悬挂式预制混凝土墙板框架抗震性能分析

文章编号：1000-6869（2014）S1-0137-06

悬挂式预制混凝土墙板框架抗震性能分析

1

黄宇星，祝

12

磊，王元清，刘

明

3

（1．北京建筑大学土木与交通工程学院，北京100044；2．清华大学土木工程系，北京100084；

3．沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳110168）

摘要：为对比悬挂式预制混凝土墙板框架与纯钢筋混凝土框架和普通砌体填充墙框架的抗震性能，采用有限元分析软件ABAQUS分别建立了3种结构模型，并对其进行反应谱分析以及时程分析。通过反应谱分析得出模型的基底剪力、楼层位

层间位移角和最大应力位置等，通过时程分析得出基底剪力、顶点位移以及应力随时间变化等。分析结果表明：悬挂式移、

预制混凝土墙板框架比纯钢筋混凝土框架和普通砌体填充墙框架具有更好的抗震性能，墙板部位的破坏程度比普通砌体

不合理布置墙体容易导致框架结构出现薄弱层，对抗震极为不利，建议对框架结填充墙轻；墙体对框架结构的影响比较大，

构进行设计时应该充分考虑墙体的影响。

关键词：钢筋混凝土框架；填充墙；预制混凝土；时程分析；反应谱分析；抗震性能中图分类号：TU375．402文献标志码：A

Seismicperformanceanalysisofreinforcedconcreteframewith

hangingprecastconcreteinfillwalls

HUANGYuxing1，ZHULei1，WANGYuanqing2，LIUMing3

（1．SchoolofCivilandTransportationEngineering，BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture，Beijing100044，China；2．DepartmentofCivilEngineering，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China；

3．SchoolofCivilEngineering，ShenyangJianzhuUniversity，Shenyang110168，China）

Abstract：Thispapercomparestheseismicperformanceofpurereinforcedconcreteframe，framewithhangingconnectionandframeusingordinarymasonryinfillwalls．Theresponsespectrumanalysisandtimehistoryanalysisthestorydisplacement，thestorydriftratioandthelocationofmaximumwereperformedinABAQUS．Thebaseshear，

stressintheresponsespectrumanalysisandtimehistoryanalysiswerediscussed．Theanalysesshowthattheframewithhangingconnectionhasthebetterseismicperformancethantheframeusingordinarymasonryinfillwallsandthedamageoftheprecastconcreteinfillwallsislessthanthatoftheordinarymasonryinfillwalls．Theanalysesalsoindicatethattheinfillwall’sinfluenceontheframestructureissignificant．Unreasonablearrangementofinfillwallseasilyleadstotheweaklayeroftheframestructure，whichisveryadversetotheseismicperformanceoftheframe．Sotheeffectofinfillwallsshouldbefullyconsideredinthedesignofframestructures．

Keywords：ＲCframe；infillwall；precastconcrete；timehistoryanalysis；responsespectrumanalysis；seismicperformance

：“十二五”基金项目国家科技支撑计划课题（2012BAJ16B05）。

mail：86891537@qq．com作者简介：黄宇星（1989—），男，湖南长沙人，硕士研究生。E-mail：zhulei@bucea．edu．cn通信作者：祝磊（1980—），男，湖北孝昌人，工学博士，副教授。E-收稿日期：2013年9月

137

0引言

墙挂钩悬挂在梁挂钩上，以此来连接两个构接部位，

件，此处要求挂钩能承受图1a中预制混凝土墙板的质量，侧边则用铁皮包围，外部用砂浆填充。

图1c所示为预制混凝土墙板与混凝土柱的连接部位，中间采用空心铁皮填充，用枪钉将空心铁皮钉

其余部分用砂浆填充。入混凝土墙板的侧边，

图1d为混凝土墙板内部构造图，墙挂钩与构造

钢筋相连，同时保证足够的锚固长度，然后用可拆卸的安装吊具进行安装。

在历次地震中，尤其是2008年的汶川地震，大量

框架结构的损害大多集中在砌体填充墙部位。究其主要是砌块和砂浆的抗拉强度不高，其界面黏原因，

结程度也较低，加之施工质量难以保证，使得砌体填充墙在地震作用下很容易开裂破坏。另一方面，在框架结构设计中，通常仅将填充墙作为荷载加在梁上，并未考虑填充墙与框架结构的复杂相互影响，如果其布置不合理，也容易导致填充墙在地震中发生破坏与倒塌。

相比砌体填充墙，预制混凝土墙板有更好的整

预制混凝土墙板可采用体性和强度。实际工程中，

悬挂的方式与梁连接起来作为非承重墙使用，侧边

留出缝隙填充可变形材料，以此来降低结构刚度。为研究悬挂式预制混凝土墙板框架与纯钢筋混凝土

本文框架和普通砌体填充墙框架抗震性能的差异，采用大型通用有限元分析软件ABAQUS对三者进行

反应谱分析以及时程分析，对比悬挂式预制混凝土墙板框架与纯钢筋混凝土框架和普通砌体填充墙框架的抗震性能。

［1］

2

2．1

有限元分析

有限元分析模型的建立

采用大型通用有限元分析软件ABAQUS，共设计

了3个模型，分别是：模型一，纯框架（带楼板）；模型悬挂式预制混凝土墙板框架；模型三，普通砌体二，

填充墙框架。其中模型二和模型三在底层均不布置墙体，以此来分析不合理布置填充墙所带来的影响。对3个模型分别进行多遇地震作用下的反应谱分析以及罕遇地震作用下的时程分析。

3个模型的框架部分均为3层4跨2榀框架，跨

2、3层层高度6m，进深7．5m，其中1层层高4．5m，3m，柱截面500mm×500mm，梁截面350mm×500mm，钢筋均采用HＲB335级钢筋，柱配筋为

8梁配筋为

2

18+

3

18，

18，预制混凝土墙板与混凝土

1连接构造

当预制混凝土墙板采用悬挂式连接方式时，其

连接构造见图1

。

楼板内钢筋分别配置10@100的HPB300构造钢筋，混凝土等级均为C30，普通填充墙采用轻质砌体材料。3个模型的框架以及楼板部分均采用实体单

钢筋则采用ＲEBAＲ单元，预制混凝元C3D8Ｒ模拟，

土墙板以及普通砌体填充墙均采用壳单元S4Ｒ模

拟。3个框架结构的有限元网格划分如图2所示

。

Fig．1

图1悬挂式预制混凝土连接示意

Connectionofhangingprecastconcreteinfillwall

如图1a所示，预制混凝土墙板的上部与混凝土梁通过梁挂钩和墙挂钩铰接，实现柔性连接，侧边则用空心铁皮填满缝隙，底部则用钢制挡板进行限位。

图1b所示为预制混凝土墙板与混凝土梁的连

图2Fig．2

模型网格划分Meshesofmodels

138

2．22．2．1

本构关系

钢材本构关系钢材的应力-应变曲线采用理想双折线模型，将

假设该结构处于8度抗震设防地区，设计地震分析，

组为第一组，Ⅱ类场地，根据GB50011—2010《建筑

［4］

抗震设计规范》得到该场地的特征周期为0．35s，

应变关系分为弹性阶段和塑性阶段，按钢材的应力-［2］

GB50010—2010《混凝土结构设计规范》，对HPB300、HＲB335钢筋弹性模量分别取200GPa和210GPa，屈服强度分别取300MPa和335MPa。钢

3

筋质量密度取7800kg/m，两个阶段钢筋的屈服应变取0，泊松比取0．3。

水平地震影响系数最大值为0．16g，阻尼比为0．05，

设计反应谱如图3所示。在结构的Z方向（水平方向）施加地震作用，算得3个模型的基底剪力，顶点位移以及最大应力，如表1所示。

2．2．2混凝土本构关系

本文采用混凝土塑性损伤模型建立混凝土的本

构。具体参数按GB50010—2010《混凝土结构设计

［2］

质量密度规范》确定。混凝土弹性模量取30GPa，

3

取2500kg/m，考虑混凝土材料阻尼效应，相应的质

量阻尼系数α=0．872，刚度阻尼系数β=1．654×－5

10，混凝土损伤塑性基本参数中膨胀角为30°，偏心率为0．1，双轴受压与单轴受压抗压强度比fb0/fc0=1．16，不变量应力比k=0．6667，黏性参数为0．005。2．2．3

砌体本构关系

模型编号模型一模型二模型三

图3Fig．3

标准设计反应谱

Standardresponsespectrum表1

反应谱分析结果

最大应力σmax/MPa4．214．574．29

Table1Ｒesultsofresponsespectrumanalysis

顶点位移Δ/mm7．5424．5024．623

最大应力位置柱底柱底柱底

FZ/kN[1**********]

基底剪力

本文采用塑性损伤模型来描述砌体的本构。参

3］照文献［中的受压本构模型，如式（1）所示。σηε

=（1）η/（η－1）fmεm1+（η－1）（ε/εm）

式中：σ为应力；ε为应变；fm为峰值应力；εm为峰值应变；η为初始切线模量与峰值割线模量的比值。由式（1）推导出砌体的本构关系，得出其弹性模量为1．943GPa。2．3

连接单元

3个模型中梁、柱、板的连接均采用绑定（Tie）单元，钢筋与混凝土之间的约束采用Embeded单元，模型三的填充墙与主体结构间的连接采用绑定（Tie）单元。

模型二中X方向布置的预制混凝土墙板顶端采用2个耦合单元，并放开绕Z轴旋转的约束，让其可以绕Z轴旋转；沿Z方向布置的预制混凝土墙板顶端采用2个耦合单元，并放开绕X轴旋转的约束，让其可以绕X轴旋转，以此来模拟预制混凝土墙板顶端与梁的铰接。

预制混凝土墙侧边与柱的连接采用特殊设置中的弹簧单元（Spring），以此来模拟空心铁皮的作用。预制混凝土墙的底部用耦合单元约束沿墙垂直方向的自由度，以此来模拟底部挡板的限位措施。

3个模型的最大应力均发生从表1中可以看出，

在柱底，最大应力均为C30混凝土轴心抗压强度标准值的1/5左右。纯框架模型一的基底剪力最小，顶点位移最大，而模型二、模型三的基底剪力均比模型一大，顶点位移均比模型一小，说明填充墙增大了结构刚度，减小了顶点位移，增大了基底剪力，而使用悬挂式预制混凝土墙板框架与普通填充墙框架的结果相差不大。3．2

层间位移角

由反应谱算得3个模型各楼层的层间位移角如表2所示。由表2可以看出：

1）3个模型的最大层间位移角均未超过《建筑

［4］

抗震设计规范》规定的1/550的限值，且各模型的层间位移角均随着楼层的增加而减小。

2）在模型二和模型三的2、3层中加入填充墙，增大了结构刚度，减小了层间位移，提高了结构的抗震能力。

3）由于预制混凝土墙板的刚度大于砌体填充墙3层层间位移角之间的差值比模的刚度，模型二的2、3层层间位移角之间的差值小，型三的2、表明模型三

在2层所布置的填充墙破坏严重，抗震能力变弱，导致层间位移角较模型二大。

3

3．1

反应谱分析

多遇地震作用下的反应谱分析

对3个模型进行多遇地震作用下的反应谱分

139

4）由于模型二与模型三的底层均未布置墙体，使结构出现薄弱层，导致层间位移角发生突变，对抗震极为不利，应该尽量避免此类结构布置。

表2

Table2

模型编号模型一

墙，预制墙板最大应力为17．18MPa，超过C30混凝

土抗压强度标准值的80%，应力大多分布在4个角与墙体的边缘。而模型三采用砌体填充墙，最大应力值为2．95MPa，接近ABAQUS中所设定的砌体抗压强度，且较大应力分布较广，大多分布在填充墙的表明填充墙震损严重

。中部，

多遇地震作用下层间位移角

楼层位移Δ/mm7．5426．1294．0214．5024．4304．3404．6234．5164．230

层间位移Δi/mm1．4132．1084．0210．0720．0904．3400．1070．2864．230

层高H/m3．03．04．53．03．04．53．03．04．5

层间位移角Δi/H1/20001/14281/11111/500001/333331/10411/250001/100001/1063

Storydriftratiounderfrequentearthquake

楼层3213

模型二213

模型三21

4

4．1

时程分析

地震波的选择

只考虑单向地震，由于该场地为Ⅱ类场地，因此

在Z方向输入适合Ⅱ类场地的ElCentro地震波进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，地震时间间隔0．02s，取前10s地震波进行分析，该地震波正向峰

22值加速度为4m/s，负向峰值加速度为－2．9m/s，

［4］2

均未超过规范所规定的4m/s。为了防止由于重

力作用框架出现较大的竖向震动，在0～1s内采用线性的重力加载，待结构稳定以后再输入地震波，地震波如图4所示。

图5模型一应力云图

Fig．5vonMisesstressofmodel

1

图4Fig．4

ElCentro地震波ElCentroseismicwave

4．2

应力分析

图5～7为3个模型在第4s时刻的应力云图，其

中模型一、模型二框架部分的最大应力分别为11．89MPa和16．94MPa，小于C30混凝土轴心抗压强度标准值；模型三框架部分的最大应力值则达到了23．37MPa，超过了C30混凝土轴心抗压强度标准值，表明模型三中砌体填充墙对框架的作用显著，而且又有明显的薄弱层，对抗震极为不利。

对比图6b与图7b发现，模型二采用C30混凝土

图6模型二应力云图

Fig．6vonMisesstressofmodel2

140

导致模型三位移与模型一相比相差不大。而减小，

模型二的各楼层位移远小于模型一与模型三，表明悬挂式预制混凝土墙板在地震中损坏程度较轻，起

抗震效果较普通砌体填充墙好

。到了一定的抗侧作用，

图7模型三应力云图

Fig．7vonMisesstressofmodel3

4．3

基底剪力分析

计算得出3个模型的基底剪力时程曲线如图8

所示，在0～1s内由于是重力加载，所以剪力为0，随着时间的增加，基底剪力随地震波逐渐变化，可以看再到模型二与模型三基底剪力约为模型一的1．5倍，次表明填充墙的加入增大了侧向刚度，从而增加了结构的地震作用力。模型三的基底剪力略大于模型二，表明悬挂式预制混凝土墙板框架的刚度和普通砌体填充墙框架的刚度相差不大，甚至略小于普通砌体填充墙框架

。

Fig．9

图9楼层位移时程曲线

Storydisplacementtime-historycurves

5结论

采用ABAQUS有限元分析软件对比分析了纯钢

筋混凝土框架、悬挂式预制混凝土墙板框架与普通砌体填充墙框架的抗震性能，得到以下结论：

1）在底层不布置墙体会导致结构竖向抗侧刚度

图8基底剪力时程曲线

Fig．8Basesheartime-historycurves

不规则以及层间位移角的突变，因此在框架结构设计中，应充分考虑填充墙的作用。2）两种带填充墙框架的顶点位移都小于纯框架，表明填充墙的加入在一定程度上约束了框架的振动，而悬挂式预制混凝土墙板框架与普通砌体填

表明悬充墙框架的顶点位移和基底剪力相差不大，

4．4

楼层位移分析

图9为3个模型各楼层的位移时程曲线。由于

有填充墙的加入，模型三的各楼层位移略小于模型一，说明在罕遇地震中，填充墙破坏严重，抗侧作用

141

挂式预制混凝土墙板在结构中的作用与普通砌体填充墙类似。

3）普通砌体填充墙框架的顶点位移比悬挂式预

表明普通砌体填制混凝土墙板框架的顶点位移大，

充墙框架的地震反应较悬挂式预制混凝土墙板框架

强，在地震中破坏严重，而悬挂式预制混凝土墙板框架则具有较好的抗震性能，悬挂式预制混凝土墙板的破坏程度也较普通砌体填充墙要轻。

参

考

文

献

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