范新海1，马荣全1,2，吴晓龙3，付 兴3
（1．中国建筑第八工程局有限公司，上海200000;2．同济大学建筑工程系，上海200092；
3．大连理工大学建设工程学部，辽宁大连 116024）
[摘要]装配式结构与现浇结构有限元模型的最大区别在于节点处理方法，现浇结构的节点通常采用刚接，而装配式结构的节点往往只是耦合某一个或多个自由度，因此确保建立的有限元模型能够准确反应装配式结构的动力特性非常重要。针对某装配式结构采用ABAQUS软件建模，文中介绍了节点的建模方法，同时采用ANSYS软件对ABAQUS模型进行了校核。最后对该模型进行了弹塑性地震反应分析，验算了底部剪力、层间位移及节点强度。通过对地震反应的结果进行分析可知：多遇地震及罕遇地震作用下，结构最大层间位移角小于规范限值；多遇地震作用下，节点基本处于弹性状态，罕遇地震作用下，部分梁端节点、墙角节点屈服。
[关键词]装配式；有限元分析；装配式节点；抗震验算
[中图分类号] TU311.3 [文章编号]1002-8498( 2016) 04-0014-05
1878年在巴黎博览会英国展区Lascell展示了世界上第1个采用预制混凝土建造的建筑。我国预制混凝土起源于20世纪50年代，早期主要应用在工业厂房、住宅、办公楼等建筑领域。50年代后期到80年代中期，绝大部分单层工业厂房都采用预制混凝土建造。80年代中期以后，我国预制混凝土建筑步入衰退期。21世纪后，预制混凝土由于它固有的一些优点在我国又重新受到重视。
Smith等通过试验研究了装配式剪力墙的受力性能，结果表明在抗震领域采用装配式剪力墙有很大潜力。Rizkalla等对7种常用剪力墙连接件进行了试验研究，其试验结果可用于装配式结构的数值模拟。朱张峰和郭正兴进行了预制装配式剪力墙结构中间层边节点的抗震性能试验研究，对2个现浇试件和3个预制装配试件进行低周反复荷载试验，试验结果表明预制装配试件具有与现浇试件相当的抗震性能。Corney等对预制楼板在地震下的损害进行了为期10年的调查，总体来说，预制楼板表现很好，只有少量出现破坏，调查表明预制楼板应该放在低摩擦支座上。Weldon等通过试验研究了后张拉预制混凝土耦合梁的性能，给出了模型各参数在加载下的变化过程。赵斌等进行了全装配式预制混凝土结构梁柱组合件抗震性’能试验研究，结果表明，在实际工程应用中，应采取必要措施增加全装配式节点的耗能能力。Zoubek等通过试验和数值模拟研究了装配式梁柱榫卯节点的破坏形态，对工程设计提出了一些建议。谭平等提出一种新型装配式隔震节点，采用1/2缩尺模型对该新型装配式隔震节点在低周反复荷载作用下的破坏形态、滞回特性、骨架曲线、延性性能、耗能能力等性能进行研究，并与现浇节点进行对比，结果表明，此类新型装配式隔震节点应用于装配式隔震结构是可行的。
Biondini等研究了环境腐蚀对低矮装配式结构的影响，分析结果表明在全寿命周期内环境腐蚀对结构基底剪力和位移延性有很大影响。在SAFECAST计划的资助下，Bournas等通过试验研究了一个3层全尺度装配式结构的连接件及楼板，Negro等进行了一系列全尺度3层装配式结构的拟静力试验，同时提出了一种新的节点连接形式，结果表明提出的连接系统非常有效。朱张峰和郭正兴对装配式混凝土剪力墙结构底部4层1/2比例空间模型进行了低周反复荷载试验，由于填充墙效应及局部现浇带的有效约束，结构承载力及刚度得到提高，且有较大安全余度。Belleri等通过振动台试验及结构识别技术研究了一个3层1/2比例装配式结构的损伤情况。
在我国预制装配式结构的预制率一直不高，只有部分构件会在工厂预制，预制率在90%以上的大型公共建筑在此之前更未出现。下面本文就针对我国首例多层大跨度全预制装配式停车楼进行整体抗震性能分析。
1 工程概况
一汽技术中心乘用车所建设项目停车楼位于长春市，建筑面积78 834. 64m2，停车楼分为a，b2栋，2栋停车楼对称布置，预制率达到90%以上。项目停车楼地上7层，建筑高度为24m，结构形式采用预制装配式混凝土结构，其中双T板、墙、梁、柱、楼梯等全部构件数量为4 046块，停车楼效果如图1所示。该停车楼为多层大跨度开敞式公共建筑，为装配式框架剪力墙一梁柱结构体系，从预制建筑方案的优化设计、预制构件的深化设计、装配节点详图深化设计、预制构件加工图深化设计、装配式结构重要安装施工环节等，国内尚无相关设计案例可循。
该停车楼设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度为7度，二类场地，环境类别为II类。构件混凝土强度等级如表1所示。
钢筋采用HPB300级、HRB400级钢筋，预应力钢筋采用低松弛1 x7钢绞线（7股），公称直径为15. 2mm，抗拉强度标准值为1 860N/mm2。
2有限元模拟
2.1 装配式结构节点模拟处理方法
装配式结构与现浇结构有限元模型的最大区别在于节点处理方法，现浇结构的节点通常采用刚接，而装配式结构的节点往往只是耦合某一个或多个自由度，大震作用下节点及构件会进入强非线性，因此节点处理方法直接影响结构的整体性能。实际结构中节点类型包括上下墙体节点、上下柱连接节点、墙梁连接节点、双T板和柱子连接节点、墙角连接节点、倒T梁和柱子连接节点、双T板端部与墙梁连接节点、双T板侧面与墙梁连接节点以及双T板之间连接节点。
除灌浆套筒连接以外，其余节点均通过预埋件螺栓连接或焊接，下面以墙角节点为例，介绍一下节点处理方法。墙角连接采用预埋件螺栓连接，具体构造如图2所示。有限元模型中的处理方法是在两个点之间添加连接单元( hinge)，在耦合两点3个平动自由度的同时，提供一个转动刚度，来模拟节点连接件对墙角节点的转动约束。连接单元及节点耦合的自由度如图3，4所示。采用上述方法，建立的装配式停车楼有限元模型如图5所示。
2.2 ABAQUS有限元模型
混凝土采用塑性损伤模型，为提高计算效率，模型中仅考虑混凝土的非线性行为，未考虑损伤因子。钢筋采用理想弹塑性模型。混凝土结构阻尼比为0. 05，钢结构的阻尼比为0.02，装配式结构主要依赖于连接件的耗能。对于装配整体式结构，阻尼比取0. 03较为合适，采用Rayleigh阻尼。
2.3 ANSYS结果对比验证
为验证ABAQUS模型的正确性，本文采用ANSYS软件进行对比校核。两种软件建模中所有的材料参数、构件尺寸、空间位置完全一致，节点处理原则相同。ANSYS及ABAQUS模型前三阶振型对比如图6所示，表2列出了前三阶频率及其相对误差，从中可明显看出ANSYS与ABAQUS模型的自振特性非常接近。
为进一步校核ABAQUS模型，分别对2个有限元模型输入相同的地震波（x方向），提取角点(见图5)第1层和第7层的位移时程曲线进行对比，如图7所示，从图7中可明显看出2条时程曲线十分接近，进一步验证了ABAQUS模型的合理性。
3 弹塑性地震反应分析
选取3条地震波进行抗震验算，地震波的选取要满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2010
5.1.2的要求，输入的3条地震波分别为Taft波、Northridge波和兰州波，其中Taft波和Northridge波为实际强震记录，兰州波为人工波。根据《建筑抗震设计规范》表5.1.2.2，多遇地震峰值加速度取35cm/s2，罕遇地震峰值加速度取220cm/s2。多遇地震时，验算结构的底部剪力、层间位移角以及节点力；罕遇地震时，验算层间位移角和节点力。
3.1 底部剪力验算
在使用振型叠加法分析线性动力问题时，要保证提取足够数量的模态，因此计算时提取结构前200阶振型进行振型分解反应谱分析。将上述3条地震波依次施加到结构上进行弹性时程分析，得到的底部剪力如表3所示，与反应谱法计算的底部剪力进行对比，可以看出，时程分析得到的底部剪力均大于反应谱法计算结果的65%，满足规范要求，说明地震波选取合理。
3.2层间位移验算
将3条地震波分别沿不同主轴方向（x轴、z轴）输入，计算多遇及罕遇地震下结构的层间位移，提取结构各层的最大层间位移角，结果如图8所示。
多遇地震作用下，《装配式混凝土结构技术规程》JGJl-20146.3.3规定：多层装配式剪力墙结构最大层间位移与楼层高之比限值为1/1 200。罕遇地震下，《建筑结构抗震规范》5.3.3规定：钢筋混凝土抗震墙弹塑性层间位移角限值为1/120。通过图8可明显看出无论在多遇地震还是罕遇地震作用下，该结构的层间位移角均满足规范要求。
3.3节点验算
该装配式结构节点连接存在两种形式：螺栓连接和钢板焊接。这里采取如下假设：①假设螺栓连接的破坏形式为螺栓拉伸破坏或剪切破坏，只需要验算螺栓的抗拉强度和抗剪强度；②假设焊接连接破坏处为钢板的拉伸破坏，不考虑焊缝的破坏。
螺栓连接采用普通螺栓8.8级( M24)，根据《钢结构设计规范》GB50017-2003，查得螺栓的抗拉强度为400 N／mm2，抗剪强度为320N/mm2。
螺栓的抗拉承载力：
连接钢板上有4个螺栓，2个受拉，2个受剪。需要注意的是，当同侧2个螺栓受拉（压）时，另外2个螺栓受剪，反之亦然。由于螺栓的抗剪承载力小于抗拉承载力，螺栓的剪切破坏必然先于受拉破坏，因此这种连接件的承载力应按照抗剪承载力290kN来计算。
钢板焊接采用Q345B钢材，用于连接的钢板尺寸如图9所示，其抗拉强度为310 N／mm2，抗剪强度为180 N／mm2。因此钢板抗拉承载力为Pt= 310×140×15/1 000=651kN，抗剪承载力为P v=180×140×15/1 000= 378kN。
节点的破坏准则采取首次超越破坏的原则，下面以某一节点为例进行说明。图10为某节点在多遇及罕遇地震作用下节点力的时程曲线，可看出，在罕遇地震作用下，节点力超过限值，发生屈服。
模型中按照刚接处理的节点不做验算，其余采用点的耦合、约束以及连接单元均需提取节点力进行验算。通过对模拟的节点力进行分析，可知：
1)墙梁连接多遇地震作用下，少部分节点发生屈服，但这部分节点的节点力超出承载力不多；罕遇地震作用下，绝大部分节点发生屈服。
2)墙角连接多遇地震作用下，有4处节点屈服，但这4处节点力超出承载力不多；罕遇地震作用下，绝大部分节点发生屈服。
3)倒T梁和柱连接 多遇地震作用下，所有节点未发生屈服；罕遇地震作用下，绝大部分节点都发生屈服。
4)双T板侧面与墙、梁连接多遇地震和罕遇地震作用下，所有此类节点未发生屈服。
5)双T板端部与墙、梁连接 多遇地震和罕遇地震作用下，所有此类节点未发生屈服。
4结论
1)结构基本周期为0. 61s，第一振型为x方向上的平动，结构侧向刚度之比为Kx /Kz=0.9，且扭转刚度远大于平动刚度。
2)多遇地震作用下，结构最大层间位移角为1/1 675，小于规范限值1/1 200，同时构件均处于弹性状态，未产生损伤。
3)罕遇地震作用下，结构最大层间位移角为1／278，小于规范限值1/120，部分梁端、剪力墙底部出现塑性屈服，产生一定程度损伤。
4)多遇地震作用下，节点基本处于弹性状态：罕遇地震作用下，部分梁端节点、墙角节点屈服。
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