城市特征对北京街区尺度热环境的关联效应与因果效应

《Buildings》：Associational and Causal Effects of Urban Characteristics on the Block-Scale Thermal Environment in Beijing

　　

为了降低整体结构分析中装配式C型钢框架复合剪力墙(CSCSW)的建模工作量和计算成本，本研究提出了一种面向工程的简化力学分析方法。研究人员选取了三个代表性试件——C型钢框架复合剪力墙(CSCSW)、矩形钢框架复合剪力墙(RSCSW)以及带垂直连接的T型C型钢框架复合剪力墙(VTCSWC)，并根据其传力机制将其分解为功能模块。研究人员建立了由轴向弹簧、斜向支撑以及改进的三垂直线单元模型(TVLEM)组成的简化模型。研究采用退化双线性Clough模型和三线性Takeda模型作为恢复力关系，并通过力学平衡分析确定了控制参数。研究人员将这三种简化墙体模型植入OpenSees中获取滞回曲线、骨架曲线以及刚度退化响应。与拟静力试验结果的对比表明，峰值荷载和割线刚度的误差均在10%以内，同时该模型重现了试件的刚度退化和捏拢特性。与精细化三维实体有限元模型(FEM)相比，研究人员所提出的方法在不牺牲工程精度的前提下大幅降低了计算成本，为装配式C型钢框架复合剪力墙系统的结构设计和抗震性能评估提供了高效工具。

近年来，装配式建筑因其工厂化生产和现场模块化拼装契合绿色建造原则，已成为建筑工业化的重要发展方向。钢框架混凝土复合剪力墙有效结合了钢材的拉伸延性与混凝土的抗压承载力，钢框对核心混凝土的约束作用显著提升了墙体的承载与变形能力。前期研究中，研究人员提出了一种四周由C型钢框架包裹的新型装配式复合剪力墙，其水平与竖向连接均采用焊接方式，拟静力试验证实其具备良好的抗震性能与承载能力。然而，尽管精细化三维实体有限元模型能够详尽反映复杂的应力-应变关系与损伤演化，其建模过程极为繁杂且计算成本高昂，限制了其在多层多跨结构体系中的应用；同时，主流结构设计软件通常缺乏针对复杂组合构件的高效精细化建模功能。因此，研发一种合理的简化力学模型在工程分析中具有重要实用价值。现有针对剪力墙的简化分析模型（如三垂直线单元模型TVLEM和多垂直线单元模型MVLEM）尚无法直接解决新型装配式C型钢框架复合剪力墙所面临的诸多挑战，包括量化开口C型钢框架的约束效应、表征钢框与混凝土间的组合作用、合理简化底部钢框-混凝土区域的复杂应力状态以及处理T型墙中的翼缘-腹板相互作用。为此，针对CFS-RC复合剪力墙的抗震性能，研究人员提出了一种基于功能模块分解的新型简化分析方法，并在OpenSees框架下进行了数值验证。该研究为装配式复合剪力墙的工程设计及其整体抗震分析提供了理论与计算基础，论文发表在《Buildings》期刊上。

在关键技术方法上，研究人员选取CSCSW、RSCSW和VTCSWC三个覆盖不同边界框架与连接形式的代表性试件作为分析对象。主要技术手段包括：基于试件传力机制将其分解为多个独立的功能模块；采用退化双线性Clough模型和三线性Takeda模型分别作为边界轴向弹簧和中部剪切/弯曲弹簧的恢复力关系；根据Eurocode 3有效截面规则处理循环轴向荷载下的局部屈曲；采用Mander模型和韩林海钢管混凝土本构模型分别确定箍筋约束混凝土与矩形钢框约束混凝土的强度；利用基于位移等效原理将底部钢框-混凝土区域等效为交叉斜撑模型；最后在OpenSees数值平台中建立整体简化模型获取滞回与刚度退化响应，并与既有拟静力试验数据进行对比验证。

**1. 结构构造介绍**
本章总结了三种装配式钢框架复合剪力墙的结构构造。CSCSW两侧采用开口向内的C型钢作为竖向边界框架，并与水平分布钢筋和箍筋焊接，顶部与底部布置开口向外的C型钢框，构造最简单，作为参考试件。RSCSW的侧边边界框架由两个C型钢截面口对口焊接形成闭口矩形截面，为核心混凝土提供更均匀有效的约束。VTCSWC为T型截面墙体，其翼缘侧与腹板侧两个平面墙组件在垂直接缝处通过全熔透焊接连接成整体，关节处的钢框充当后浇混凝土的永久模板，焊缝形成的封闭腔内通过预埋灌浆管填充高强灌浆料。

**2. CSCSW简化力学分析**
根据CSCSW的传力机制，研究人员将其分解为5个功能模块：顶部加载梁钢框架、C型钢框约束混凝土边界单元、混凝土边界单元、中部剪力墙和底部钢框-混凝土区域。对于C型钢框约束混凝土边界单元，采用轴向弹簧模型与退化双线性Clough模型，并依据Eurocode 3有效截面原则考虑薄壁冷弯型钢局部屈曲的影响；对于混凝土边界单元，采用轴向弹簧模型并利用Mander模型计算箍筋约束混凝土抗压强度；中部剪力墙采用改进的三垂直线单元模型(TVLEM)，其轴向变形由垂直弹簧表征，剪切与弯曲弹簧均采用三线性Takeda模型，控制点依据AIJ标准估算；底部钢框-混凝土区域基于抗侧刚度等效原则，由外部两个轴向弹簧和中部交叉斜撑模型表征。最终组装形成完整的CSCSW简化力学模型。

**3. RSCSW和VTCSWC的模型及特有构造处理**
RSCSW被分解为4个模块，除采用韩林海方钢管混凝土本构模型计算矩形钢框约束混凝土的抗压强度外，其余建模过程与CSCSW相同。VTCSWC被分解为7个模块，特别地，其凸出混凝土边界单元根据箍筋布置被划分为4个矩形区域，采用4个Clough轴向弹簧重现其受力；其翼缘底部钢框-混凝土区域被划分为5个矩形区域并用5个Clough轴向弹簧表示。

**4. 模型验证与计算效率**
在OpenSees中建立的简化模型与试验结果对比表明，所有试件的峰值荷载与割线刚度的误差均在10%以内，且模型有效重现了试件的刚度退化和捏拢特性。针对VTCSWC在初始加载阶段及峰值荷载上的方向性不对称现象，研究人员指出这是由于T型截面翼缘存在剪切滞后和局部屈曲效应、且模型单组轴向弹簧参数难以同时兼顾拉压不同方向力学特性差异所致。与精细化三维实体有限元模型相比，简化模型的节点与单元数量极少，计算效率可提升约3000倍，在保证工程分析精度的同时，大幅减少了非线性分析计算耗时。

**讨论与结论总结**
研究人员系统提出了一种针对装配式C型钢框架复合剪力墙的简化力学分析方法并得出以下结论：模块化分解策略明确了各组件的力学作用，为建模提供了物理基础；研究人员为不同模块选择了相应的简化模型与恢复力关系，通过区域特定的约束混凝土本构模型精准反映了材料非线性和约束效应；模型在OpenSees中的验证显示其峰值荷载与割线刚度误差均满足10%的工程精度要求；计算成本较精细化三维实体模型降低约三个数量级，具有重大的工程实用价值。最后，研究人员强调该简化模型主要适用于发生弯曲主导破坏的CFS-RC复合剪力墙，对于极低剪跨比可能发生剪切破坏的墙体仍需进一步验证；同时，该方法在多高层结构整体建模中的应用可通过在各楼层水平处由刚性梁连接简化墙体单元来实现。