地震作用下現(xiàn)澆與預(yù)制梁柱連接的差異分析

闞和順 （中國建筑第二工程局有限公司，北京 100000）

1 引言

近年來，預(yù)制混凝土（PC）建筑在我國蓬勃發(fā)展，并已成為傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土建筑的替代品[1]。政府部門也出臺了一系列政策，強制預(yù)制混凝土建筑在新建結(jié)構(gòu)中達(dá)到一定比例，從而促進預(yù)制混凝土建筑發(fā)展和建筑業(yè)轉(zhuǎn)型。目前預(yù)制混凝土主要用于建造一些低層工業(yè)廠房和臨時房屋，這類建筑物的抗震等級通常較低，因此對抗震性能的要求也較低[2]。預(yù)制方法滿足了此類建筑快速施工和節(jié)約成本的初衷，因此具有良好的適用性。但隨著我國近些年地震的發(fā)生，因此需要提高預(yù)制混凝土建筑的抗震等級[3]。預(yù)制混凝土建筑的抗震性能會受到預(yù)制部件連接行為的影響。在各種連接中，梁柱連接對框架結(jié)構(gòu)最為關(guān)鍵，這也是目前眾多研究人員研究的重點方向。目前，預(yù)制梁柱連接呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展趨勢，新的結(jié)構(gòu)形式不斷涌現(xiàn)。學(xué)者們經(jīng)常使用實驗研究來評估新的連接方法是否有潛力推廣到實際中運用[4]。相關(guān)的仿真方法和參數(shù)分析主要集中在預(yù)制結(jié)構(gòu)本身。然而，仿真節(jié)點中的非線性特性與現(xiàn)澆混凝土接頭不同，且這些差異對整個結(jié)構(gòu)的影響尚不清楚。

基于此，重點研究了預(yù)制節(jié)點和鋼筋混凝土節(jié)點非線性行為的差異，提出了兩種節(jié)點的無量綱滯回模型。并通過非線性靜力分析和動力時程分析，研究了不同結(jié)構(gòu)的抗震性能差異。根據(jù)分析結(jié)果，對預(yù)制框架的應(yīng)用提出了合理化建議。

2 結(jié)構(gòu)模型與非線性靜力分析

2.1 框架模型概述

為進一步了解強震作用下預(yù)制框架結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)在抗震性能上的差異，設(shè)計了具有代表性的框架結(jié)構(gòu)模型[5]。根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求[6]，抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計加速度為0.2g，特征場地周期為0.4s?？蚣艿牧⒚鎴D如圖1 所示，結(jié)構(gòu)設(shè)定為八層，每層高度為3.0m，梁跨度為6.0m。梁上的均布荷載來自梁上的填充墻荷載以及半跨（3.9m）樓板的恒荷載和活荷載，而接縫上的集中荷載來自縱向墻荷載。梁柱混凝土等級為C40，抗壓強度為26.8N/mm2。鋼筋類型為HRB400，屈服強度為400N/mm2，極限強度為540N/mm2。截面尺寸和配筋信息如表1 所示。在非線性模型中，梁鉸鏈和柱鉸鏈都設(shè)置在桿件末端。梁鉸鏈的承載力骨架通過分段加固計算，以定義彎曲彈簧并分配相應(yīng)的滯后規(guī)則，而柱鉸鏈采用P-M2-M3 鉸鏈。

表1 框架截面鋼筋

圖1 框架荷載和鉸鏈布置位置

如表2 所示，考慮了三種結(jié)構(gòu)形式的七種非線性行為。作為參考，鋼筋混凝土節(jié)點具有良好的性能指標(biāo)。對于PCE接頭，若屈服早，則承載力下降會更早?？紤]到PCE 節(jié)點的承載能力不足，應(yīng)將其骨架曲線的彎矩減少20%，從而獲得PCE-S 節(jié)點。同時考慮到PCE 節(jié)點的延性不足，應(yīng)將旋轉(zhuǎn)角度減小到0.025，從而獲得PCE-D 接頭。PCH 接頭設(shè)計為當(dāng)接頭屈服時，耗能鋼筋的彎矩比例約為30%。且考慮到鋼筋的脆性斷裂，認(rèn)為當(dāng)轉(zhuǎn)角達(dá)到0.02 時，PCH 節(jié)點的耗能鋼筋將全部失效，失效后節(jié)點將失去耗能能力，只有預(yù)應(yīng)力筋工作。由于PCH 節(jié)點耗能鋼筋配置率不足，因此設(shè)計了一種非線性彈性PCH-T 節(jié)點，其參數(shù)與PCH 節(jié)點相同，但不具有耗能能力。

表2 結(jié)構(gòu)連接形式

2.2 靜力彈塑性分析

為了掌握結(jié)構(gòu)的整體力-位移行為，首先對每個框架進行Pushover 分析。采用倒三角形分布的側(cè)向荷載，并考慮了結(jié)構(gòu)的P-Δ 效應(yīng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的總位移角（頂部位移與總高度的比值）達(dá)到1/25時，停止加載。

為了比較不同結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性結(jié)果，引入了四個特征點。①屈服點。當(dāng)達(dá)到屈服點時，表明整個結(jié)構(gòu)開始屈服[7]。同時本文采納了其他學(xué)者的建議，并使用最遠(yuǎn)點法確定結(jié)構(gòu)的屈服點。②極限點。當(dāng)結(jié)構(gòu)中任何樓層的位移角達(dá)到1/50（規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的變形極限）時，極限點為靜力彈塑曲線上的對應(yīng)點。③坍塌點。即承載力降至極限點80%時的對應(yīng)點，用于評估結(jié)構(gòu)的延性能力。④柱屈服點。當(dāng)塑性鉸首次出現(xiàn)在柱上時，它是推覆曲線上的對應(yīng)點。各種結(jié)構(gòu)的推覆曲線和特征點如圖2所示。

圖2 框架靜力彈塑曲線

根據(jù)屈服前剛度，模擬框架在受設(shè)計地震作用后會出現(xiàn)較低的二次剛度，在連接強度不足的情況下尤其明顯。這是由于模擬連接中梁端界面的過早開裂。因此，在設(shè)計這類預(yù)制框架時，必須使結(jié)構(gòu)提前達(dá)到一定強度[8]，否則，在設(shè)計地震作用下，結(jié)構(gòu)會發(fā)生破壞，增加地震后的修復(fù)成本。計算PCE-S 框架的超強系數(shù)Rs(如式1 所示)，其中Vp為峰值承載力，Vd為設(shè)計地震力，設(shè)定為2.16，因此，建議仿真框架的超強系數(shù)至少為2。

通過觀察各種結(jié)構(gòu)的屈服點，可以發(fā)現(xiàn)仿真框架在現(xiàn)澆框架之前屈服，而PCE-S 框架的節(jié)點強度降低導(dǎo)致結(jié)構(gòu)屈服較早。因此，在根據(jù)強柱和弱梁原理進行設(shè)計時，框架結(jié)構(gòu)的屈服由梁控制，而梁在仿真框架中的早期屈服會延遲結(jié)構(gòu)柱的屈服。對于極限點，每個框架的位移值相對接近[9]。模擬框架極限點處的承載力不同程度的降低，這是由于框架梁的強度不斷退化造成的。非仿真框架的承載力在極限點略高，但此時，由于鋼筋的脆性斷裂，PCH-F 框架的承載力降低。當(dāng)斷裂發(fā)生時，結(jié)構(gòu)的整體位移角約為1.5%，遠(yuǎn)低于設(shè)定的斷裂關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角（2.0%）。因此，在設(shè)計非仿真框架時應(yīng)注意能量耗散鋼筋的延展性。通過比較結(jié)構(gòu)的倒塌點，可以發(fā)現(xiàn)模擬框架的延性儲備能力大大降低。當(dāng)節(jié)點的延展性小于2.5%時，結(jié)構(gòu)將在極限點后迅速倒塌。因此，建議整體預(yù)制接縫至少能夠達(dá)到2.5%的旋轉(zhuǎn)角度。

2.3 結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)

為了解不同預(yù)制框架的動態(tài)響應(yīng)特征，采用直接積分法進行了罕遇地震（PGA 為400gal）和極罕見地震（PGA 為600gal）下的動態(tài)時程分析。如果某一樓層的層間位移超過上述特征點C 的轉(zhuǎn)角值，則該結(jié)構(gòu)將被視為倒塌。在罕見的地震中，只有PCE-D 框架在第1 次地震作用下倒塌，因此節(jié)點延性的降低將對結(jié)構(gòu)造成最不利的影響。圖3（a）、（c）繪制了罕見地震中2～8 次地震作用下每個框架的平均最大樓層位移。與鋼筋混凝土框架相比，仿真框架上層的變形顯著增加，而非仿真框架各層的變形普遍增加，其峰值位移響應(yīng)高于仿真框架。在極為罕見的地震中，PCE-D 框架在1～3 次地震作用下倒塌，PCH-F 框架在1 次和2 次下倒塌。所有預(yù)制框架在第1 次下的位移超過規(guī)范規(guī)定的1/50。圖3（b）、（d）顯示了極為罕見地震中4～8次地震作用下每個框架的平均最大樓層位移，各結(jié)構(gòu)的最大層間位移呈現(xiàn)出相似的規(guī)律。因此，對于模擬框架，應(yīng)注意上部結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)，對于非模擬框架，則應(yīng)注意結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在樓板變形下的損壞。

圖3 罕見和極罕見地震下的最大樓板位移分布

2.4 討論

本文提出的兩類典型現(xiàn)澆混凝土節(jié)點的非線性分析模型是大量實驗工作的結(jié)果，因此具有普遍的代表性。在非線性分析中，充分考慮了現(xiàn)澆混凝土節(jié)點的退化效應(yīng)。雖然部分參數(shù)是經(jīng)驗定義的，但本文的分析方法和結(jié)果仍具有重要的參考價值。工程設(shè)計人員可以將這種方法擴展到實際三維現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的非線性分析。

3 結(jié)論

本文研究了典型預(yù)制節(jié)點和現(xiàn)澆混凝土節(jié)點兩種非線性行為的差異，并分析了這些差異對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。通過研究和分析得出以下主要結(jié)論。

①仿真連接節(jié)點與現(xiàn)澆節(jié)點的主要區(qū)別是會較早開裂，導(dǎo)致承載力過早退化，這主要是由于預(yù)制節(jié)點的梁柱節(jié)點處存在新老混凝土界面。采用無量綱骨架模型可以很好地描述仿真連接節(jié)點與鋼筋混凝土節(jié)點之間的非線性行為差異。

②從力-變形關(guān)系的角度來看，預(yù)制框架與現(xiàn)澆混凝土框架的主要區(qū)別在于峰值承載力的大小和超出極限點承載力的下降速度，建議在設(shè)計中模擬框架的最小超強系數(shù)應(yīng)為2。

③與現(xiàn)澆混凝土框架相比，仿真框架上層的位移響應(yīng)顯著增加，非仿真框架各樓層的位移響應(yīng)普遍增加。與承載力不足相比，節(jié)點延展性不足會對結(jié)構(gòu)的抗塌陷性造成最不利的影響。