預(yù)制裝配式RCS框架的抗震性能分析

司 啟,潘志宏,江 鑫

(江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院,鎮(zhèn)江 212003)

20世紀(jì)八十年代初,美國(guó)和日本在傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了鋼筋混凝土柱-鋼梁(reinforced concrete column and steel beam,RCS)混合結(jié)構(gòu)．它兼具鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),并且可以進(jìn)行工廠化預(yù)制加工,保證了施工質(zhì)量,大大提高了施工效率,降低了生產(chǎn)成本．為了解決RCS混合框架結(jié)構(gòu)中混凝土柱與鋼梁之間的連接問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了相應(yīng)的研究工作[1-5],目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)RCS框架結(jié)構(gòu)開發(fā)出的梁貫通型和柱貫通型兩大類節(jié)點(diǎn),均有一定的局限性:梁貫通型節(jié)點(diǎn)的核心區(qū)構(gòu)造措施較多,澆搗混凝土困難,柱縱筋穿越核心區(qū)鋼梁翼緣和柱箍筋穿越核心區(qū)鋼梁腹板等施工操作復(fù)雜;柱貫通型節(jié)點(diǎn)中,兩側(cè)鋼梁常采用螺栓穿越柱節(jié)點(diǎn)來(lái)間接傳力,節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜,并且因塑性鉸靠近節(jié)點(diǎn)核心區(qū)容易帶來(lái)不利影響,降低節(jié)點(diǎn)可靠性．

文中在傳統(tǒng)RCS節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出了一種裝配式RCS節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)的尺寸與配筋如圖1．采用該節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)包含了鋼筋混凝土柱-鋼梁混合結(jié)構(gòu)的低成本高效率、預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的“構(gòu)件工廠化生產(chǎn),施工裝配式運(yùn)作”等特點(diǎn),是一種新型的工業(yè)化結(jié)構(gòu)體系．目前對(duì)于該種結(jié)構(gòu)體系的研究不多,對(duì)采用裝配式RCS節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)整體抗震性能值得深入探討．文中在節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出該類節(jié)點(diǎn)在開源軟件OpenSEES中的建模方法,對(duì)預(yù)制裝配式RCS框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析,研究結(jié)構(gòu)整體的抗震性能．

圖1 試件RCS節(jié)點(diǎn)尺寸及配筋(單位：mm)Fig.1 Dimension and reinforcement details of specimen RCS(unit：mm)

1 裝配式RCS節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)

1.1 試件制作與節(jié)點(diǎn)處破壞形態(tài)

試驗(yàn)梁柱節(jié)點(diǎn)體系取自原型混合結(jié)構(gòu)框架邊節(jié)點(diǎn)體系,試件的設(shè)計(jì)綜合考慮現(xiàn)行規(guī)范規(guī)程的要求、文獻(xiàn)[6]中的類似試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室條件,制作流程如下：將小型鋼柱焊接在預(yù)埋H型鋼梁翼緣上,加勁肋和承壓板焊接在預(yù)埋H型鋼梁上,將預(yù)埋H型鋼梁放入柱鋼筋籠中,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)柱箍筋穿過預(yù)埋H型鋼梁的腹板,綁扎鋼筋籠形成整體(圖2(a));將綁扎好的鋼筋籠放入模板當(dāng)中并澆筑混凝土形成整體(圖2(b));通過螺栓將預(yù)埋鋼梁和外伸鋼梁連接,形成節(jié)點(diǎn)試件整體(圖2(c));試驗(yàn)使用多功能電液伺服加載作動(dòng)器在梁端施加水平往復(fù)荷載,采用荷載-變形雙控制的加載制度,最后連接處的破壞形態(tài)如圖2(d)．

圖2 裝配式RCS節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)Fig.2 Specimen RCS configuration

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)構(gòu)件進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn),試件的受力過程根據(jù)加載情況可分為4個(gè)階段:未裂階段、開裂階段、屈服階段、破壞階段,最后為梁鉸機(jī)制破壞,所得的梁端荷載-位移滯回曲線如圖3,由梁端荷載-位移曲線提取出的節(jié)點(diǎn)處彎矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖4．

圖3 荷載-位移滯回曲線Fig.3 Load-displacement hysteresis curve

圖4 彎矩-轉(zhuǎn)角曲線Fig.4 Moment-rotation curve

2 節(jié)點(diǎn)數(shù)值模擬

2.1 單元屬性

節(jié)點(diǎn)的連接方式如圖5,在OpenSEES中的計(jì)算模型如圖6,其中梁柱構(gòu)件采用考慮均布塑性的纖維型非線性梁柱單元(nonlinear beam column element)模擬．該單元沿長(zhǎng)度方向具有若干積分點(diǎn),每個(gè)積分點(diǎn)處的纖維型截面對(duì)應(yīng)于鋼筋混凝土柱、鋼梁的截面,其中對(duì)鋼梁的截面進(jìn)行整體劃分,將混凝土柱截面分為核心區(qū)混凝土、保護(hù)層混凝土以及鋼筋分別進(jìn)行纖維劃分;每個(gè)纖維被賦予一種單軸材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,在纖維型截面上對(duì)所有纖維的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行積分即可得到截面的力-變形關(guān)系[7],在文中的計(jì)算模型中,在每個(gè)梁柱單元上取5個(gè)積分點(diǎn)．節(jié)點(diǎn)4與節(jié)點(diǎn)5的坐標(biāo)相同,節(jié)點(diǎn)4為主節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)5為從節(jié)點(diǎn),在兩者之間加入零長(zhǎng)度單元(zero length element)來(lái)模擬節(jié)點(diǎn)連接處的力學(xué)性能．

圖5 節(jié)點(diǎn)連接Fig.5 Connecting pattern of joints

圖6 計(jì)算模型Fig.6 Model of computation

2.2 材料屬性

混凝土采用OpenSEES中的Concrete01材料模型,忽略混凝土的抗拉強(qiáng)度．保護(hù)層混凝土和受箍筋約束混凝土的材料本構(gòu)關(guān)系如圖7[8]．普通鋼筋、鋼板的本構(gòu)模型采用OpenSeEES中的Steel02材料模型進(jìn)行定義,Steel02為雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型,可以考慮反復(fù)加載過程Bauschinger效應(yīng)和等向強(qiáng)化效應(yīng),并且具有初始應(yīng)力屬性,可以通過定義初始應(yīng)力來(lái)施加預(yù)應(yīng)力[9],本構(gòu)關(guān)系如圖8,計(jì)算模型中材料的具體參數(shù)取試驗(yàn)時(shí)的實(shí)測(cè)值．

圖7 Concrete01材料模型Fig.7 Concrete01 material model

圖8 Steel02材料模型Fig.8 Steel02 material model

通過在節(jié)點(diǎn)連接處即節(jié)點(diǎn)4與節(jié)點(diǎn)5之間的第三自由度上串聯(lián)帶有單軸滯回材料(hysteretic material)的零長(zhǎng)度單元(zero length element)來(lái)定義彎矩與轉(zhuǎn)角之間的相互關(guān)系[10],從而模擬節(jié)點(diǎn)連接處的彎曲破壞效應(yīng)．由于此處的零長(zhǎng)度單元不能傳遞剪力,節(jié)點(diǎn)兩側(cè)剪力的傳遞通過耦合零長(zhǎng)度單元左右兩側(cè)節(jié)點(diǎn)在豎直方向上(整體坐標(biāo)系中Y方向)自由度的實(shí)現(xiàn)[11]．

Hysteretic Material滯回材料[12]模型采用三折線、五參數(shù)骨架曲線定義捏攏效應(yīng)和剛度退化等,其本構(gòu)關(guān)系如圖9[13]．該模型包含加卸載過程中的捏攏、延性以及能量損傷等參數(shù)．

圖9 Hysteretic 材料模型Fig.9 Hysteretic model

文中模型中,根據(jù)圖4的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線選擇3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),將3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的值對(duì)應(yīng)的賦給Hysteretic Material中的3個(gè)點(diǎn),加載過程中位移捏攏系數(shù)取0.8,卸載過程中位移捏攏系數(shù)取0.2,延性、能量損傷系數(shù)與基于延性的卸載剛度的降低系數(shù)取0.0．

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在OpenSEES中對(duì)構(gòu)件進(jìn)行低周反復(fù)加載模擬,根據(jù)此前節(jié)點(diǎn)試件的低周反復(fù)加載試驗(yàn),對(duì)數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證．圖10為RCS節(jié)點(diǎn)的梁端荷載-位移關(guān)系的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比圖．

圖10 裝配式RCS節(jié)點(diǎn)滯回曲線Fig.10 Hysteretic curves of RCS joint

由對(duì)比圖可知,數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,準(zhǔn)確地再現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的滯回性能,驗(yàn)證了所提出的數(shù)值模型建模方法的準(zhǔn)確性與可行性．

3 裝配式RCS框架的動(dòng)力彈塑性分析

3.1 原型結(jié)構(gòu)

根據(jù)試驗(yàn)的具體參數(shù),設(shè)計(jì)了一榀6層的裝配式RCS平面框架以及相同規(guī)格的普通RCS平面框架,結(jié)構(gòu)平面圖如圖11[14],梁柱半剛性連接RCS平面框架的分析模型如圖12．框架柱為鋼筋混凝土柱,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,保護(hù)層厚度為30 mm,縱筋為HRB335級(jí)鋼筋,箍筋為HPB235級(jí)鋼筋．框架梁為H型Q235鋼梁．螺栓選用10.9級(jí)M20螺栓,孔徑大小為21.5 mm．裝配式RCS平面框架的梁柱尺寸見表1．梁上恒載為10 kN/m,活載為6 kN/m．框架的建模方法及模型中的梁柱單元屬性同上文節(jié)點(diǎn)數(shù)值模擬．

圖11 結(jié)構(gòu)平面圖Fig.11 Floor plan of structure表1 框架梁柱的尺寸參數(shù)Table 1 Geometric parameters of the beams and columns of the frames

框架層數(shù)層高/m跨度/m柱截面/mm·mm縱筋箍筋梁截面6層1-63.66400×40012?16?8@100HN350×175×7×11

圖12 平面框架分析模型Fig.12 Analysis model of the frames

為了研究節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的變化對(duì)半剛性裝配式RCS框架抗震性能的影響,在節(jié)點(diǎn)研究的基礎(chǔ)上,利用OpenSEES軟件對(duì)裝配式RCS框架進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析,分析時(shí)節(jié)點(diǎn)連接處的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度分別取1.0×104、3.0×104、6.0×104、9.0×104,最后將所得結(jié)果與普通的RCS混合框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果進(jìn)行比較[15-17]．

選用經(jīng)典地震動(dòng)EL Centro波,采用直接積分法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析,將地震加速度峰值調(diào)幅至8度罕遇地震所對(duì)應(yīng)的加速度峰值400 cm/s2,調(diào)整后的地震波譜如圖13．

圖13 EL Centro地震波Fig.13 EL Centro wave

3.2 模擬結(jié)果

通過時(shí)程分析得出EL Centro波作用下各框架的頂點(diǎn)位移，基底剪力和最大層間位移情況如圖14、圖15以及表2．

圖14 框架頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線Fig.14 Time-history curves of top displacement

圖15 最大層間位移角比較Fig.15 Maximum story drifts

通過動(dòng)力彈塑性分析發(fā)現(xiàn):

(1) 當(dāng)k=9.0×104時(shí),結(jié)構(gòu)的頂層最大位移、最大基底剪力和最大層間位移角與普通剛接的RCS框架結(jié)構(gòu)幾乎相同,節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度接近剛接;當(dāng)k為1.0×104、3.0×104、6.0×104時(shí),節(jié)點(diǎn)的初始連接剛度在半剛性范圍內(nèi)變化；

(2) 同一結(jié)構(gòu),若節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度不同,結(jié)構(gòu)的頂層最大位移與最大基底剪力出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)也不同．結(jié)構(gòu)的頂層最大位移與最大基底剪力出現(xiàn)的時(shí)間較為接近,頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線和基底剪力時(shí)程曲線表現(xiàn)大致相同,在激勵(lì)時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)都比較穩(wěn)定;

表2 動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果Table 2 Results of the dynamic elastic-plastic analysis

(3) 裝配式RCS結(jié)構(gòu)的周期對(duì)節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較為敏感,隨著連接處初始剛度的增加而減小;

(4) 裝配式RCS結(jié)構(gòu)當(dāng)節(jié)點(diǎn)連接處的初始剛度在半剛性連接區(qū)間內(nèi)變化時(shí),結(jié)構(gòu)的頂層位移與最大層間位移角并不會(huì)因半剛性連接處初始剛度的增大而減小,增大節(jié)點(diǎn)連接處的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度,結(jié)構(gòu)的最大層間位移角反而會(huì)出現(xiàn)增大的情況．

4 結(jié)論

文中結(jié)合裝配式RCS節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究,進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析,研究發(fā)現(xiàn):

(1) 提出的基于OpenSEES的建模方法與試驗(yàn)吻合較好,可適用于此類結(jié)構(gòu)的非線性分析．所提出的建模方法具有單元少、自由度少、建模方便、計(jì)算效率高、耗時(shí)少等優(yōu)點(diǎn),精度能滿足工程需求,將其此建模方法用于結(jié)構(gòu)整體彈塑性分析及基于性能的抗震評(píng)估是合理的．

(2) 在罕遇地震作用下,半剛接裝配式RCS框架結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移峰值、最大層間位移角比剛接RCS框架要大,但結(jié)構(gòu)的最大層間位移角仍可以滿足規(guī)范的抗震要求．

(3) 節(jié)點(diǎn)連接的半剛性行為對(duì)裝配式RCS整體結(jié)構(gòu)受力性能有顯著的影響,降低節(jié)點(diǎn)連接處的初始剛度對(duì)增大結(jié)構(gòu)周期作用明顯,結(jié)構(gòu)的自振周期隨節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的減小而增大．在實(shí)際工程應(yīng)用中,通過減小節(jié)點(diǎn)連接處的初始剛度,可以有效地增大結(jié)構(gòu)的周期．

(4) 當(dāng)裝配式RCS結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接處的初始剛度在半剛性范圍內(nèi)變化時(shí),結(jié)構(gòu)的薄弱層會(huì)發(fā)生變化;同一個(gè)結(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)初始剛度大,結(jié)構(gòu)的最大層間位移角未必小,節(jié)點(diǎn)初始剛度小,結(jié)構(gòu)的最大層間位移角未必大,結(jié)構(gòu)的最大層間位移角與初始剛度的關(guān)系需通過屈服機(jī)制進(jìn)行精細(xì)研究．因此在實(shí)際工程中,當(dāng)裝配式RCS結(jié)構(gòu)的最大層間位移角不滿足規(guī)范的抗震要求時(shí),不能只是把連接處的初始剛度加強(qiáng),可以考慮加支撐的形式提高結(jié)構(gòu)的抗震性能．