基于倒塌准则的单层3D打印混凝土建筑地震性能参数的量化研究

《Journal of Building Engineering》：Quantification of Seismic Performance Parameters for Single-Story 3D Printed Concrete Buildings Based on Collapse Criteria

3D打印混凝土建筑抗震设计研究提出RC框架3DPC墙体系并通过FEMA P695方法量化其抗震性能参数，确定响应修正系数1.5、超强系数2.7和变形放大系数1.9。研究受限于3DPC墙体平面水平响应试验数据不足，可能导致性能系数保守估计。

　　

H. Chen | S. Sharma | M. Aghajani Delavar | P. Sideris

德克萨斯A&M大学土木与环境工程系Zachry

摘要

基于三维（3D）挤出技术的混凝土打印技术，也称为增材混凝土施工，代表了建筑行业和结构工程领域的一个潜在范式转变。然而，3D打印混凝土（3DPC）建筑的抗震设计仍是一个尚未充分发展的领域。本研究通过提出一种抗震力抵抗系统（SFRS）来填补这一空白，该系统采用了最近开发的3DPC结构墙设计，称为“RC框架3DPC墙”，并根据FEMA P695程序量化了该系统的关键抗震性能参数，例如响应修正系数，这是通过ASCE 7-22的等效侧向力程序进行传统结构抗震设计所必需的。FEMA P695评估针对30个典型结构（或每个水平方向60个SFRS）进行，抗震性能系数是根据可接受的倒塌概率选定的。评估过程包括静态单调分析和循环推覆分析以及增量动态分析（IDAs）。静态推覆分析使用了基于壳单元和框架单元的详细数值模型，而IDA则使用了基于桁架单元的简化数值模型。根据评估结果，建议所提出的SFRS的设计采用1.5的响应修正系数、2.7的超强度系数和1.9的挠度放大系数。这些值与普通钢筋砌体剪力墙的值非常接近。需要注意的是，由于缺乏关于3DPC墙结构在平面内水平荷载下性能的实验室测试数据，本研究的结果可能较为保守。

章节摘录

引言

混凝土3D打印技术，也称为增材混凝土施工，由于其能够降低生产成本、缩短施工时间等优点，有可能彻底改变建筑行业和住房市场。3D打印混凝土通过自动化实现连续、快速的生产，并消除了对模板的需求[3]。由此带来的施工成本降低使得住房和其他基础设施更加经济实惠。

研究范围

尽管3DPC施工相比传统施工方法具有多项潜在优势，但其应用仍然有限，尤其是在地震频发地区，其中一个原因是缺乏相关的抗震力抵抗系统（SFRS）和抗震设计方法。作者最近提出了一种适用于SFRS的3DPC结构墙设计，称为“RC框架3DPC墙”[34, 42]，并推导出了相应的强度设计方程[34, 39]。

3DPC建筑中的抗震力抵抗系统（SFRS）

3DPC建筑可以由3DPC墙、RC柱和RC灌浆单元组成。对于每个外墙组件，所提出的SFRS由单独的“RC框架3DPC墙”[34]组成，这些墙通过适当的细节处理和分离接头与不参与抗震设计的墙体隔开，并通过连接/ bonding RC梁相互连接（见图1）。“RC框架3DPC墙”（见图2）包含一个内部RC框架，用于包裹墙体的打印部分。

提出的抗震设计方法

提出的抗震设计方法包括根据ASCE 7-22[44]确定抗震设计要求和量化抗震需求的内容，以及RC框架墙的设计（和承载能力）。

3DPC建筑的抗震倒塌评估以量化抗震性能参数

如前所述，SFRS的抗震设计需要了解抗震性能参数，而这些参数对于所提出的SFRS目前尚不可得。将通过使用所提出的SFRS设计的3DPC建筑进行FEMA P695评估来量化这些参数。FEMA P695方法论的示意图见图6。第一步是获取关于该系统的信息，如其潜在应用、设计要求等。

本研究的局限性

本研究的局限性在于关于3DPC墙在平面内水平荷载下性能的实验数据非常有限，而目前关于RC框架3DPC墙在平面内水平荷载下性能的唯一数据来自Aghajani Delavar[64]的研究，这些数据用于验证本文中使用的数值建模方法。为了弥补相关实验数据的不足，在性能评估分析中采用了较低的评级和较高的不确定性值。

总结与结论

本文提出了一种利用“RC框架3DPC墙”概念的SFRS，并量化了该SFRS的关键抗震性能参数，使其能够应用ASCE 7[44]的等效侧向力程序。这些性能参数包括响应修正系数R、超强度系数Ωο和挠度放大系数Cd，所有这些参数均通过FEMA P695方法论[45]进行量化。

作者贡献声明

Hao Chen：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论研究、数据分析、正式分析、数据管理。Petros Sideris：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件开发、资源协调、项目管理、方法论研究、资金筹集、正式分析、数据管理、概念构思。Mohammad Aghajani Delavar：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论研究。

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财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了美国住房和城市发展部（HUD）在Grant #H21691CA项目下的资助。同时感谢德克萨斯A&M大学的高性能研究计算（HPRC）中心在数值模拟方面提供的帮助。本文中的任何观点、发现、结论和建议仅代表作者本人，并不一定代表资助方的立场。