傳統(tǒng)與創(chuàng)新點(diǎn)固定玻璃幕墻系統(tǒng)的地震評(píng)估與有限元建模

1. 引言：

在過(guò)去的幾十年里，地震后的偵查報(bào)告進(jìn)一步突顯了非結(jié)構(gòu)組件的高度脆弱性。與這些建筑系統(tǒng)（建筑元素、機(jī)械和電氣設(shè)備、內(nèi)容）相關(guān)的損壞可能對(duì)居民和過(guò)路人構(gòu)成生命安全威脅。此外，非結(jié)構(gòu)組件可能大大增加建筑維修成本和業(yè)務(wù)中斷，即使對(duì)于低至中等的地震強(qiáng)度水平。多項(xiàng)研究都強(qiáng)調(diào)了調(diào)查非結(jié)構(gòu)組件和內(nèi)容的地震行為和預(yù)期損壞機(jī)制的重要性，以及將它們包括在建筑的地震評(píng)估/設(shè)計(jì)/損失分析中，考慮到與非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在建筑中的大量投資（辦公室、酒店和醫(yī)院的總建筑成本分別為82%、87%和92%）。

2. 目標(biāo)和方法：

本文的主要目標(biāo)是研究市場(chǎng)上目前可用的PFGFSs的平面抗震性能，并提出一種創(chuàng)新的解決方案，能夠減少預(yù)期的損壞并增強(qiáng)中等至嚴(yán)重地震事件下的抗震性能。首先，簡(jiǎn)要描述了PFGFSs，重點(diǎn)關(guān)注過(guò)去地震觀察到的這種幕墻的抗震性能和損壞，以及市場(chǎng)上目前可用的連接類型。然后，在ABAQUS中實(shí)施了詳細(xì)的有限元建模，以研究這種建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型的局部（連接級(jí)別）。這種精細(xì)的建模允許定義一個(gè)幕墻的宏觀模型，由描述整體系統(tǒng)的平面容量的非線性彈簧、框架和殼元素組成。

3. PFGFSs的描述：

3.1 系統(tǒng)組件

Inca等人提供了PFGFS的準(zhǔn)確描述。這種幕墻系統(tǒng)由四個(gè)元素組成：主支撐結(jié)構(gòu)、玻璃支撐附件、螺栓固定件和玻璃面板。有幾種類型的主支撐結(jié)構(gòu)可用。它們由輕型金屬框架系統(tǒng)組成，用于支撐玻璃面板。值得注意的是，使用這樣的組件并不是強(qiáng)制性的。在沒(méi)有支撐框架的情況下，玻璃支撐附件直接連接到建筑結(jié)構(gòu)本身，使用較大的玻璃面板。這允許幕墻具有更大的透明度，但作為對(duì)應(yīng)，較大的玻璃面板對(duì)平面運(yùn)動(dòng)更加脆弱。

4. PFGFS連接系統(tǒng)的有限元建模

這一部分描述了為蜘蛛鍍膜立面的連接系統(tǒng)實(shí)施的有限元建模（FEM）。在ABAQUS中開(kāi)發(fā)了多種數(shù)值模型，以評(píng)估：固定的K型連接的行為、蜘蛛臂的彎曲、硅膠天氣密封劑接頭和螺栓固定。此外，還介紹了基于框架元素和非線性鏈接（彈簧）定義的連接組件的宏觀建模。

4.1 蜘蛛元件

首先在ABAQUS軟件中開(kāi)發(fā)了連接系統(tǒng)（K型蜘蛛元件到支撐板）的3D FEM模型。作為第二步，根據(jù)并基于所獲得的微模型數(shù)值結(jié)果，提出了一個(gè)簡(jiǎn)化的模型，使用框架元素和非線性鏈接，能夠描述蜘蛛元件和支撐板之間的摩擦行為。

具體來(lái)說(shuō)，在第一階段，為了校準(zhǔn)在ABAQUS中實(shí)施了兩個(gè)微模型：

定義蜘蛛元件到支撐板摩擦行為的非線性鏈接。

用于簡(jiǎn)化整體模型的框架元素的橫截面積。關(guān)注蜘蛛臂是很重要的，因?yàn)樗鼈兙哂锌勺兊臋M截面積。

在這兩種情況下，都值得注意一個(gè)可以簡(jiǎn)化ABAQUS模型的方面。這允許減少計(jì)算費(fèi)用，使模型更加高效。蜘蛛元件通過(guò)一個(gè)T型不銹鋼支撐板固定到建筑結(jié)構(gòu)上，該支撐板錨固到梁或柱元件上。通過(guò)考慮蜘蛛元件連接的板，簡(jiǎn)化了T型支撐板。這個(gè)元件通過(guò)一個(gè)固定支撐約束，模擬一個(gè)無(wú)限剛性的連接到建筑結(jié)構(gòu)。此外，為了僅評(píng)估摩擦行為，從模型中移除了蜘蛛臂。圖6a顯示了玻璃支撐附件連接到建筑結(jié)構(gòu)的連接。圖b、c分別顯示了用于評(píng)估蜘蛛臂的彎曲行為和蜘蛛元件到支撐板的摩擦行為的ABAQUS模型。

4.1.1 K型蜘蛛元件的摩擦行為

為了評(píng)估支撐板到蜘蛛元件的摩擦行為，開(kāi)發(fā)了ABAQUS數(shù)值模型，該模型由三部分組成：簡(jiǎn)化的支撐板、蜘蛛元件和螺栓。所有這些部分都使用由六面體網(wǎng)格元素組成的3D可變形實(shí)體元素進(jìn)行建模。具體來(lái)說(shuō)，使用了由20個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的通用二次磚元素，具有減少的集成（2×2×2集成點(diǎn)）（C3D20R），如圖7a所示。

在這些實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，X型和K型蜘蛛元件的最大允許漂移分別為2.01%和5.25%。這突出了與X型元件相比，K型元件的固有高性能。因此，作為將其實(shí)施到整個(gè)低損壞建筑系統(tǒng)的自然選擇，這項(xiàng)工作關(guān)注K型元件，目的是增加對(duì)其特性和行為的了解，并建議進(jìn)一步增強(qiáng)其容量和預(yù)期性能的細(xì)節(jié)。

4.2 硅膠天氣密封劑接頭

本段專注于硅膠天氣密封劑接頭的行為研究。這種組件的行為已通過(guò)對(duì)100×100mm樣品的實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行了廣泛的調(diào)查。樣品由兩塊12mm厚的玻璃面板組成，其中包括一個(gè)8mm厚的硅膠天氣密封劑接頭，并通過(guò)施加張力、壓縮和剪切力進(jìn)行了測(cè)試。這部分旨在使用這些實(shí)驗(yàn)測(cè)試開(kāi)發(fā)一個(gè)ABAQUS模型，以校準(zhǔn)硅膠材料的性質(zhì)。實(shí)施的數(shù)值模型模擬了Sivanerupan等人測(cè)試的樣品的特性。定義了不同的加載情況，以復(fù)制進(jìn)行的張力、壓縮和剪切測(cè)試。用于模擬玻璃面板和硅膠接頭的是線性和非線性的殼元素。對(duì)于張力和剪切力，硅膠使用了彈塑性材料，而對(duì)于壓縮力，假設(shè)了超彈性材料。

通過(guò)迭代過(guò)程，通過(guò)將數(shù)值模型的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，定義了硅膠的性質(zhì)。圖10展示了硅膠性質(zhì)的校準(zhǔn)，具體來(lái)說(shuō)，是ABAQUS模型的結(jié)果與牽引和剪切載荷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，以及壓縮載荷的對(duì)比。然后，進(jìn)行了參數(shù)分析，通過(guò)修改接頭厚度（6、8、10和12mm）來(lái)評(píng)估硅膠的行為。在每種情況下，都可以觀察到，當(dāng)硅膠天氣密封劑接頭的厚度增加時(shí)，組件變得不那么剛性，并且可以容納平面位移，在玻璃面板上產(chǎn)生較小的應(yīng)力。

4.3 螺栓固定

本段旨在評(píng)估玻璃面板與蜘蛛臂之間的連接的行為。圖12a顯示了一個(gè)典型的埋頭螺栓固定，而圖b說(shuō)明了如何使用1D框架和鏈接元素以及2D殼元素簡(jiǎn)化此組件。螺栓桿被建模為一個(gè)框架元素，而一個(gè)鏈接元素被用于模擬螺栓固定到蜘蛛臂連接的摩擦行為。最后，殼元素被用于模擬埋頭螺栓固定的頭部。

如前所述，使用一個(gè)鉸接的螺栓固定可以開(kāi)發(fā)出立面的更大的平面容量。這種連接由一個(gè)能夠容納更多旋轉(zhuǎn)和位移的球形關(guān)節(jié)組成，而不會(huì)在玻璃與蜘蛛連接處產(chǎn)生過(guò)多的應(yīng)力集中。然而，由于缺乏對(duì)這種組件的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)施一個(gè)可靠的模型成為了一個(gè)棘手的任務(wù)。因此，本文關(guān)注固定系統(tǒng)，如埋頭螺栓固定。需要進(jìn)一步的研究來(lái)為這個(gè)元素開(kāi)發(fā)一個(gè)可靠的模型，并定義能夠捕捉球形關(guān)節(jié)行為的簡(jiǎn)化鏈接。

5. 整體立面系統(tǒng)的SAP 2000數(shù)值模型

本節(jié)討論了一個(gè)簡(jiǎn)化模型的實(shí)施，該模型能夠評(píng)估PFGFSs的容量。使用在ABAQUS中開(kāi)發(fā)的復(fù)雜的非線性3D微觀FEM模型的結(jié)果，已經(jīng)校準(zhǔn)了由1D框架、鏈接和2D殼元素組成的簡(jiǎn)化模型。這允許實(shí)施一個(gè)簡(jiǎn)化的（集中塑性）宏觀模型，以評(píng)估整個(gè)立面系統(tǒng)的平面容量。為了評(píng)估結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)組件之間的相互作用，選擇了一個(gè)案例研究建筑。宏觀模型是根據(jù)一個(gè)帶有PFGFSs包絡(luò)立面的RC框架系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的。

如前所述，連續(xù)的過(guò)度的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失與地震事件相關(guān)，即使在發(fā)達(dá)國(guó)家也是如此，這突顯了需要朝著為結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)組件開(kāi)發(fā)和廣泛實(shí)施低損壞系統(tǒng)的方向發(fā)展。因此，在這項(xiàng)工作中，考慮了一個(gè)集成的低損壞建筑作為案例研究。具體來(lái)說(shuō)，為結(jié)構(gòu)骨架實(shí)施了一種低損壞技術(shù)?？紤]到非結(jié)構(gòu)組件，PFGFSs被視為包絡(luò)，而傳統(tǒng)的以及創(chuàng)新的低損壞（在本文的后續(xù)部分提出）連接系統(tǒng)都被用來(lái)證明與使用建筑包絡(luò)的傳統(tǒng)連接系統(tǒng)相比，集成的低損壞建筑的增強(qiáng)韌性。

5.1 案例研究建筑的描述

案例研究建筑是一個(gè)5層的用于商業(yè)（辦公室）用途的鋼筋混凝土建筑。骨架由一個(gè)方向的兩個(gè)抗震框架和正交方向的兩個(gè)抗震墻組成。在后者的方向，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)還包括三個(gè)重力框架。全局尺寸和平面幾何圖如圖15所示。該建筑位于一個(gè)高地震傾向區(qū)域（Amatrice, Rieti, Italy）。

為了研究玻璃立面的平面行為，考慮了僅框架系統(tǒng)的研究。這個(gè)結(jié)構(gòu)骨架是根據(jù)直接位移基設(shè)計(jì)（DDBD）哲學(xué)設(shè)計(jì)的，并假設(shè)設(shè)計(jì)位移為2%。通常，框架系統(tǒng)可以為比墻系統(tǒng)更大的位移值設(shè)計(jì)。這就證明了對(duì)框架系統(tǒng)的關(guān)注，從而允許進(jìn)行更為保守的立面驗(yàn)證分析。

DDBD程序提供了應(yīng)考慮用于連接設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的內(nèi)部作用。對(duì)于這個(gè)案例研究建筑，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)使用了一個(gè)低損壞系統(tǒng)。事實(shí)上，最近的地震進(jìn)一步突顯了需要為結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)組件開(kāi)發(fā)低損壞系統(tǒng)的必要性。因此，案例研究建筑已經(jīng)使用了低損壞的PRESSS技術(shù)（PREcast Seismic Structural System）而不是傳統(tǒng)的整體解決方案。PRESSS技術(shù)系統(tǒng)最初是由Stanton等人在1990年代的美國(guó)PRESSS計(jì)劃（圣地亞哥大學(xué)）期間的研究工作中提出的。

6. 提議創(chuàng)新的低損壞連接系統(tǒng)

為了增加PFGFSs的平面容量，本文提出并分析了一種創(chuàng)新的低損壞連接系統(tǒng)。該解決方案被認(rèn)為是一種不需要額外鋁框架的系統(tǒng)，通常在需要更多支撐點(diǎn)的減小立面板的情況下采用。

近年來(lái)，已經(jīng)提出了幾種解決方案來(lái)提高這些組件的最終容量。市場(chǎng)上目前可用的高性能系統(tǒng)由具有垂直槽孔的蜘蛛元件組成。這些孔允許連接滑動(dòng)直到間隙閉合，因此增加孔的尺寸可以提高平面容量。然而，在地震發(fā)生的情況下，連接的滑動(dòng)導(dǎo)致螺栓產(chǎn)生屈服。一旦螺栓屈服，預(yù)加載就會(huì)喪失。因此，螺栓不再能夠通過(guò)支撐板和蜘蛛元件之間的摩擦力來(lái)抵抗立面的垂直沉降。

因此，即使玻璃沒(méi)有破裂，也預(yù)期立面會(huì)發(fā)生垂直沉降。因此，這個(gè)問(wèn)題突顯出使用大的槽孔可能不是有效的。事實(shí)上，即使立面的平面容量得到了實(shí)質(zhì)性的提高，但螺栓的后地震損壞需要局部和復(fù)雜的修復(fù)（由于可達(dá)性有限）。修復(fù)不可避免地導(dǎo)致直接和間接成本，包括業(yè)務(wù)中斷（停機(jī)時(shí)間）。在本文中，提出了一種新的低損壞連接系統(tǒng)，通過(guò)引入水平槽孔，從而保持垂直載荷（立面自重）的承載能力。在這種情況下，蜘蛛和支撐系統(tǒng)通過(guò)旋轉(zhuǎn)90°固定到結(jié)構(gòu)上。這種解決方案使得可以使用水平槽孔。

6.1 創(chuàng)新低損壞立面系統(tǒng)的參數(shù)研究

為創(chuàng)新的低損壞立面解決方案在ABAQUS中進(jìn)行了參數(shù)分析。首先，通過(guò)改變關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了多次分析，例如：a) 支撐板中的水平槽孔的尺寸，b) 硅膠天氣密封劑接頭的厚度，c) 立面板的縱橫比和d) 玻璃面板的數(shù)量。

6.1.1 孔部分的變化

為了定義創(chuàng)新連接系統(tǒng)的力-位移曲線，在ABAQUS中進(jìn)行了FEM模型分析。在這種情況下，研究了槽孔的尺寸的變化。具體來(lái)說(shuō)，孔的尺寸從13mm直徑的圓孔變化到80mm的水平槽孔。

當(dāng)增加水平槽孔的尺寸/寬度時(shí)，可以注意到，隙縫（螺栓和支撐板及蜘蛛元件內(nèi)孔之間的過(guò)大孔）閉合發(fā)生在較大的相對(duì)位移，使立面的平面行為更好。根據(jù)這些結(jié)果，為整體創(chuàng)新立面在SAP 2000中進(jìn)行了新的分析，其中變化了用于模擬連接系統(tǒng)摩擦行為的彈簧性質(zhì)。

6.1.2 孔部分的變化

為了定義創(chuàng)新連接系統(tǒng)的力-位移曲線，在ABAQUS中進(jìn)行了FEM模型分析。在這種情況下，研究了槽孔的尺寸的變化。具體來(lái)說(shuō)，孔的尺寸從13mm直徑的圓孔變化到80mm的水平槽孔。

當(dāng)增加水平槽孔的尺寸/寬度時(shí)，可以注意到，隙縫（螺栓和支撐板及蜘蛛元件內(nèi)孔之間的過(guò)大孔）閉合發(fā)生在較大的相對(duì)位移，使立面的平面行為更好。根據(jù)這些結(jié)果，為整體創(chuàng)新立面在SAP 2000中進(jìn)行了新的分析，其中變化了用于模擬連接系統(tǒng)摩擦行為的彈簧性質(zhì)。