“阻尼器→墙体→框架”的屈服顺序。其中填充材料的刚度越小，整体结构在屈服前阻尼器的耗能能量越大，滞回曲线越饱满，阻尼器先于混凝土墙体屈服的趋势越强。填充材料的刚度越小，墙板钢筋先于框架钢筋屈服的趋势越强，框架的损伤部位更加合理。

（3）进一步对装配式耗能RC结构进行研究分析时，应选用较柔的材料作为混凝土框架和墙板之间的填充介质，能显著改善装配式耗能RC结构的耗能性能及分阶段屈服能力。