FRC框架結(jié)構(gòu)的損傷程度控制及性能評(píng)估

陸婷婷, 梁興文

(1. 西京學(xué)院 陜西省混凝土結(jié)構(gòu)安全與耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710123;2. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 陜西 西安 710055)

0 引言

抗震設(shè)計(jì)的主要目的就是為了滿(mǎn)足非彈性地震反應(yīng)需求,必須保證選擇的屈服機(jī)構(gòu)可用較為穩(wěn)定的方式來(lái)耗散相當(dāng)?shù)牡卣疠斎肽芰俊Ｋ^的穩(wěn)定性是指在經(jīng)過(guò)幾次大的反復(fù)循環(huán)的非彈性位移時(shí),結(jié)構(gòu)仍保持有較高的抵抗荷載的能力,且每一次循環(huán)后結(jié)構(gòu)剛度的損失不太大[1]。這就要求預(yù)期損傷部位的截面應(yīng)具有良好的變形能力和損傷容限。

預(yù)期損傷部位采用FRC材料能夠提高抗損傷和抗變形的能力。因此這種結(jié)構(gòu)體系預(yù)期損傷部位的損傷程度控制和性能評(píng)估方法與普通混凝土結(jié)構(gòu)就會(huì)有所不同,需要進(jìn)一步研究。

針對(duì)梁、柱端部、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)以及相鄰的板采用FRC材料的框架結(jié)構(gòu),研究滿(mǎn)足不同性能水準(zhǔn)要求的柱端部損傷程度控制指標(biāo)及其性能指標(biāo)限值,以及預(yù)期損傷部位的損傷程度與其塑性變形的關(guān)系。針對(duì)預(yù)期損傷部位采用FRC的框架結(jié)構(gòu),研究各種性能水準(zhǔn)極限狀態(tài)的定性描述和量化方法,失效的判別參數(shù)和準(zhǔn)則、并進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估。

1 FRC框架結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)劃分

建筑物的性能水準(zhǔn)是用來(lái)描述建筑物在一定地面運(yùn)動(dòng)作用下的損傷程度,它是結(jié)構(gòu)性能、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和體系的性能以及室內(nèi)設(shè)施性能的組合。對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)體系、類(lèi)型以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能,應(yīng)該采用不同的性能量化指標(biāo)。

1.1 性能參數(shù)

在PEER(Pacific Earthquake Engineering Research Center)的數(shù)據(jù)庫(kù)里用來(lái)描述結(jié)構(gòu)性能的參數(shù)有:層間側(cè)移角、混凝土和鋼筋應(yīng)變、主應(yīng)力、位移延性、塑性轉(zhuǎn)動(dòng)、曲率延性、殘余變形率、等效黏滯阻尼系數(shù)和等效剛度系數(shù)等。FEMA 273[2]給出了RC框架結(jié)構(gòu)基于層間側(cè)移角的量化性能水準(zhǔn)值。FEMA 356[3]以構(gòu)件轉(zhuǎn)角為指標(biāo)給出了RC框架結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的性能指標(biāo)限值及其確定方法。

Ghobarah[4]采用頂點(diǎn)位移角量化結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)。Uma等[5]提出了一種考慮殘余變形的基于抗震性能評(píng)估的概率方法。Yazgan等[6]提出了一種改進(jìn)的震后考慮殘余變形的抗震性能評(píng)估方法。

戚永樂(lè)[7]對(duì)工程中最常用的梁、柱及剪力墻構(gòu)件在不同地震水準(zhǔn)下的變形性能指標(biāo)限值進(jìn)行了研究,提出了一種新的基于材料應(yīng)變的RC結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能指標(biāo)確定方法,該方法確定的性能指標(biāo)量化了結(jié)構(gòu)構(gòu)件在一定構(gòu)造條件下的變形能力。

王英俊[8]根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,通過(guò)層間側(cè)移角、節(jié)點(diǎn)區(qū)剪切變形角和節(jié)點(diǎn)區(qū)剪應(yīng)力系數(shù)這三個(gè)指標(biāo),給出了FRC框架結(jié)構(gòu)5個(gè)性能水準(zhǔn)的定量描述。

1.2 性能水準(zhǔn)

我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]規(guī)定了結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)應(yīng)于不同性能要求的承載力參考指標(biāo)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件不同性能要求的層間位移參考指標(biāo)。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[10]中綜合考慮了抗震設(shè)防類(lèi)別、設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)的特殊性、震后損失等各項(xiàng)因素,將結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí),結(jié)構(gòu)抗震性能分為1、2、3、4、5五個(gè)水準(zhǔn)。

依照上述規(guī)范,本文采用5個(gè)性能水準(zhǔn)來(lái)描述FRC框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)[11-12]中FRC帶板梁柱組合件抗震性能試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,選用層間側(cè)移角、殘余變形、柱截面轉(zhuǎn)角作為性能指標(biāo)來(lái)進(jìn)行性能水準(zhǔn)的量化分析,并將損傷狀態(tài)也作為其中一個(gè)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行性能水準(zhǔn)的劃分;其中層間側(cè)移角、殘余變形、柱截面轉(zhuǎn)角均取自同一荷載點(diǎn)。柱端截面轉(zhuǎn)角是指在距離節(jié)點(diǎn)處梁邊緣100 mm處的柱截面的累計(jì)轉(zhuǎn)角θc;層間側(cè)移角θ是指層間最大水平位移與該層高的比值;層間殘余側(cè)移角θr是指層間殘余水平位移(即受力為0時(shí)的層間水平位移)與該層高的比值。表1列出了各性能水準(zhǔn)下的參數(shù)統(tǒng)計(jì)值。

表1 FRC框架結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)劃分

在性能水準(zhǔn)1時(shí),預(yù)期損傷部位采用FRC的帶板梁柱組合件沒(méi)有任何損傷,且層間側(cè)移角較小;在性能水準(zhǔn)2時(shí),組合件出現(xiàn)輕微裂縫,并且有第一根縱筋出現(xiàn)屈服;在性能水準(zhǔn)3時(shí),組合件裂縫增多,并出現(xiàn)明顯的裂縫,即主裂縫形成并開(kāi)始開(kāi)展;在性能水準(zhǔn)4時(shí),組合件達(dá)到峰值荷載,結(jié)構(gòu)基本呈現(xiàn)破壞模式;在性能水準(zhǔn)5時(shí),組合件承載力、剛度出現(xiàn)下降,結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重。

表1中的θ、θr和θc是以實(shí)測(cè)值(平均值)為依據(jù)確定的。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用的層間側(cè)移角、層間殘余側(cè)移角和柱截面轉(zhuǎn)角限值應(yīng)留有一定的安全儲(chǔ)備,故將表1中的θ、θr和θc的平均值減去一倍的標(biāo)準(zhǔn)差[13],作為相應(yīng)性能水準(zhǔn)的指標(biāo)限值,見(jiàn)表2。

表2 FRC框架結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)限值

2 FRC框架結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)評(píng)估

2.1 模型概況

依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)一幢六層框架結(jié)構(gòu),取出其中一榀橫向框架進(jìn)行分析,詳細(xì)尺寸見(jiàn)圖1所示。根據(jù)試驗(yàn)研究和模擬分析的結(jié)果,選取了其中8個(gè)模型進(jìn)行分析。梁、柱兩端各600 mm、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)及相鄰的現(xiàn)澆板范圍內(nèi)均采用FRC材料,其余部分為普通混凝土。模型結(jié)構(gòu)配筋見(jiàn)表3,材料相關(guān)屬性見(jiàn)表4和表5。表3中模型編號(hào)S為仿真模型,H代表一榀橫向框架,FRC、RC分別為框架結(jié)構(gòu)預(yù)期損傷部位采用的材料,6 h、8 h、10 h分別為計(jì)算柱配筋時(shí)考慮的有效翼緣寬度,數(shù)字編號(hào)為考慮不同柱梁抗彎承載力比的模型編號(hào),括號(hào)內(nèi)的數(shù)字為該模型的柱梁抗彎承載力比值。

表3 模型尺寸和配筋表

表4 鋼筋力學(xué)特性

表5 混凝土和FRC力學(xué)特性

圖1 模型尺寸圖(單位:mm)Fig.1 Dimension of the model (Unit:mm)

結(jié)構(gòu)分析采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建模。模型中混凝土和FRC材料采用混凝土塑性損傷模型,鋼筋采用雙線性強(qiáng)化彈塑性模型:混凝土本構(gòu)按混凝土規(guī)范[14]采用,FRC材料采用文獻(xiàn)[15]中材料本構(gòu)?；炷梁虵RC采用C3D8R實(shí)體單元,鋼筋采用T3D2 TRUSS單元。

分別對(duì)6個(gè)FRC框架結(jié)構(gòu)和2個(gè)RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析。輸入三條地震波:6-174-Imperial Valley(簡(jiǎn)寫(xiě)為6-174),7-1111-Kobe(簡(jiǎn)寫(xiě)為7-1111),19-1244-chi-chi(簡(jiǎn)寫(xiě)為19-1244)。分別按照8度設(shè)防烈度(0.3g)及對(duì)應(yīng)的多遇地震、和罕遇地震對(duì)地震波加速度進(jìn)行調(diào)幅,并按照表1給出的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)震后結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 屈服機(jī)制

在多遇地震作用下,所有FRC框架模型均沒(méi)有形成塑性鉸,處于彈性范圍。

在設(shè)防烈度地震作用下,分別輸入6-174,19-1244兩條地震波,6個(gè)FRC模型的梁端和柱端均沒(méi)有出現(xiàn)塑性鉸。在輸入7-1111地震波時(shí),模型SH-RC-8h-2和SH-RC-8h-3的底部3層梁端以及底層柱底均形成塑性鉸;而模型SH-FRC-8h-2的梁端形成了5個(gè)塑性鉸,底層的兩個(gè)邊柱底的縱向鋼筋出現(xiàn)屈服形成塑性鉸;模型SH-FRC-10h-2則是在梁端形成了4個(gè)塑性鉸,沒(méi)有柱端出現(xiàn)屈服。模型SH-FRC-8h-3、SH-FRC-10h-3的梁端分別出現(xiàn)了3個(gè)、4個(gè)塑性鉸,均沒(méi)有柱鉸形成。模型SH-FRC-6h-4在梁端形成了6個(gè)塑性鉸,且沒(méi)有柱鉸形成。

在預(yù)估的罕遇地震作用下,輸入6-174地震波時(shí),各模型均形成了大量的梁端塑性鉸,底層柱底縱向鋼筋屈服使柱端形成塑性鉸(圖2);且只有模型SH-FRC-8h-2[圖2(c)]在2、3層的柱端出現(xiàn)了塑性鉸,其他模型的層柱端均無(wú)塑性鉸出現(xiàn)。在輸入7-1111地震波時(shí),各模型損傷程度較輸入地震波6-174要更嚴(yán)重一些。模型SH-FRC-8h-2柱端分別在2、3、4、5層共形成了5個(gè)塑性鉸。模型SH-FRC-6h-3形成的四個(gè)柱端塑性鉸分布在2、3、4層;模型SH-FRC-8h-3、SH-FRC-10h-3分別在各自模型的3、4層中柱的柱頂端部形成了塑性鉸。在輸入19-1244地震波時(shí),各模型損傷程度比輸入前兩個(gè)地震波更嚴(yán)重一些,其中框架模型SH-FRC-8h-2、SH-FRC-10h-2的柱端損傷最為嚴(yán)重,框架模型SH-FRC-6h-4的柱端損傷最輕,僅有一個(gè)中柱的柱端出現(xiàn)了塑性鉸。

圖2 罕遇地震下框架結(jié)構(gòu)屈服機(jī)制(6-174-Imperial Valley)Fig.2 Yielding mechanism of frame under rare earthquakes (6-174-Imperial Valley)

2.2.2 層間側(cè)移角

圖3是三條地震波對(duì)應(yīng)的多遇烈度、設(shè)防烈度和罕遇烈度情況下6個(gè)FRC模型的各層層間側(cè)移角的分布情況。表6列出了三種地震強(qiáng)度下6個(gè)FRC模型的最大層間側(cè)移角。從圖3(a)中可以看出,框架模型SH-FRC-6h-3在地震波7-1111相應(yīng)的罕遇地震下的最大層間側(cè)移角出現(xiàn)在第三層,其他情況下的FRC框架結(jié)構(gòu)模型的最大層間側(cè)移角均出現(xiàn)在第2層。

圖3 框架結(jié)構(gòu)層間側(cè)移角Fig.3 Story drift angel of frame structure

將表6中的數(shù)據(jù)與表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可以得出:

表6 不同地震強(qiáng)度下結(jié)構(gòu)最大層間側(cè)移角(單位:%)

在多遇地震作用下,6個(gè)FRC框架模型的最大層間側(cè)移角均小于第1性能水準(zhǔn)層間側(cè)移角的限值,滿(mǎn)足第1性能水準(zhǔn)要求。

在設(shè)防烈度地震作用下,輸入地震波6-174和19-1244時(shí),6個(gè)FRC框架模型的最大層間側(cè)移角均小于第2性能水準(zhǔn)層間側(cè)移角的限值,滿(mǎn)足第2性能水準(zhǔn)要求。在輸入地震波7-1111時(shí),6個(gè)框架模型的最大層間側(cè)移角均大于第2性能水準(zhǔn)層間側(cè)移角的限值。

在預(yù)估的罕遇地震作用下,各模型在三條地震波下的最大層間側(cè)移角相差較大。輸入地震波6-174時(shí),6個(gè)FRC框架模型的最大層間側(cè)移角相差不大,分布在1.67%～1.8%,均小于表1中第3性能水準(zhǔn)中的層間側(cè)移角的限值,且相同的翼緣寬度下,柱梁抗彎承載力比大的框架模型的層間側(cè)移角相對(duì)小一些。但是從上節(jié)屈服機(jī)制的分析中可知,各模型的損傷程度是不同的。在輸入地震波7-1111時(shí),框架模型SH-FRC-6h-4的最大層間側(cè)移角略小于2.31%,剛滿(mǎn)足第3性能水準(zhǔn),其余5個(gè)FRC框架模型的最大層間側(cè)移角均超過(guò)了表1中第3性能水準(zhǔn)中的層間側(cè)移角限值,同時(shí)小于第4性能水準(zhǔn)的層間側(cè)移角限值。輸入地震波19-1244時(shí),6個(gè)FRC框架模型的最大層間側(cè)移角均接近了第5性能水準(zhǔn)的層間側(cè)移角限值的5%。

綜上可以看出,由于FRC材料具有良好的延性,使得框架結(jié)構(gòu)有著較好的變形能力,且在輸入地震波的情況下,柱梁抗彎承載力比對(duì)結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移角影響較小,因此對(duì)于FRC框架結(jié)構(gòu)不能單純以層間側(cè)移角作為性能評(píng)估指標(biāo),要綜合結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制及損傷程度來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2.3 殘余變形

殘余變形是地震后結(jié)構(gòu)的永久變形,也是震后唯一可測(cè)量的有關(guān)結(jié)構(gòu)損傷的參數(shù)。Priestley[16]指出在基于性能設(shè)計(jì)時(shí)用殘余變形來(lái)定義性能水準(zhǔn)的重要性。有研究指出,有軟弱層出現(xiàn)的框架結(jié)構(gòu)在相同的最大層間側(cè)移角下的殘余變形會(huì)較大,且相對(duì)于柱鉸機(jī)制,梁鉸機(jī)制框架結(jié)構(gòu)的殘余變形小。因此,本文在對(duì)FRC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能評(píng)估時(shí),將殘余變形作為其中的一個(gè)評(píng)估指標(biāo)。

在8度設(shè)防烈度地震作用下,輸入地震波7-1111時(shí),RC模型SH-RC-8h-2和SH-RC-8h-3的最大層間側(cè)移角為0.75%,其最大層間殘余側(cè)移角分別達(dá)到0.2%、0.16%;而FRC模型SH-FRC-8h-2和SH-FRC-8h-3的最大層間側(cè)移角為1%,最大層間殘余側(cè)移角分別為0.15%、0.12%(表7),小于第1性能水準(zhǔn)的限值。輸入地震波19-1244時(shí),RC模型SH-RC-8h-2和SH-RC-8h-3最大層間殘余層間側(cè)移角分別達(dá)到0.28%、0.25%,大于第1性能水準(zhǔn)的限值;而FRC模型SH-FRC-8h-2和SH-FRC-8h-3的最大層間殘余側(cè)移角分別為0.16%、0.15%。

表7 不同地震強(qiáng)度下FRC框架結(jié)構(gòu)層間殘余側(cè)移角(單位:%)

綜上可以看出,由于FRC材料彈性模量較低,使得FRC框架結(jié)構(gòu)的初始剛度小于RC框架結(jié)構(gòu),因此對(duì)于最大層間側(cè)移角而言,前者大于后者。但是FRC材料的應(yīng)變硬化特性使得FRC材料與鋼筋有效共同工作的時(shí)間更長(zhǎng),使FRC框架結(jié)構(gòu)在震后的層間殘余側(cè)移角小于RC框架結(jié)構(gòu),減小了結(jié)構(gòu)震后的損傷。

表7列出了6個(gè)FRC框架結(jié)構(gòu)模型震后的最大層間殘余側(cè)移角。從表中數(shù)據(jù)可以看出:

在多遇地震作用下,三條地震波下的6個(gè)FRC框架結(jié)構(gòu)模型的層間殘余側(cè)移角近似為0～0.01%,結(jié)構(gòu)變形可以忽略,遠(yuǎn)小于第1性能水準(zhǔn)中層間殘余側(cè)移角的限值。

在設(shè)防烈度地震作用下,模型SH-FRC-10h-2和SH-FRC-10h-3在地震波19-1244下的層間殘余側(cè)移角分別為0.22%、0.2%,大于性能水準(zhǔn)限值0.19%。其他FRC框架結(jié)構(gòu)模型在三條地震波下的層間殘余側(cè)移角范圍為0.03%～0.15%,三條波的平均值范圍為0.09%～0.13%,均小于第1性能水準(zhǔn)中層間殘余側(cè)移角的限值,滿(mǎn)足第1性能水準(zhǔn)的要求。

在預(yù)估的罕遇地震作用下,模型在三條地震波下的層間殘余側(cè)移角值比較分散。在輸入地震波6-174時(shí),6個(gè)FRC模型的層間殘余側(cè)移角均小于第3性能水準(zhǔn)中層間殘余側(cè)移角的限值。輸入地震波7-1111時(shí),模型SH-FRC-8h-2的層間殘余側(cè)移角為0.91%,略大于第3性能水準(zhǔn)中層間殘余側(cè)移角的限值0.90%,未能達(dá)到第3性能水準(zhǔn)限值;模型SH-FRC-10h-2、SH-FRC-6h-3、SH-FRC-8h-3、SH-FRC-10h-3、SH-FRC-6h-4的層間殘余側(cè)移角值分別為0.89%、0.87%、0.79%、0.82%、0.82%,略小于第3性能水準(zhǔn)中層間殘余側(cè)移角的限值。在輸入地震波19-1244時(shí),6個(gè)FRC模型的層間殘余側(cè)移角均出現(xiàn)了較大值,超過(guò)了第4性能水準(zhǔn)層間殘余側(cè)移角的限值1.30%,而小于第5性能水準(zhǔn)中層間殘余側(cè)移角的限值3.97%。在考慮相同翼緣寬度時(shí),層間殘余側(cè)移角隨著柱梁抗彎承載力比的增大而減小。

圖4為框架模型各層的最大殘余變形率,即在同一地震波下框架結(jié)構(gòu)模型層間殘余側(cè)移角中的最大值與相應(yīng)的最大層間側(cè)移角的比值。從圖中可以看出,框架結(jié)構(gòu)的最大殘余變形率均出現(xiàn)在底層、二層或三層。

圖4 框架結(jié)構(gòu)各層殘余變形率(單位:%)Fig.4 Residual deformation rate of each floor of frame structure (Unit:%)

在多遇地震作用下,輸入地震波6-174和7-1111時(shí),各FRC框架模型的最大殘余變形率分布在0.04～0.10之間,輸入地震波19-1244時(shí),各FRC框架模型的最大殘余變形率分布在0.12～0.16之間。

在設(shè)防烈度地震作用下,輸入地震波6-174時(shí),各FRC框架模型的最大殘余變形率分布在

0.10～0.20之間。輸入地震波7-1111,各FRC框架模型的最大殘余變形率分布在0.21～0.32之間。輸入19-1244時(shí),各FRC框架模型的最大殘余變形率分布在0.28～0.41之間。

在預(yù)估的罕遇地震作用下,輸入地震波6-174時(shí),各FRC框架模型的最大殘余變形率分布在0.31～0.47之間。輸入地震波7-1111,各FRC框架模型的最大殘余變形率分布在0.40～0.49之間。輸入19-1244時(shí),各FRC框架模型的最大殘余變形率分布在0.53～0.65之間。

2.2.4 柱端轉(zhuǎn)角

對(duì)于框架結(jié)構(gòu)來(lái)講,在相同層間側(cè)移角的情況下,如果出現(xiàn)層屈服機(jī)制,那么對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)損傷也會(huì)較大,因此選用柱截面轉(zhuǎn)角作為性能評(píng)估的一個(gè)指標(biāo)。

在設(shè)防地震烈度為8度的情況下,輸入地震波19-1244時(shí),普通RC框架模型SH-RC-8h-2和模型SH-RC-8h-3柱截面最大轉(zhuǎn)角分別達(dá)到了6.2×10-3、6.3×10-3,柱截面最大殘余轉(zhuǎn)角分別達(dá)到了3.1×10-3、2.8×10-3,最大殘余變形率(即柱截面最大殘余轉(zhuǎn)角與對(duì)應(yīng)的柱截面最大轉(zhuǎn)角的比值)分別為0.50、0.48;FRC框架結(jié)構(gòu)SH-FRC-8h-2和SH-FRC-8h-3的柱截面最大轉(zhuǎn)角分別為4.7×10-3、5.3×10-3,柱截面最大殘余轉(zhuǎn)角僅為1.5×10-3,最大殘余變形率為0.20。輸入地震波7-1111-Kobe時(shí),普通RC框架模型SH-RC-8h-2和模型SH-RC-8h-3柱截面最大轉(zhuǎn)角達(dá)到了7.1×10-3,柱截面最大殘余轉(zhuǎn)角達(dá)到了1.3×10-3,最大殘余變形率分別為0.50、0.18;FRC框架結(jié)構(gòu)SH-FRC-8h-2和SH-FRC-8h-3的柱截面最大轉(zhuǎn)角分別為8.3×10-3、8.3×10-3,柱截面最大殘余轉(zhuǎn)角僅為1.1×10-3,最大殘余變形率為0.13。

由此可以看出,預(yù)期損傷部位采用FRC材料可以使框架結(jié)構(gòu)柱端有良好的變形能力,即較大的柱截面轉(zhuǎn)角和較小的柱截面殘余轉(zhuǎn)角,可控制結(jié)構(gòu)的損傷程度,減少結(jié)構(gòu)的損傷。

表8列出了6個(gè)FRC框架結(jié)構(gòu)模型在不同地震烈度下的柱截面最大轉(zhuǎn)角。從表8中可以看出,在8度設(shè)防烈度對(duì)應(yīng)的多遇地震下,輸入地震波6-174和19-1244時(shí),6個(gè)FRC框架結(jié)構(gòu)模型的柱截面最大轉(zhuǎn)角均小于第1性能水準(zhǔn)的限值,滿(mǎn)足第1性能水準(zhǔn)。輸入地震波7-1111時(shí),6個(gè)FRC框架結(jié)構(gòu)的柱截面最大轉(zhuǎn)角略微大于第1性能水準(zhǔn)的限值。

表8 不同地震強(qiáng)度下框架結(jié)構(gòu)柱截面最大轉(zhuǎn)角(單位:10-3)

在8度設(shè)防地震烈度下,輸入地震波6-174時(shí),模型SH-FRC-6h-3、SH-FRC-6h-4、SH-FRC-8h-2和SH-FRC-8h-3柱截面最大轉(zhuǎn)角小于表1中第2性能水準(zhǔn)的限值,模型SH-FRC-10h-2、SH-FRC-10h-3的柱截面最大轉(zhuǎn)角略大于表1中第2性能水準(zhǔn)的限值;輸入地震波7-1111時(shí),6個(gè)FRC框架結(jié)構(gòu)的最大柱截面轉(zhuǎn)角均超過(guò)了第2性能水準(zhǔn)的限值,小于第3性能水準(zhǔn)的限值。輸入地震波19-1244時(shí),模型SH-FRC-6h-3、SH-FRC-6h-4、SH-FRC-8h-2柱截面最大轉(zhuǎn)角小于第2性能水準(zhǔn)的限值,模型和SH-FRC-8h-3、SH-FRC-10h-2和SH-FRC-10h-3的柱截面最大轉(zhuǎn)角略大于表1中第2性能水準(zhǔn)的限值。在8度設(shè)防烈度對(duì)應(yīng)的罕遇地震下,輸入地震波6-174時(shí),6個(gè)FRC框架模型的柱截面最大轉(zhuǎn)角小于表1中第4性能水準(zhǔn)的限值;輸入地震波7-1111時(shí),只有模型SH-FRC-6h-4的柱截面最大轉(zhuǎn)角略微小于第4性能水準(zhǔn)的限值,其余5個(gè)FRC框架結(jié)構(gòu)的柱截面最大轉(zhuǎn)角均超過(guò)了第4性能水準(zhǔn)的限值,小于第5性能水準(zhǔn)的限值。輸入地震波19-1244時(shí),模型SH-FRC-6h-4的柱截面最大轉(zhuǎn)角略大于第4性能水準(zhǔn)的限值,遠(yuǎn)小于第5性能水準(zhǔn)的限值;模型SH-FRC-10h-2的柱截面最大轉(zhuǎn)角略大于第5性能水準(zhǔn)的限值;其余4個(gè)FRC框架結(jié)構(gòu)的柱截面最大轉(zhuǎn)角均小于第5性能水準(zhǔn)的限值。

2.3 結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)1.2節(jié)對(duì)FRC框架結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)的劃分,對(duì)上述分析結(jié)果進(jìn)行性能水準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)。表9～11分別列出了以θmax、θr,max和θc,max為指標(biāo)時(shí)各模型在不同地震烈度下達(dá)到的性能水準(zhǔn)。

表9 不同地震強(qiáng)度下FRC框架結(jié)構(gòu)達(dá)到的性能水準(zhǔn)(θmax)

表10 不同地震強(qiáng)度下FRC框架結(jié)構(gòu)達(dá)到的性能水準(zhǔn)(θr,max)

表11 不同地震強(qiáng)度下FRC框架結(jié)構(gòu)達(dá)到的性能水準(zhǔn)(θc,max)

我國(guó)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中綜合考慮各項(xiàng)因素后將結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí),每個(gè)性能目標(biāo)與一組在指定地震地面運(yùn)動(dòng)下的結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)(表12)。表13根據(jù)各框架結(jié)構(gòu)模型的三個(gè)參數(shù)的平均值進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)評(píng)估。

表12 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

表13 不同地震強(qiáng)度下FRC框架結(jié)構(gòu)達(dá)到的性能水準(zhǔn)(平均值)

從表9～13中可以看出,同一框架模型在不同的地震波下能達(dá)到的性能水準(zhǔn)是不同的,以不同的參數(shù)進(jìn)行評(píng)估得到的性能水準(zhǔn)也略有差別。以表13中數(shù)據(jù)為例,6個(gè)FRC框架結(jié)構(gòu)模型基本上都能達(dá)到規(guī)范規(guī)定的最低性能目標(biāo),即在多遇地震下,結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足第1性能水準(zhǔn);在設(shè)防烈度地震下,結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足第4性能水準(zhǔn);在罕遇地震下,結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足第5性能水準(zhǔn)。以層間側(cè)移角為參數(shù)時(shí),模型SH-FRC-10h-2達(dá)到了性能目標(biāo)D,其他5個(gè)框架模型達(dá)到性能目標(biāo)C;以層間殘余側(cè)移角為參數(shù)時(shí),模型SH-FRC-8h-2、SH-FRC-10h-2達(dá)到了性能目標(biāo)D,其余4個(gè)框架模型均能達(dá)到性能目標(biāo)C;以柱截面轉(zhuǎn)角為參數(shù)時(shí),模型SH-FRC-6h-4能達(dá)到規(guī)范中規(guī)定的性能目標(biāo)C,其余5個(gè)框架模型達(dá)到性能目標(biāo)D。分別以θ和θr為參數(shù)進(jìn)行評(píng)估得出的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)基本一致,而以θc為參數(shù)進(jìn)行評(píng)估對(duì)比時(shí),結(jié)構(gòu)達(dá)到的性能目標(biāo)最低。綜合考慮FRC材料的特性和仿真結(jié)果的分析,認(rèn)為選用層間殘余側(cè)移角進(jìn)行性能評(píng)估更為合理。

3 小結(jié)

通過(guò)對(duì)6個(gè)FRC框架結(jié)構(gòu)模型和2個(gè)RC框架結(jié)構(gòu)模型的彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析,得到如下結(jié)論:

(1) 預(yù)期損傷部位采用FRC材料,可以推遲框架結(jié)構(gòu)柱端縱筋屈服,更有利于框架結(jié)構(gòu)形成“強(qiáng)柱弱梁”破壞機(jī)制。

(2) 相對(duì)于普通RC框架結(jié)構(gòu),在預(yù)期損傷部位采用FRC材料使框架結(jié)構(gòu)能夠在較大層間側(cè)移角的情況下有著較小的層間殘余側(cè)移角,減小了整體框架結(jié)構(gòu)的損傷程度。同時(shí),預(yù)期損傷部位采用FRC材料可以減小柱端截面最大轉(zhuǎn)角和柱截面最大殘余轉(zhuǎn)角,即采用FRC材料可以控制構(gòu)件的損傷程度,減小損傷。

(3) 分別以層間側(cè)移角和層間殘余側(cè)移角為參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估,得出的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)基本一致,而以柱截面轉(zhuǎn)角為參數(shù)進(jìn)行評(píng)估時(shí),結(jié)構(gòu)達(dá)到的性能目標(biāo)最低。綜合考慮FRC材料的特性和仿真結(jié)果的分析,認(rèn)為選用層間殘余側(cè)移角進(jìn)行性能評(píng)估更為合理。

(4) 考慮8倍板厚翼緣寬度,柱梁抗彎承載力比達(dá)到1.2,設(shè)計(jì)的預(yù)期損傷部位采用FRC的框架結(jié)構(gòu)在8度設(shè)防烈度地震作用下滿(mǎn)足第4性能水準(zhǔn)變形限值,預(yù)估的罕遇地震作用下滿(mǎn)足第5性能水準(zhǔn)變形限值,在多遇地震作用下結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足第1性能水準(zhǔn)變形限值。