(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川 綿陽 621010)

引言

裝配式民居既滿足傳統(tǒng)生活與生產(chǎn)，也滿足時代要求的可持續(xù)性發(fā)展。但裝配式建筑因采取預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行現(xiàn)場拼裝的方式，在與傳統(tǒng)建筑所用材料配筋等一樣的情況下，整體抗震性能是有所降低的。加上我國地處環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，近年來發(fā)生的多次強(qiáng)震，已導(dǎo)致大量的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失，典型的包括唐山地震(7.8級)，汶川地震(8.0級)，玉樹地震(7.1級)以及雅安地震(7.0級)。因此提高抗震性能是促進(jìn)我國推廣綠色裝配式建筑的關(guān)鍵性因素。

在2002年，張文芳副教授等人在一種裝配式鋼筋混凝土盒式結(jié)構(gòu)房屋的每層里，設(shè)置了摩擦隔震部件，研究了此種情況的建筑地震反應(yīng)分析模型和理論[1]。在2012年，碩士研究生衛(wèi)杰斌和譚平研究員等人考慮高層裝配式層間隔震建筑在罕遇地震條件下，以及隔震層和其上、下部結(jié)構(gòu)非線性的情況下，通過動力彈塑性分析，探究了建筑的抗震性能，研究發(fā)現(xiàn)設(shè)計隔震層可使高層裝配式建筑抗震性能提高一度，沒有多層建筑抗震性能提升明顯，但隔震后使室內(nèi)舒適度和設(shè)備正常使用得到了保證[2]。在2013年，碩士研究生劉樂利用ABAQUS有限元軟件，研究提出了一種針對集裝箱結(jié)構(gòu)的層層滑移隔震體系，結(jié)果表明，此體系減小了結(jié)構(gòu)各層最大位移和結(jié)構(gòu)層間位移角，提高了集裝箱結(jié)構(gòu)的抗震能力[3]。在2016年，碩士研究生黃敦堅在位移的抗震性能化設(shè)計方法基礎(chǔ)上，提出了基于目標(biāo)位移的模塊化結(jié)構(gòu)層間隔震設(shè)計流程，并研究發(fā)現(xiàn)隨著隔震層位置的上移，模塊化建筑的隔震效果逐漸減弱，因此為提高隔震性能，應(yīng)盡可能不在結(jié)構(gòu) 1/2高度以上的范圍內(nèi)設(shè)計隔震層[4]。在2018年，任佳妮等人以天津市靜海白領(lǐng)宿舍公寓為案例，探究了鋼結(jié)構(gòu)的模塊-框架復(fù)合建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)隔震設(shè)計,研究發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)隔震設(shè)計使結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的隔震效果，并且比層間隔震設(shè)計的隔震效果更好[5]。

因此本文基于ANSYS數(shù)值模擬，針對模塊化裝配式民居，提出了一種新型的柔性約束隔震設(shè)計，在建筑整體動態(tài)響應(yīng)模擬中，采用彈簧組連接基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)，并在建筑周圍建立混凝土柱用于彈簧與建筑本身相連接，整體作為一個組合構(gòu)，減小地震對上部結(jié)構(gòu)的影響，從而探究在地震波的作用中，柔性約束下的建筑上部結(jié)構(gòu)的變形與位移情況，以此判別此柔性約束的隔震效果，為接下來模塊化裝配式民居的柔性基礎(chǔ)隔震技術(shù)的深入研究，提供一定的參考。

一、無柔性約束的模型仿真模擬

選取一個北京市(地震設(shè)防烈度8度，設(shè)計基本加速度值為0.2g)所建的三層模塊化裝配式居民樓為原型建立仿真模型，樓板和屋蓋厚度為200mm，柱采用40cm×40cm×9m，橫梁截面采用250mm×500mm，四周4根柱子采用40cm×40cm×2.8m，柱和梁等材料參數(shù)定義為45號鋼，材料彈性模量E=2.06×106MPa,泊松比μ=0.269，密度為7890kg/m3，柱和梁采用SOLID185單元。板的材料定義為C20混凝土，材料彈性模量E=2.6×1010MPa，泊松比μ=0.27，密度為2500kg/m3，采用SOLID186單元。建筑底部施加ALL DOF約束。分析類型選用單點(diǎn)響應(yīng)譜，地震位移頻譜選自常用的EI-Centro波(表1)。由于混凝土的模擬計算應(yīng)變位移非常小，所以本次模擬中求解器使用小變形選項進(jìn)行位移計算。

表1 EI-Centro波位移譜

二、柔性約束下的模型仿真模擬

在原建筑模型的基礎(chǔ)上，加入柔性約束組合構(gòu)，四個角周圍布置了四根混凝土柱，用彈簧組將混凝土柱與對應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)柱相連，并用彈簧組將基礎(chǔ)與底層面板相連，建立仿真模型(圖1)。原建筑模型材料參數(shù)定義一致，另彈簧材料參數(shù)定義為45號鋼，材料彈性模量E=2.06×106MPa,泊松比μ=0.269，密度為7890kg/m3，采用COMBIN40單元。在四根混凝土柱與平板式筏型基礎(chǔ)的底面，即Y=0的面，施加ALL DOF約束，柱子與建筑之間和基礎(chǔ)與建筑底面之間用彈簧連接進(jìn)行約束。

圖1 仿真模型

三、數(shù)值結(jié)果分析

由模擬結(jié)果對比分析得，水平地震波作用下，固定端約束下建筑模型的大致變形范圍在1.613～2.663毫米，即其最大位移值為2.663毫米，柔性約束下模型的變形范圍在1.214～1.803毫米，即其最大位移值為1.803毫米，在豎向地震波作用下，柔性約束下的建筑大致變形范圍在1.15～1.795毫米，即最大位移值為1.795毫米。因此，與地面是固定端約束相比，柔性約束產(chǎn)生的位移變形要更小一點(diǎn)，即柔性約束下模塊化裝配式民居的抗震性能有所提高；柔性約束下建筑橫向變形最大位移與縱向變形最大位移相差無幾，所以加強(qiáng)建筑整體抗震能力時，應(yīng)同時考慮水平和豎向地震作用。

四、結(jié)論

本文采用ANSYS軟件建立仿真模型，研究了模塊化裝配式民居在新型柔性約束下的動態(tài)響應(yīng)，研究結(jié)果表明：(1)利用彈簧組作為基礎(chǔ)與裝配式民居的連接構(gòu)件，將固定約束改為柔性約束，加上建筑四周彈簧組與混凝土柱組成的柔性組合構(gòu)件，可減小建筑地震時的位移，從而提高建筑的整體抗震性能。(2)在預(yù)防水平地震對建筑物的破壞作用時，應(yīng)同時考慮采取措施，減小豎向地震對建筑的影響。(3)柔性約束有一定的隔震能力，但效果還需加大改善，為使模型的變形位移更小，建筑整體抗震性能更好，可以適當(dāng)?shù)卦黾硬牧系南嚓P(guān)參數(shù)和彈簧的剛度系數(shù)。

本文對于模塊化裝配式民居的新型柔性約束還處于初步研究階段，為后續(xù)彈簧組具體構(gòu)造與力學(xué)性能以及點(diǎn)位布置等的深入研究，提供了依據(jù)與可行性，同時為隔震技術(shù)在模塊化建筑中的研究與應(yīng)用提供一些參考，加快裝配式建筑在我國高烈度地區(qū)的推廣與應(yīng)用。