震損可原位修復(fù)組合柱抗震性能

黃婷婷， 郭子雄,2， 劉陽,2， 黃群賢,2， 呂英婷

(1. 華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 廈門 361021；2. 福建省結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 廈門 361021)

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震損可原位修復(fù)組合柱抗震性能

黃婷婷1， 郭子雄1,2， 劉陽1,2， 黃群賢1,2， 呂英婷1

(1. 華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 廈門 361021；2. 福建省結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 廈門 361021)

采用ABAQUS建立新型組合柱的有限元模型，對(duì)組合柱低周往復(fù)荷載作用下的全過程進(jìn)行數(shù)值仿真，分析新型組合柱的受力機(jī)理.研究表明：按照“強(qiáng)柱弱阻尼”理念合理設(shè)計(jì)的新型組合柱具有良好的抗震性能；大位移角下塑性變形集中于軟鋼阻尼器，能有效地控制結(jié)構(gòu)的損傷部位，并實(shí)現(xiàn)震后的快速原位修復(fù).

組合柱; 性能可恢復(fù); 原位修復(fù); 抗震性能; 有限元分析

在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域，抗震建筑結(jié)構(gòu)損傷部位的可控性和良好受力性能的要求能夠有效控制結(jié)構(gòu)的損傷程度，并成為今后性能化抗震設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容[1].結(jié)構(gòu)震后損傷的快速修復(fù)和建筑功能的快速恢復(fù)越來越得到結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的重視，并開展了大量的研究工作[2-5].對(duì)于RC(reinforced concrete)框架在較大地震作用下，按現(xiàn)行抗震規(guī)范設(shè)計(jì)的梁鉸機(jī)構(gòu)框架仍不可避免地會(huì)在底層柱下端出現(xiàn)塑性鉸，震后難以修復(fù)或修復(fù)難度大、成本高，周期長(zhǎng).課題組針對(duì)RCS(reinforced concrete column to steel beam)混合結(jié)構(gòu)[7-9]或RC框架結(jié)構(gòu)的底層RC柱腳，提出了兩種新型裝配式震損可更換組合柱拼裝節(jié)點(diǎn)構(gòu)造[10]，完成了9個(gè)大比例組合柱試件的低周反復(fù)加載試驗(yàn)[11].研究表明：新型組合柱試件損傷部位集中于可更換消能件處，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的破壞模式和快速修復(fù)功能.為進(jìn)一步優(yōu)化RC柱腳可替換構(gòu)造，本文在課題組前期研究的基礎(chǔ)上提出一種帶軟鋼阻尼器的新型組合柱腳[12].

圖1 可原位修復(fù)組合柱腳構(gòu)造示意圖Fig.1 Structure of repairable-on-site composite column

1 新型組合柱簡(jiǎn)介

1.1 構(gòu)造及工藝

為改善框架結(jié)構(gòu)柱腳的受力性能，提高其裝配施工的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)震損框架柱腳的原位修復(fù)，提出一種可原位修復(fù)的帶位移型軟鋼阻尼器的新型組合柱構(gòu)造形式，如圖1所示.組合柱腳主要由柱腳鋼板桶、軟鋼阻尼器和與之相應(yīng)的T型連接板組成.

鋼板桶與混凝土柱澆筑成為一整體，其內(nèi)側(cè)設(shè)置有栓釘，內(nèi)嵌于鋼筋混凝土柱上，可用于抵抗鋼板桶所受到的剪力和掀起力；連接板T型頭部固定安裝在地梁上，外側(cè)設(shè)置有三角形加勁肋，可以提供連接板水平方向的抗剪強(qiáng)度；軟鋼阻尼器通過摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接，便于拆卸安裝；同時(shí)，在滿足結(jié)構(gòu)剛度需求的前提下，軟鋼板上開設(shè)的長(zhǎng)槽為結(jié)構(gòu)提供良好的耗能能力.新型組合柱腳構(gòu)造可置于建筑地面以下，并不影響建筑的正常使用.

在大地震作用下，當(dāng)新型組合柱柱腳遭受較大損害時(shí)，只需將軟鋼阻尼器拆卸替換.阻尼器位于柱子周邊，可以很方便地實(shí)現(xiàn)原位替換.

1.2 受力機(jī)理

在豎向荷載作用下，軸力通過RC柱及柱腳鋼板桶傳遞至地梁，軟鋼阻尼器不參與受力；在水平荷載作用下，通過柱身產(chǎn)生側(cè)向傾斜，由柱腳鋼板桶帶動(dòng)軟鋼阻尼器的耗能板產(chǎn)生豎向平面內(nèi)的剪切變形，并提供柱腳抗彎承載力.軟鋼阻尼器耗能板屈服產(chǎn)生較大的塑性變形，吸收并耗散大部分的地震能量，保護(hù)RC柱腳組合柱不受損壞，從而保證結(jié)構(gòu)豎向承載力的穩(wěn)定性.

小震時(shí)，合理設(shè)計(jì)的軟鋼耗能板通過平面內(nèi)受力，提供足夠的強(qiáng)度和較大的初始剛度，各構(gòu)件均處于彈性狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下的完好功能.

大震時(shí)，柱腳轉(zhuǎn)動(dòng)超過彈性變形極限，軟鋼阻尼器發(fā)生剪切屈服，在保證柱腳受彎承載力不降低的前提下,消耗地震能量，很好地保護(hù)結(jié)構(gòu)柱不發(fā)生破壞，保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌.

2 組合柱承載力計(jì)算

強(qiáng)柱弱阻尼的設(shè)計(jì)是保證新型組合柱損傷可控和震壞可修復(fù)的前提.軟鋼阻尼器的屈服強(qiáng)度(Vy)，極限強(qiáng)度(Vu)設(shè)計(jì)及變形(δy)計(jì)算[13]分別為

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中：n為單片軟鋼阻尼器中板帶的數(shù)目；B為板帶的寬度；t為軟鋼阻尼器的厚度；H′=H+2r2，H為板帶的高度；HT為板帶的總高.

軟鋼阻尼器設(shè)計(jì)，如圖2所示.新型組合柱的受力分析簡(jiǎn)圖，如圖3所示.

柱腳鋼板桶內(nèi)混凝土存在一定的受壓區(qū)，考慮柱頂軸力形成抗傾覆力矩的有利影響(暫不考慮軟鋼阻尼器水平軸力的影響)，柱腳抗彎承載能力為M=MVDV1+MN,MVDV1=VDV1l1+VDV2l2,MN=N(b-x)/2.其中：M為柱腳承擔(dān)的總彎矩；x為受壓區(qū)混凝土合力點(diǎn)到較近柱外邊緣的距離；b為柱截面高度；l1和l2為兩邊阻尼器板帶高度中心到柱腳中和軸的距離.

圖2 軟鋼阻尼器設(shè)計(jì) 圖3 新型組合柱受力分析Fig.2 Design of mild steel damper Fig.3 Mechanical analysis of the composite columns

3 有限元模型的建立

為研究新型組合柱的抗震性能，采用有限元分析程序ABAQUS對(duì)其進(jìn)行有限元模擬，使用ABAQUS/Standard分析模塊，三維實(shí)體建模.

3.1 試件設(shè)計(jì)

有限元模型(finite element model，F(xiàn)EM)模擬共設(shè)計(jì)3個(gè)新型組合柱試件，考慮軸壓比的影響，對(duì)新型組合柱的受力性能、破壞形態(tài)及滯回特性等進(jìn)行研究.試件幾何尺寸、截面配筋,如圖4所示.圖4中：軟鋼阻尼器采用Q235；厚度為12 mm.材料性能,如表1所示.表1中：d為鋼筋直徑；fy為屈服強(qiáng)度；Es為彈性模量；ε為屈服應(yīng)變.

圖4 試件尺寸及配筋Fig.4 Dimension and reinforcement of specimen

混凝土采用C30混凝土；立方體抗壓強(qiáng)度取fcu=30 MPa；柱縱筋采用HRB400級(jí)鋼筋；箍筋為HPB300級(jí)鋼筋；連接螺栓采用10.9級(jí)M20高強(qiáng)度螺栓；水平力合力點(diǎn)(反彎點(diǎn))距地梁頂部1 400 mm；令試件的設(shè)計(jì)軸壓比為n=N/(fcA)，其中，n分別為0.1,0.3,0.5，N為設(shè)計(jì)軸力，N=1.25Nk，Nk為模型實(shí)際軸壓力.

圖5 試件有限元模型Fig.5 FEM modal

材料d/mmfy/MPaEs/MPaεyQ235122352．05×1050．0011M10．9209002．10×1050．0043縱筋204002．10×1050．0019箍筋83002．00×1050．0015

3.2 FEM模型

FEM模型，如圖5所示.圖5中：地梁底面為固端約束；地梁頂面與RC柱底面為摩擦面接觸；RC柱上端為自由端.混凝土柱與組合柱腳鋼構(gòu)件采用八結(jié)點(diǎn)線性六面體減縮積分單元(C3D8R)模擬，鋼筋采用兩節(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元(T3D2).將開有洞口的鋼構(gòu)件設(shè)為六面體掃掠網(wǎng)格.為避免應(yīng)力集中，在支座及加載位置處增設(shè)彈性墊塊.

3.2.1 材料本構(gòu) 混凝土采用ABAQUS中的混凝土損傷塑性模型，主要的破壞形態(tài)為混凝土受壓壓潰與受拉開裂；采用的混凝土損傷塑性模型流動(dòng)法則為非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則；塑性勢(shì)面采用Drucker Prager雙曲線函數(shù).混凝土本構(gòu)關(guān)系受壓行為采用Saenz模型[14]，受拉行為采用過鎮(zhèn)海建議的受拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€方程[15].鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，泊松比為v=0.3.

3.2.2 邊界條件及加載方式 新型組合柱試驗(yàn)?zāi)M采用柱端(反彎點(diǎn))加載方式.加載時(shí)，軸力先以面荷載的形式施加于柱頂剛性加載板，并保持恒定.然后,再對(duì)柱端施加水平荷載.水平荷載以位移的形式施加，共進(jìn)行5個(gè)位移角的施加，分別為1/200，1/100，1/50，1/30，1/25，每個(gè)位移角循環(huán)一次.

3.2.3 接觸設(shè)置與預(yù)應(yīng)力的施加 新型組合柱中軟鋼阻尼器螺栓和連接板的界面模型處理是合理模擬其力學(xué)性能的關(guān)鍵.接觸界面模型中，法線方向使用硬接觸，使法向應(yīng)力能夠在界面間傳遞；切線方向使用罰函數(shù)庫倫摩擦模型，摩擦系數(shù)為0.45(模擬接觸面采用噴砂處理)[16]，并在螺桿和孔壁的弧形接觸中使用自動(dòng)平滑3D幾何表面.

螺栓的預(yù)緊力通過對(duì)螺桿采用降低溫度場(chǎng)的方法來施加，其中，鋼材的熱膨脹系數(shù)取α=1.2×10-5[14].對(duì)于實(shí)際的焊接，在有限元模型中采用綁定約束模擬；同時(shí)，為簡(jiǎn)化分析，柱腳鋼板桶和鋼筋通過Embedded方式嵌入混凝土柱中；T型連接板和地梁簡(jiǎn)化為綁定約束.

圖6 可原位組合柱腳破壞形態(tài)Fig.6 Failure mode of repairable-on-site composite column

4 FEM模擬結(jié)果及分析

4.1 破壞形態(tài)

采用強(qiáng)柱弱阻尼理念設(shè)計(jì)新型組合柱試件,其破壞形態(tài)均為軟鋼阻尼器破壞，典型的破壞形態(tài),如圖6所示.塑性變形集中于軟鋼阻尼器，大面積進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)；鋼筋混凝土柱和其他鋼構(gòu)件則基本處于彈性受力階段.由圖6可知：新型組合柱的連接構(gòu)造可有效避免RC柱產(chǎn)生不可修復(fù)的損傷.

4.2 滯回性能

金屬材料進(jìn)入塑性狀態(tài)后仍具有良好的滯回特性，試件加載端水平荷載(P)-位移(Δ)滯回曲線，如圖7所示.新型組合柱試件展現(xiàn)了穩(wěn)定的承載能力和良好的滯回耗能能力，滯回曲線飽滿.曲線在水平位移零點(diǎn)左右存在著一定的捏縮現(xiàn)象，取1/25位移角及下一個(gè)循環(huán)的曲線對(duì)滯回特點(diǎn)進(jìn)行說明.新型組合柱腳在軸力N和水平力P作用下，軟鋼阻尼器產(chǎn)生豎向剪力VDV和水平拉壓力VDH，RC柱底面反力RFV分布于柱底邊緣.當(dāng)試件位于A點(diǎn)時(shí)，VDV1達(dá)到峰值，VDV2略小于VDV1，兩邊阻尼器都處于屈服狀態(tài)，試件承載力達(dá)到最大；逐漸卸載至B點(diǎn)時(shí)，軟鋼阻尼器所受剪力慢慢減小，直至反向慢慢增大，因而水平力P隨著逐漸減少甚至反向；反向加載至C點(diǎn)時(shí)，VDV達(dá)到強(qiáng)化階段，水平力增加緩慢，柱腳鋼板桶和地梁的接觸點(diǎn)也慢慢轉(zhuǎn)移至對(duì)邊，彎矩方向發(fā)生改變，且因新型柱腳對(duì)邊緣抬起，C點(diǎn)到D點(diǎn)水平荷載增速加快，表現(xiàn)為剛度的突增.

(a) RCC-1 (b) RCC-2 (c) RCC-3圖7 試件P-Δ滯回曲線Fig.7 P- Δ hysteretic curves of specimens

圖8 試件P-Δ骨架曲線Fig.8 P-Δ skeleton curves of specimens

各新型組合柱試件的荷載位移骨架曲線對(duì)比，如圖8所示.由圖8可知:由于新型組合柱在水平荷載作用下的塑性變形主要集中于軟鋼阻尼器上，試件加載荷載-位移骨架曲線主要經(jīng)歷了彈性階段、屈服階段和強(qiáng)化階段.阻尼器的設(shè)置提供了構(gòu)件較大的初始剛度，軟鋼材料充分的強(qiáng)化使試件具有穩(wěn)定的承載能力，變形性能良好.與傳統(tǒng)RC柱相比，帶軟鋼阻尼器的試件的剛度和承載力由阻尼器控制，通過對(duì)軟鋼耗能板彈性剛度和強(qiáng)度的合理設(shè)計(jì)，可以更好地控制結(jié)構(gòu)的層間位移和損傷部位.

不同軸壓比下，隨著軸壓比的增加，試件的初始剛度略有增加但不明顯；由于軸力限制了柱腳的抬起，強(qiáng)柱弱阻尼破壞形態(tài)的試件承載力隨軸壓比的增加有明顯的增加；各試件RC柱身在鋼板桶口附近應(yīng)力較大，達(dá)到極限應(yīng)變的區(qū)域隨著軸壓力和軟鋼強(qiáng)度的增加而增大，但RC柱仍然大部分保持在彈性范圍內(nèi)，表明阻尼器的設(shè)置有效地抑制了RC柱腳的嚴(yán)重塑性變形現(xiàn)象.

5 結(jié)論

1) 提出了一種震損可原位修復(fù)組合柱構(gòu)造形式，可實(shí)現(xiàn)預(yù)制裝配施工，具有穩(wěn)定的承載能力和良好的變形能力，抗震性能良好.

2) 合理設(shè)計(jì)的新型組合柱可使試件的塑性變形集中于軟鋼阻尼器上，而使RC柱身保持彈性狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱阻尼的設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)震損后的原位快速修復(fù).

3) 一定范圍內(nèi)，軸壓比在提高試件的抗彎承載能力的同時(shí)對(duì)試件的延性影響很小，軸壓比限值可比傳統(tǒng)RC柱適當(dāng)放寬.

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(責(zé)任編輯： 陳志賢 英文審校： 方德平)

Study on Seismic Behavior of Repairable-on-Site Composite Column

HUANG Tingting1, GUO Zixiong1,2， LIU Yang1,2,HUANG Qunxian1,2, LYU Yingting1

(1. College of Civil Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China;2. Key Laboratory for Structural Engineering and Disaster Prevention of Fujian Province, Xiamen 361021, China)

The finite element analysis model of the composite column was established with ABAQUS, and the whole process of mechanical behavior was simulated under low cyclic loading. The result indicates that the proposed composite column with strong column-weak damping performed owns favorable seismic behavior, the plastic deformation is concentrated on the mild steel damper under large displacement angle, which can effectively control the damage position of structures. The rapid repairable-on-site can be conducted after earthquake.

composite column; performance recovery; repairable-on-site; seismic behavior; finite element analysis

10.11830/ISSN.1000-5013.201606006

2015-12-09

劉陽(1982-)，男，副教授，博士，主要從事鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究.E-mail:lyliuyang@hqu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378228， 51578254)； 福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013J01197)

TU 398

A

1000-5013(2016)06-0686-05