基于“易推倒模型”的评估方法：研究钢筋混凝土框架在结合延性预制外饰层时的横向响应特性

《Journal of Building Engineering》：Pushover-Based Assessment of Lateral Response of Reinforced Concrete Frames Integrated with Ductile Precast Cladding

预应力混凝土装饰板与现浇钢筋混凝土框架的相互作用研究采用三维非线性有限元分析，评估了延性螺纹锚固连接对结构整体刚度、强度及变形模式的影响，开发了简化的宏观元素建模方法，为集成系统性能评估提供方法支持。

　　

Dima Shammout | Himan Hojat Jalali | Nazzal S. Armouti

美国德克萨斯州阿灵顿德克萨斯大学土木工程系

摘要

预制外墙系统在建筑施工中得到广泛应用；然而，在系统级响应评估中，它们与结构框架的相互作用往往被忽视。本研究利用基于推覆分析的框架，探讨了延性外墙连接对现浇钢筋混凝土抗弯框架整体响应的影响。为此，通过不同数量和直径比率的延性螺纹拉杆连接，对预制外墙进行了三维非线性有限元分析。通过单调推覆分析，研究了外墙-框架相互作用如何改变整体刚度、强度和变形模式。结果表明，在所研究的配置下，延性外墙连接的参与可以改变整体力-位移响应，并影响单调荷载下的性能指标，其中较长的连接表现出更稳定的变形特性。随后开发了一种简化的宏观单元建模方法，用于在多层结构模型中表示校准后的连接行为，从而能够高效地比较系统级响应趋势。分析结果表明，在单调荷载下，外墙系统的侧向抵抗力有所增加，性能指标也发生了变化。这些发现旨在支持对外墙-框架相互作用效应的评估，而非建立地震性能预测或基于规范的设计建议。

引言

由于其建筑多样性和安装便捷性，预制混凝土外墙被广泛应用于各种类型的建筑中。这些外墙系统通过两种主要类型的连接方式与结构框架连接：承重连接（用于支撑面板重量）和非承重柔性连接（如拉杆连接、滑动连接和推拉连接）。尽管预制外墙是非结构建筑组件中的重要投资[1]，但设计师们常常忽视了它们与结构系统的相互作用[2]。通常，仅将面板的质量视为附加的恒载，而忽略其刚度，这种做法在结构上是不合理的[3]。最近的研究探索了预制外墙系统的各种设计策略，包括但不限于：隔离（通过带有缝隙的滑动连接允许面板自由移动）；集成（使外墙成为抗侧力系统的一部分）；以及通过特定连接构件的塑性变形来耗散能量[4, 5, 6]。利用非结构外墙系统作为整体系统来抵抗和传递水平荷载，在过去几十年中已成为一种高效的应用方式[7]。Sha等人[8]表明，外墙连接系统可以通过连接的延性屈服结合能量耗散机制。这些机制控制了外墙与结构框架之间的荷载传递，从而提高了抗震性能。Chong等人[9]还观察到，梁所耗散的能量远高于柱子，其中连接部分耗散了大部分荷载，表明这种设计可以减少地震引起的损伤。在建筑外墙的改造应用中，引入外部外墙可以显著提高现有结构的强度和刚度[10]。

关于不同外墙系统的实验研究已经证实，将预制面板与建筑结构系统连接在一起可以增加整体刚度[11, 12, 13]，这归因于面板在荷载作用方向上的高平面刚度和连接刚度；当面板作为水平构件使用时（如工业建筑中），更多的连接数量可以提高荷载传递效率[14]。此外，对连接特性的改进（如摩擦和能量耗散行为）也有助于提升系统性能[15]。因此，面板系统的强度和稳定性在很大程度上取决于外墙连接的细节设计。特别是，连接的延性在系统性能中起着重要作用，可以提供额外的性能裕度[16, 17]。由延性螺纹杆组成的拉杆连接在强度、能量耗散和延性方面表现出可靠的性能，使其成为混凝土框架应用的理想选择[18]。

尽管大多数实验工作都集中在带有延性连接的外墙系统与钢框架[19, 20, 21]或预制钢筋混凝土（RC）框架[11, 23, 24]的地震行为上，但关于现浇RC框架与外部预制混凝土外墙面板之间相互作用的研究还比较缺乏。这种相互作用对于确定框架和外墙系统在集成到抗侧力系统中的性能水平至关重要。此外，也缺乏将研究成果转化为实用分析程序的研究，以便使用商业软件评估集成系统的性能，这些软件能够反映连接和整个外墙系统在结构中的行为。

本研究的目的是量化带有延性连接的预制外墙系统对现浇钢筋混凝土框架侧向地震响应的贡献。这是通过基于经过验证的微观单元建模的框架实现的，其中带有延性拉杆连接的普通抗弯框架受到侧向静态推覆荷载的作用，利用详细的有限元建模来跟踪集成系统中结构和非结构组件的性能。该研究建立了验收标准和建模基线，以支持宏观单元建模方法的最终发展。

本研究并不试图重新定义外墙作为抗地震力系统的一部分，也不提出符合规范的设计程序；相反，它旨在通过量化延性外墙连接系统对侧向荷载下整体刚度、强度和变形模式的影响来支持评估和工程决策。

以下概述了本文的结构和内容。本文首先介绍了关键的外墙组件、它们的性能水平和延性特性，以评估其与结构框架的相互作用。然后开发并验证了详细的3D非线性有限元模型，以组件级别与实验结果进行对比。接着评估了不同类型拉杆连接的性能，以确定位移极限和推覆参数。随后提出了宏观单元模型来复制有限元行为。最后，评估了集成外墙-结构系统对八层框架系统地震性能的影响，以评估外墙对结构系统整体性能的影响。

部分摘录

外墙系统组件

本研究探讨的预制混凝土外墙由三个主要组件组成：预制混凝土面板（PCP）、连接件和支持结构框架系统。重型预制外墙通常至少由四个支撑点支撑，顶部两个，底部两个[22]。在本研究中，使用了两种类型的连接件来支撑每个PCP：固定承重型连接件为重力荷载提供稳定支撑，而拉杆连接件则允许

机械性能和性能水平

延性是控制结构系统地震行为的关键参数，可以通过静态推覆分析获得。延性能力定义为最大位移（对应于最大层间剪力）与屈服位移（δ_y）的比值。目标延性是根据性能点（需求响应谱与能力推覆曲线的交点）确定的地震需求来确定的

仿真方法和验证

作为有限元研究的基础步骤，详细的FE模型将针对实验结果进行验证，以确保它们能够准确捕捉观察到的物理行为。同时，将验证宏观单元模型，以评估它们是否适合进行分析研究。这些验证对于在进一步进行仿真和分析之前建立信心至关重要。图4展示了建模验证步骤

研究结果

本节展示了评估的集成系统的研究结果，该系统由通过拉杆连接固定的实心PCP组成，拉杆的长度和数量各不相同。目的是捕捉性能的改进以及系统的延性变化，与裸框架系统相比。此外，为了提高实用性和计算效率，使用广泛可用的商业软件实现了宏观单元建模方法

总结与结论

本研究提出了一个基于推覆分析的宏观单元建模框架，用于评估延性外墙连接对钢筋混凝土框架-外墙组件整体响应的系统级影响。通过使用详细的有限元模拟在校准关键连接行为的基础上，并将得到的宏观单元集成到多层结构模型中，该框架能够一致且计算高效地评估

CRediT作者贡献声明

Dima Shammout：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。Himan Hojat Jalali：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、资源管理、方法论、概念化。Nazzal S. Armouti：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、概念化

未引用的参考文献

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利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

支持本研究结果的数据可向相应作者提出合理请求后获取。

资金来源

本研究未从公共、商业或非营利部门的资助机构获得任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。