墻腳可更換PEC剪力墻滯回性能研究

馬 艷 寧

(西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院， 陜西 西安 710055)

為了實(shí)現(xiàn)建筑物的震損控制及震后修復(fù)，可恢復(fù)結(jié)構(gòu)被提出并得到廣泛研究。與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)及減隔震結(jié)構(gòu)不同，可恢復(fù)結(jié)構(gòu)在地震中有更優(yōu)異的變形能力及更合理的破壞順序，并且在震后通過簡單修復(fù)或者耗能構(gòu)件的更換，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的抗震性能恢復(fù)。2011年，同濟(jì)大學(xué)呂西林教授等[1]通過總結(jié)歸納自復(fù)位結(jié)構(gòu)、可更換構(gòu)件、搖擺結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)， 最早提出可恢復(fù)結(jié)構(gòu)的概念。

在各種抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻結(jié)構(gòu)是具有代表性的震后易損結(jié)構(gòu)。為了優(yōu)化鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的震損控制及實(shí)現(xiàn)震后修復(fù)，呂西林教授在剪力墻中引入墻腳可更換部件。毛苑君等[2]將疊層橡膠應(yīng)用于剪力墻腳部作為可更換構(gòu)件，試驗(yàn)表明其具備更好的變形能力且在較強(qiáng)地震作用下保持無損傷。劉其舟等[3]提出帶有軟鋼屈服阻尼器的可更換墻腳組件，分析表明采用該組件剪力墻能夠?qū)⑵茐囊龑?dǎo)至可更換部件，從而保護(hù)非更換區(qū)域免遭破壞。蔣歡軍等[4]提出了一種帶有可更換連梁和可更換墻腳部件的可恢復(fù)功能聯(lián)肢剪力墻，該結(jié)構(gòu)中連梁采用金屬阻尼器+黏彈性阻尼器混合可更換連梁，柱腳采用防屈曲支撐構(gòu)件[5]作為可更換柱腳，給出了帶可更換部件聯(lián)肢剪力墻設(shè)計(jì)方法。該聯(lián)肢剪力墻具備雙重可更換性能，震損控制及震后修復(fù)性能得到顯著提高。

近年來，組合剪力墻成為剪力墻結(jié)構(gòu)體系中的研究熱點(diǎn)。陸燁等[6]對(duì)內(nèi)嵌鋼板-混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，證明了該結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大，耗能能力強(qiáng)，然而在大變形作用下，混凝土破損嚴(yán)重，導(dǎo)致延性較差。在此基礎(chǔ)上，Astaneh-Asl等[7]將預(yù)制混凝土板應(yīng)用于組合鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)，并在混凝土板與鋼框架之間留置一定空隙，避免了混凝土板過早發(fā)生破壞，也使得結(jié)構(gòu)延性得到顯著提高，但是預(yù)制混凝土板吊裝難度大，施工較為復(fù)雜。為了便于施工，研究者們[8-10]提出雙鋼板-混凝土組合剪力墻、鋼管束-混凝土組合剪力墻、雙層波紋鋼板-混凝土組合剪力墻等外置鋼板組合剪力墻，相關(guān)試驗(yàn)研究表明該結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，耗能能力強(qiáng)，延性較好，然而鋼板外置所導(dǎo)致的高溫耐火性不足也一定程度上限制了其推廣與應(yīng)用。為保證組合剪力墻在地震中滿足延性要求并實(shí)現(xiàn)在民用建筑中適用及推廣，研究者們[11]提出了PEC組合剪力墻結(jié)構(gòu)。PEC剪力墻由內(nèi)部型鋼，連接翼緣的扁鋼及填充在型鋼翼緣之間的混凝土組成[12]。張其林等[11]對(duì)足尺PEC剪力墻進(jìn)行了擬靜力循環(huán)加載試驗(yàn)研究，試驗(yàn)對(duì)象為三組軸壓比0.38，剪跨比2.5的短肢PEC剪力墻足尺試件，試驗(yàn)結(jié)果表明：試件的破壞形式為端部混凝土壓碎，翼緣鋼板屈曲，有較強(qiáng)的承載力及延性。為了將可恢復(fù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于至組合剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，本研究在傳統(tǒng)PEC剪力墻的基礎(chǔ)上，將防屈曲支撐構(gòu)件[4]作為可更換墻腳替換原結(jié)構(gòu)易于破壞的端部區(qū)域，形成第一道抗震防線，便于實(shí)現(xiàn)震損控制和震后修復(fù)，也使得PEC墻轉(zhuǎn)變?yōu)檎鸷罂尚迯?fù)PEC墻，以下簡稱ERPEC?？筛鼡Q墻腳構(gòu)造如圖1所示，PEC墻試件及ERPEC墻試件如圖2所示。

圖1 可更換防屈曲支撐墻腳部件

圖2 PEC剪力墻及ERPEC剪力墻構(gòu)造示意圖

1 有限元驗(yàn)證

本文選取實(shí)際試驗(yàn)中的部分外包組合短肢剪力墻[11]進(jìn)行數(shù)值模擬分析，試件的加載條件如圖3所示。借助有限元軟件ABAQUS 6.14對(duì)該加載試驗(yàn)進(jìn)行模擬，其中鋼材均采用S4R單元，混凝土采用C3D8R單元，混凝土基座用剛性體代替?；炷僚c型鋼的腹板翼緣之間建立“General Contact(Explicit)”接觸，接觸屬性設(shè)置為法向硬接觸，切向庫侖摩擦，摩擦系數(shù)取為0.4。將綴板設(shè)置為“Embedded region”嵌入混凝土之中，模擬二者之間的粘結(jié)滑移性能。鋼材的本構(gòu)選取雙折線隨動(dòng)強(qiáng)化本構(gòu)模型，混凝土的本構(gòu)選取“Concrete Damaged Plasticity”本構(gòu)模型，混凝土單軸拉壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示，計(jì)算方法如下列各式所示[13]。

圖3 PEC試件加載條件

圖4 混凝土單軸拉壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(1)

(2)

(3)

(4)

試驗(yàn)加載過程中，混凝土出現(xiàn)明顯的開裂及剝落，此外試驗(yàn)后期墻腳型鋼外翼緣也出現(xiàn)了撕裂破壞，因此有限元模型中也引入了混凝土拉壓損傷及鋼材柔性損傷，混凝土損傷因子計(jì)算方法如下式所示[14]，而根據(jù)試驗(yàn)中鋼材材性試驗(yàn)參數(shù)取型鋼外翼緣和綴板的鋼材斷裂應(yīng)變?yōu)?.4。

(5)

(6)

采用動(dòng)力顯式模塊進(jìn)行數(shù)值分析，得到如圖5所示滯回曲線。通過與試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，有限元結(jié)果初始剛度以及峰值荷載和試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，且有限元模型可以很好的模擬PEC試件的剛度退化及加載后期的承載力下降。

圖5 試驗(yàn)及有限元結(jié)果滯回曲線對(duì)比

2 ERPEC試件設(shè)計(jì)

根據(jù)有限元模擬可知，為保證ERPEC結(jié)構(gòu)的承載力和普通PEC剪力墻接近，且破壞集中于可更換墻腳區(qū)域，避免破壞區(qū)域轉(zhuǎn)移，可更換墻腳部件的承載力與原剪力墻被更換區(qū)域的承載力的比值不應(yīng)低于1，且不應(yīng)超過1.2[4]?？筛鼡Q墻腳部件的剛度與原剪力墻被更換區(qū)域的剛度比值不應(yīng)小于1。選取可更換部分芯板尺寸為20 mm×90 mm，高度為500 mm；對(duì)于外部鋼管混凝土部分，鋼套筒外徑110 mm，內(nèi)徑100 mm；可更換構(gòu)件中鋼材均選取Q345鋼，混凝土選用C30混凝土。試件的詳細(xì)尺寸見圖6?？筛鼡Q部分的承載力及剛度驗(yàn)算過程，見下列公式。

圖6 ERPEC試件尺寸詳圖(單位:mm)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

3 ERPEC滯回性能分析

采用與PEC模型相同的材性參數(shù)以及相同的建模方法，建立ERPEC試件的有限元模型，將得到的滯回曲線與PEC試件的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

圖7 ERPEC與PEC試件滯回曲線對(duì)比

由圖7可以發(fā)現(xiàn)ERPEC試件的初始剛度和PEC試件基本一致，且剛度退化明顯慢于PEC試件。取兩試件骨架曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示，由圖可知，30 mm加載級(jí)之前，兩結(jié)構(gòu)峰值荷載基本相同。30 mm加載級(jí)及40 mm加載級(jí)PEC試件承載力略高于ERPEC試件(差值最大僅5.18%)，說明用可更換墻腳部件代替PEC原有墻腳，結(jié)構(gòu)仍能夠保持較高的承載能力。

圖8 ERPEC與PEC試件骨架對(duì)比

為比較兩結(jié)構(gòu)的耗能能力，取各加載級(jí)滯回曲線的包絡(luò)面積，列于圖9進(jìn)行比較。由圖知，ERPEC試件的耗能能力明顯優(yōu)于PEC試件。

圖9 ERPEC與PEC試件骨架對(duì)比

取兩試件有限元模型加載結(jié)束后的混凝土受拉損傷分布圖進(jìn)行比較，如圖10所示。由圖10可知，ERPEC試件的混凝土損傷程度明顯低于PEC試件，因此加載后期整體結(jié)構(gòu)的剛度不會(huì)顯著下降，能夠保持較為良好的耗能能力。

圖10 ERPEC與PEC試件混凝土受拉損傷對(duì)比

4 結(jié) 論

本文在傳統(tǒng)PEC剪力墻結(jié)構(gòu)中引入可更換墻腳構(gòu)件，通過有限元模擬研究了該新型結(jié)構(gòu)的滯回性能，結(jié)合各項(xiàng)分析結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

(1) 用可更換墻腳部件代替PEC原有墻腳，結(jié)構(gòu)仍能夠保持較高的承載能力，峰值荷載不會(huì)下降。

(2) 可更換墻腳代替原有易損墻腳，能夠顯著降低混凝土塑性損傷，延緩整體結(jié)構(gòu)的剛度退化，并一定程度上提高結(jié)構(gòu)的耗能能力。

(3) 新型帶可更換腳部構(gòu)件剪力墻非更換區(qū)域基本不發(fā)生破壞，可更換墻腳的引入使得PEC墻具備雙重抗震防線。