裝配式耗能RC結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析 ①

鄭 起, 陳尚鴻

(1.閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院城鄉(xiāng)建筑學(xué)院,福建 龍巖 364021;2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院,福建 福州 350108 )

0 引 言

與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比，裝配式建筑的施工和設(shè)計(jì)均具有模式化的特點(diǎn)。但一些學(xué)者指出，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能較差，正是由于這個(gè)原因，國(guó)家對(duì)裝配式框架結(jié)構(gòu)的適用、應(yīng)用范圍、高度限值都提出的較高的限制。一些阻尼耗能元件如阻尼器、耗能墻板等也是工業(yè)化的產(chǎn)物，將這些元件加入裝配式框架結(jié)構(gòu)中并不困難，卻能大大提高裝配式框架結(jié)構(gòu)的抗震能力。為了能增強(qiáng)裝配式框架結(jié)構(gòu)的耗能抗震性能，在框架結(jié)構(gòu)內(nèi)置結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單的耗能墻板，并利用阻尼器作為墻板與主體框架的連接，形成一種集成了墻板、耗能連接的新型耗能裝配式耗能RC結(jié)構(gòu)體系。經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)后，裝配式耗能RC結(jié)構(gòu)具有多道抗震防線，并且由于阻尼器與耗能墻板的存在，結(jié)構(gòu)的抗震性能與耗能性能將大大提高。

1 裝配式耗能RC結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式

裝配式耗能RC結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。體系包含主體裝配式框架、預(yù)制RC墻板和耗能連接三部分構(gòu)成。新體系主要包含以下特征：

(1)預(yù)制RC 墻板的兩側(cè)與頂部預(yù)設(shè)間隙，其兩側(cè)填充柔性介質(zhì)材料。

(2)預(yù)制RC 墻板的在頂部與框架梁之間通過若干個(gè)耗能連接相連，耗能連接為雙圓錐軟鋼阻尼器，要求連接能夠保證水平剪力在主體框架和 RC 墻板之間的有效傳遞。

新型裝配式耗能RC結(jié)構(gòu)體系的屈服損傷順序?qū)⒖梢酝ㄟ^各部分設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整有目的地加以引導(dǎo)，在地震作用下結(jié)構(gòu)體系的理想屈服順序?yàn)椋汉哪苓B接→預(yù)制RC 墻板→主體框架。即在地震作用下結(jié)構(gòu)體系中的耗能連接首先屈服，緊接著預(yù)制墻板進(jìn)入塑性，而主體框架的塑性損傷將在最后開展。

圖1 裝配式耗能RC結(jié)構(gòu)示意圖

2 有限元模型的建立

2.1 模型尺寸及材料參數(shù)

采用有限元分析軟件Abaqus進(jìn)行數(shù)值模擬。

單層單跨一榀裝配式耗能RC結(jié)構(gòu)的框架柱尺寸： 450mm×450mm×3000mm，框架梁尺寸為250mm×500mm×4000mm，預(yù)制RC墻板尺寸為200mm×3000mm×2000mm，阻尼器選用雙圓錐低屈服點(diǎn)鋼棒阻尼器[1]，單根阻尼器為內(nèi)外徑：外徑d1=80mm，內(nèi)徑d0=40mm，單根阻尼器長(zhǎng)度L1=400mm。阻尼器整體為雙排且每排五個(gè)的矩形陣列布置形式，采用低屈服點(diǎn)鋼材LY100，其屈服強(qiáng)度取130MPa，抗拉強(qiáng)度取190MPa。柔性填充材料厚度為50mm，彈性模量取50Mpa。預(yù)制RC墻板配置雙層雙向分布筋，采用底屈服點(diǎn)鋼筋LY160[2 3]、鋼筋直徑18mm，間距為100mm。各構(gòu)件內(nèi)部鋼筋性能參數(shù)取值如表1所示?？蚣軆?nèi)鋼筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB400,柱縱筋、柱箍筋、梁箍筋、梁頂筋、梁腰筋、梁底筋直徑分別為22mm，10mm，10mm，18mm，10mm，18mm，墻體鋼筋強(qiáng)度等級(jí)為L(zhǎng)Y160，直徑為8mm。

2.2 本構(gòu)模型

混凝土采用損傷塑性模型，單軸受拉受壓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]計(jì)算，并且采用Britel和Mark[5]的損傷因子修正公式?？蚣茕摻畋緲?gòu)采用雙折線模型、Mises屈服準(zhǔn)則，隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則以及關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則。墻體鋼筋及阻尼器采用低屈服點(diǎn)軟鋼。王萌、王珣等[6-7 ]對(duì)國(guó)產(chǎn)低屈服點(diǎn)軟鋼LY100，LY160，LY225的低周反復(fù)加載試驗(yàn)表明低屈服點(diǎn)軟鋼表現(xiàn)出強(qiáng)烈的同性強(qiáng)化趨勢(shì)。采用各向同性強(qiáng)化準(zhǔn)則加之雙折線模型進(jìn)行模擬分析。

2.3 單元、網(wǎng)格、相互作用、邊界條件及地震波的輸入

建模單跨一榀三層結(jié)構(gòu)，阻尼器與框架及墻板近似采用Tie綁定鏈接，對(duì)所有節(jié)點(diǎn)限制平面外自由度。在Y方向上加載地震波。凝土密度取2500kg/m3，鋼筋、軟鋼阻尼器密度取7800kg/m3。為使結(jié)構(gòu)在地震作用下能夠進(jìn)入充分塑性，需加大地震響應(yīng)。加大地震響應(yīng)有兩種方法，一是提高結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，二是調(diào)整加大地震波。從提高結(jié)構(gòu)質(zhì)量的角度出發(fā)，考慮樓板自重及樓面恒、活荷載，將其等效成質(zhì)量加載在梁上。計(jì)算得每根梁需加19.2t集中質(zhì)量，如圖4所示。地震響應(yīng)分析中的地震波選取 EI Centro波，持續(xù)時(shí)間為20s。由于模型結(jié)構(gòu)剛度較大，按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]調(diào)幅結(jié)構(gòu)未能屈服，故調(diào)大地震波以考察結(jié)構(gòu)的屈服破壞形態(tài)。將El波峰值調(diào)至2000gal。為了考察裝配式耗能RC結(jié)構(gòu)體系的抗震及耗能能力，另設(shè)2個(gè)對(duì)照組，為框架墻板模型(模型編號(hào)M2)與純框架模型(模型編號(hào)M1)，建模方法與裝配式耗能RC結(jié)構(gòu)(模型編號(hào)M3)相同，如圖2所示。將調(diào)整好的地震波施加于三個(gè)模型底部。

(a)模型M1

3 結(jié)果分析

3.1 時(shí)程響應(yīng)結(jié)果分析

表1為三個(gè)模型的各層最大位移，圖3為M3(裝配式耗能RC結(jié)構(gòu)模型)的位移響應(yīng)時(shí)程?？梢娮枘崞髋cRC墻板的引入使得該結(jié)構(gòu)體系的抗震減震能力大大提高。在大震下裝配式耗能RC結(jié)構(gòu)能夠大大減小地震響應(yīng)，相對(duì)于M1模型第一、二、三層減震率分別為88.5%，86.3%，86.0%，相對(duì)于M2模型第一、二、三層減震率分別為64.4%，43.7%，40.3%，頂層最大相對(duì)位移的減震率分別為86.1%，47.6%。表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗震減震性能。并且從裝配式耗能RC結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)圖可以看出，從圖3可以發(fā)現(xiàn)裝配式耗能RC結(jié)構(gòu)模型的位移時(shí)程并沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的“漂移”現(xiàn)象，既結(jié)構(gòu)并未發(fā)生較大的不可恢復(fù)的塑性變形。

(a) 一層層間位移

3.2 分階段屈服分析

提取裝配式耗能RC結(jié)構(gòu)每層阻尼器的滯回曲線，如圖4所示。在該模型該加載方式下，層數(shù)越低，受力越大，一、二層阻尼器進(jìn)入塑性較充分，表現(xiàn)出良好的耗能能力。

(a)模型M1

提取混凝土部分的塑性積累應(yīng)變與鋼筋應(yīng)力s11如圖5所示。裝配式耗能RC結(jié)構(gòu)在激勵(lì)作用下一、二層混凝土積累相對(duì)多的塑性應(yīng)變，但數(shù)值仍然較小，只表現(xiàn)出輕微的塑性。一層的積累塑性受壓塑性應(yīng)變最高。對(duì)于一層來說，墻板的積累應(yīng)變明顯高于框架部分。鋼筋部分同樣是一層墻板鋼筋表現(xiàn)出輕微的塑性，而框架部分鋼筋距離其屈服點(diǎn)仍有較大差距，可以認(rèn)為均處于低應(yīng)力狀態(tài)。

(a) 20s時(shí)刻混凝土PEEQ圖

在該激勵(lì)作用下，一層阻尼器充分進(jìn)入塑性耗能，而墻板框架塑性程度均較低，但明顯墻板塑性程度高于框架，說明新型裝配式耗能RC結(jié)構(gòu)能夠滿足阻尼器→墻板→框架的屈服順序。

4 結(jié) 論

對(duì)比三個(gè)模型在El波下的響應(yīng)，可以發(fā)現(xiàn)：

(1)在El波作用下，墻板及阻尼器的加入能夠有效降低結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)、大大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震耗能能力。

(2)在El波作用下，裝配式耗能RC結(jié)構(gòu)一、二層阻尼器進(jìn)入了較為充分的耗能狀態(tài)，從混凝土的PEEQ圖及鋼筋的S11圖可以看到一層墻板混凝土及墻板鋼筋均已開始進(jìn)入了塑性階段，可以認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了阻尼器→墻板→框架的屈服順序，并且因?yàn)槠浜哪茉拇嬖冢艽蟪潭壬涎泳徚酥黧w框架進(jìn)入塑性。