传统与创新点固定玻璃幕墙系统的地震评估与有限元建模

1. 引言：

在过去的几十年里，地震后的侦查报告进一步突显了非结构组件的高度脆弱性。与这些建筑系统（建筑元素、机械和电气设备、内容）相关的损坏可能对居民和过路人构成生命安全威胁。此外，非结构组件可能大大增加建筑维修成本和业务中断，即使对于低至中等的地震强度水平。多项研究都强调了调查非结构组件和内容的地震行为和预期损坏机制的重要性，以及将它们包括在建筑的地震评估/设计/损失分析中，考虑到与非结构系统在建筑中的大量投资（办公室、酒店和医院的总建筑成本分别为82%、87%和92%）。

2. 目标和方法：

本文的主要目标是研究市场上目前可用的PFGFSs的平面抗震性能，并提出一种创新的解决方案，能够减少预期的损坏并增强中等至严重地震事件下的抗震性能。首先，简要描述了PFGFSs，重点关注过去地震观察到的这种幕墙的抗震性能和损坏，以及市场上目前可用的连接类型。然后，在ABAQUS中实施了详细的有限元建模，以研究这种建筑围护结构类型的局部（连接级别）。这种精细的建模允许定义一个幕墙的宏观模型，由描述整体系统的平面容量的非线性弹簧、框架和壳元素组成。

3. PFGFSs的描述：

3.1 系统组件

Inca等人提供了PFGFS的准确描述。这种幕墙系统由四个元素组成：主支撑结构、玻璃支撑附件、螺栓固定件和玻璃面板。有几种类型的主支撑结构可用。它们由轻型金属框架系统组成，用于支撑玻璃面板。值得注意的是，使用这样的组件并不是强制性的。在没有支撑框架的情况下，玻璃支撑附件直接连接到建筑结构本身，使用较大的玻璃面板。这允许幕墙具有更大的透明度，但作为对应，较大的玻璃面板对平面运动更加脆弱。

4. PFGFS连接系统的有限元建模

这一部分描述了为蜘蛛镀膜立面的连接系统实施的有限元建模（FEM）。在ABAQUS中开发了多种数值模型，以评估：固定的K型连接的行为、蜘蛛臂的弯曲、硅胶天气密封剂接头和螺栓固定。此外，还介绍了基于框架元素和非线性链接（弹簧）定义的连接组件的宏观建模。

4.1 蜘蛛元件

首先在ABAQUS软件中开发了连接系统（K型蜘蛛元件到支撑板）的3D FEM模型。作为第二步，根据并基于所获得的微模型数值结果，提出了一个简化的模型，使用框架元素和非线性链接，能够描述蜘蛛元件和支撑板之间的摩擦行为。

具体来说，在第一阶段，为了校准在ABAQUS中实施了两个微模型：

定义蜘蛛元件到支撑板摩擦行为的非线性链接。

用于简化整体模型的框架元素的横截面积。关注蜘蛛臂是很重要的，因为它们具有可变的横截面积。

在这两种情况下，都值得注意一个可以简化ABAQUS模型的方面。这允许减少计算费用，使模型更加高效。蜘蛛元件通过一个T型不锈钢支撑板固定到建筑结构上，该支撑板锚固到梁或柱元件上。通过考虑蜘蛛元件连接的板，简化了T型支撑板。这个元件通过一个固定支撑约束，模拟一个无限刚性的连接到建筑结构。此外，为了仅评估摩擦行为，从模型中移除了蜘蛛臂。图6a显示了玻璃支撑附件连接到建筑结构的连接。图b、c分别显示了用于评估蜘蛛臂的弯曲行为和蜘蛛元件到支撑板的摩擦行为的ABAQUS模型。

4.1.1 K型蜘蛛元件的摩擦行为

为了评估支撑板到蜘蛛元件的摩擦行为，开发了ABAQUS数值模型，该模型由三部分组成：简化的支撑板、蜘蛛元件和螺栓。所有这些部分都使用由六面体网格元素组成的3D可变形实体元素进行建模。具体来说，使用了由20个节点组成的通用二次砖元素，具有减少的集成（2×2×2集成点）（C3D20R），如图7a所示。

在这些实验测试中，X型和K型蜘蛛元件的最大允许漂移分别为2.01%和5.25%。这突出了与X型元件相比，K型元件的固有高性能。因此，作为将其实施到整个低损坏建筑系统的自然选择，这项工作关注K型元件，目的是增加对其特性和行为的了解，并建议进一步增强其容量和预期性能的细节。

4.2 硅胶天气密封剂接头

本段专注于硅胶天气密封剂接头的行为研究。这种组件的行为已通过对100×100mm样品的实验测试进行了广泛的调查。样品由两块12mm厚的玻璃面板组成，其中包括一个8mm厚的硅胶天气密封剂接头，并通过施加张力、压缩和剪切力进行了测试。这部分旨在使用这些实验测试开发一个ABAQUS模型，以校准硅胶材料的性质。实施的数值模型模拟了Sivanerupan等人测试的样品的特性。定义了不同的加载情况，以复制进行的张力、压缩和剪切测试。用于模拟玻璃面板和硅胶接头的是线性和非线性的壳元素。对于张力和剪切力，硅胶使用了弹塑性材料，而对于压缩力，假设了超弹性材料。

通过迭代过程，通过将数值模型的结果与实验结果进行比较，定义了硅胶的性质。图10展示了硅胶性质的校准，具体来说，是ABAQUS模型的结果与牵引和剪切载荷的实验结果进行了对比，以及压缩载荷的对比。然后，进行了参数分析，通过修改接头厚度（6、8、10和12mm）来评估硅胶的行为。在每种情况下，都可以观察到，当硅胶天气密封剂接头的厚度增加时，组件变得不那么刚性，并且可以容纳平面位移，在玻璃面板上产生较小的应力。

4.3 螺栓固定

本段旨在评估玻璃面板与蜘蛛臂之间的连接的行为。图12a显示了一个典型的埋头螺栓固定，而图b说明了如何使用1D框架和链接元素以及2D壳元素简化此组件。螺栓杆被建模为一个框架元素，而一个链接元素被用于模拟螺栓固定到蜘蛛臂连接的摩擦行为。最后，壳元素被用于模拟埋头螺栓固定的头部。

如前所述，使用一个铰接的螺栓固定可以开发出立面的更大的平面容量。这种连接由一个能够容纳更多旋转和位移的球形关节组成，而不会在玻璃与蜘蛛连接处产生过多的应力集中。然而，由于缺乏对这种组件的实验测试，实施一个可靠的模型成为了一个棘手的任务。因此，本文关注固定系统，如埋头螺栓固定。需要进一步的研究来为这个元素开发一个可靠的模型，并定义能够捕捉球形关节行为的简化链接。

5. 整体立面系统的SAP 2000数值模型

本节讨论了一个简化模型的实施，该模型能够评估PFGFSs的容量。使用在ABAQUS中开发的复杂的非线性3D微观FEM模型的结果，已经校准了由1D框架、链接和2D壳元素组成的简化模型。这允许实施一个简化的（集中塑性）宏观模型，以评估整个立面系统的平面容量。为了评估结构和非结构组件之间的相互作用，选择了一个案例研究建筑。宏观模型是根据一个带有PFGFSs包络立面的RC框架系统开发的。

如前所述，连续的过度的社会经济损失与地震事件相关，即使在发达国家也是如此，这突显了需要朝着为结构和非结构组件开发和广泛实施低损坏系统的方向发展。因此，在这项工作中，考虑了一个集成的低损坏建筑作为案例研究。具体来说，为结构骨架实施了一种低损坏技术。考虑到非结构组件，PFGFSs被视为包络，而传统的以及创新的低损坏（在本文的后续部分提出）连接系统都被用来证明与使用建筑包络的传统连接系统相比，集成的低损坏建筑的增强韧性。

5.1 案例研究建筑的描述

案例研究建筑是一个5层的用于商业（办公室）用途的钢筋混凝土建筑。骨架由一个方向的两个抗震框架和正交方向的两个抗震墙组成。在后者的方向，结构系统还包括三个重力框架。全局尺寸和平面几何图如图15所示。该建筑位于一个高地震倾向区域（Amatrice, Rieti, Italy）。

为了研究玻璃立面的平面行为，考虑了仅框架系统的研究。这个结构骨架是根据直接位移基设计（DDBD）哲学设计的，并假设设计位移为2%。通常，框架系统可以为比墙系统更大的位移值设计。这就证明了对框架系统的关注，从而允许进行更为保守的立面验证分析。

DDBD程序提供了应考虑用于连接设计的结构构件上的内部作用。对于这个案例研究建筑，结构系统使用了一个低损坏系统。事实上，最近的地震进一步突显了需要为结构和非结构组件开发低损坏系统的必要性。因此，案例研究建筑已经使用了低损坏的PRESSS技术（PREcast Seismic Structural System）而不是传统的整体解决方案。PRESSS技术系统最初是由Stanton等人在1990年代的美国PRESSS计划（圣地亚哥大学）期间的研究工作中提出的。

6. 提议创新的低损坏连接系统

为了增加PFGFSs的平面容量，本文提出并分析了一种创新的低损坏连接系统。该解决方案被认为是一种不需要额外铝框架的系统，通常在需要更多支撑点的减小立面板的情况下采用。

近年来，已经提出了几种解决方案来提高这些组件的最终容量。市场上目前可用的高性能系统由具有垂直槽孔的蜘蛛元件组成。这些孔允许连接滑动直到间隙闭合，因此增加孔的尺寸可以提高平面容量。然而，在地震发生的情况下，连接的滑动导致螺栓产生屈服。一旦螺栓屈服，预加载就会丧失。因此，螺栓不再能够通过支撑板和蜘蛛元件之间的摩擦力来抵抗立面的垂直沉降。

因此，即使玻璃没有破裂，也预期立面会发生垂直沉降。因此，这个问题突显出使用大的槽孔可能不是有效的。事实上，即使立面的平面容量得到了实质性的提高，但螺栓的后地震损坏需要局部和复杂的修复（由于可达性有限）。修复不可避免地导致直接和间接成本，包括业务中断（停机时间）。在本文中，提出了一种新的低损坏连接系统，通过引入水平槽孔，从而保持垂直载荷（立面自重）的承载能力。在这种情况下，蜘蛛和支撑系统通过旋转90°固定到结构上。这种解决方案使得可以使用水平槽孔。

6.1 创新低损坏立面系统的参数研究

为创新的低损坏立面解决方案在ABAQUS中进行了参数分析。首先，通过改变关键参数进行了多次分析，例如：a) 支撑板中的水平槽孔的尺寸，b) 硅胶天气密封剂接头的厚度，c) 立面板的纵横比和d) 玻璃面板的数量。

6.1.1 孔部分的变化

为了定义创新连接系统的力-位移曲线，在ABAQUS中进行了FEM模型分析。在这种情况下，研究了槽孔的尺寸的变化。具体来说，孔的尺寸从13mm直径的圆孔变化到80mm的水平槽孔。

当增加水平槽孔的尺寸/宽度时，可以注意到，隙缝（螺栓和支撑板及蜘蛛元件内孔之间的过大孔）闭合发生在较大的相对位移，使立面的平面行为更好。根据这些结果，为整体创新立面在SAP 2000中进行了新的分析，其中变化了用于模拟连接系统摩擦行为的弹簧性质。

6.1.2 孔部分的变化

为了定义创新连接系统的力-位移曲线，在ABAQUS中进行了FEM模型分析。在这种情况下，研究了槽孔的尺寸的变化。具体来说，孔的尺寸从13mm直径的圆孔变化到80mm的水平槽孔。

当增加水平槽孔的尺寸/宽度时，可以注意到，隙缝（螺栓和支撑板及蜘蛛元件内孔之间的过大孔）闭合发生在较大的相对位移，使立面的平面行为更好。根据这些结果，为整体创新立面在SAP 2000中进行了新的分析，其中变化了用于模拟连接系统摩擦行为的弹簧性质。