預(yù)制裝配式分體柱框架抗震性能研究

戈瑞瑞，周本強(qiáng)，胡 杰，賀宇軒，劉方成，賓 佳

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

1 研究背景

鋼筋混凝土（RC）框架結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式。震害調(diào)研和模型試驗(yàn)表明，框架柱的延性不足是造成RC框架結(jié)構(gòu)震害的重要原因[1-2]，因此，研究如何提高框架柱的延性對于RC抗震框架具有重要意義。

分體柱的概念由郝永昶等[3]提出，指通過分隔縫將整體柱的框架柱在柱身范圍內(nèi)分割而成等截面柱束，從而提高柱子的延性及變形能力。李忠獻(xiàn)等[4]通過試驗(yàn)及有限元分析，得出分體柱軸壓比等參數(shù)的設(shè)計(jì)意見，并且證實(shí)分體柱應(yīng)用于框架結(jié)構(gòu)具有可行性。尤鴻珺等[5]通過有限元模擬對分體柱在側(cè)向荷載作用下的彈塑性進(jìn)行分析，研究得出分體柱側(cè)向剛度較整體柱小，但延性明顯高于整體柱。毛念華[6]通過有限元模擬地鐵車站中的框架柱與分體柱，對其進(jìn)行時(shí)程分析，研究得出分體柱可通過降低承載力的方式大大提高柱子的延性。綜上所述，相比于現(xiàn)澆RC整體柱，現(xiàn)澆RC分體柱的延性和變形能力可顯著提高，而抗彎抗剪承載能力僅有小幅降低甚至基本不變。

分體柱框架具有優(yōu)良的抗震潛力，然而，在現(xiàn)澆施工方式下，由于模板支設(shè)、鋼筋綁扎等方面的困難，其施工難以實(shí)現(xiàn)。為了改善傳統(tǒng)建筑生產(chǎn)模式消耗過多能源、產(chǎn)生大量建筑廢物等不足，裝配式建筑將是發(fā)展趨勢。谷偉等[7]提出一種新型梁柱節(jié)點(diǎn)形式，研究表明這種新型梁柱節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆柱節(jié)點(diǎn)的耗能能力接近，可運(yùn)用于抗震結(jié)構(gòu)中。Zhang R.J.等[8]對裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)澆梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，研究表明了干式連接梁柱節(jié)點(diǎn)可將損傷區(qū)域集中于鋼連接件上，使建筑可恢復(fù)性提高。Li Z.H.等[9]提出了一種預(yù)制梁柱鋼節(jié)點(diǎn)，通過循環(huán)荷載試驗(yàn)研究其抗震性能，得出這種鋼節(jié)點(diǎn)較整體節(jié)點(diǎn)具有更強(qiáng)的耗能能力。H.H.Ghayeb等[10]提出了一種新型混合預(yù)制RC梁柱連接形式，在強(qiáng)震下其混合式連接形式有較好的抗震性能。Ding K.W.等[11]提出了一種基于螺栓連接的預(yù)制混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)，結(jié)果表明通過螺栓連接的預(yù)制節(jié)點(diǎn)具有較好的抗震性能，可以提高施工效率，同時(shí)也有助于災(zāi)后修復(fù)。Guan D.Z.等[12]提出使用超高性能混凝土UHPC（ultra-high performance concrete）殼來增強(qiáng)預(yù)制混凝土柱，結(jié)果表明這種預(yù)制柱可以減少柱腳損傷，提高抗震性能。Yang C.T.等[13]提出了一種干式連接旋轉(zhuǎn)摩擦耗散梁柱節(jié)點(diǎn)，研究得出這種連接方式具有構(gòu)造簡單、抗震性能優(yōu)良的特性。由此可見，干式連接裝配式分體柱框架結(jié)構(gòu)具有較好的發(fā)展前景，其抗震性能值得深入研究?；谘b配式建筑的發(fā)展背景，劉方成等[18]提出在柱中節(jié)點(diǎn)和柱端節(jié)點(diǎn)處對分體柱進(jìn)行錯(cuò)位搭接，通過鋼套筒實(shí)現(xiàn)柱-柱連接，研究裝配式分體柱結(jié)構(gòu)的抗震性能?；诖?，本文應(yīng)用三維數(shù)值有限元方法，針對裝配式分體柱框架與整體柱框架的地震響應(yīng)和損傷分布差異展開探討，以期為后續(xù)研究應(yīng)用提供參考。

2 模型建立

以某三層兩跨的標(biāo)準(zhǔn)RC框架模型為目標(biāo)，建立常規(guī)整體柱RC框架和裝配式分體柱框架，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如圖1所示，有限元總體模型如圖2所示。

圖1 整體柱框架和分體柱框架平面圖Fig.1 Plane view of integral and split column frames

圖2 整體柱框架和分體柱框架總體模型示意圖Fig.2 Overall model of integral column frame and split column frame

在兩個(gè)對比模型中，由圖1～2可知，整體框架柱截面尺寸為600 mm×600 mm，分體柱由3×3個(gè)200 mm×200 mm的標(biāo)準(zhǔn)小柱組成，其總凈截面尺寸為600 mm×600 mm。

RC框架整體柱和分體柱的設(shè)計(jì)配筋保證縱筋配筋率和箍筋配筋率相同。分體柱梁柱節(jié)點(diǎn)處采用Q345鋼套筒連接，套筒外圍及內(nèi)隔鋼板厚度均為10 mm，套筒橫截面尺寸為640 mm×640 mm，總高度為610 mm，鋼套筒的詳細(xì)尺寸及分體柱框架節(jié)點(diǎn)的安裝形式如圖3所示。

圖3 分體柱框架節(jié)點(diǎn)詳圖Fig.3 Detailed drawing of split column frame nodes

框架梁截面尺寸為250 mm×610 mm，為排除干擾因素，暫不考慮梁柱連接對節(jié)點(diǎn)受力性能的影響，因此假設(shè)梁為勻質(zhì)剛性梁且與套筒剛性連接。

對以上框架模型在ABAQUS有限元軟件中進(jìn)行三維實(shí)體建模，其中分體柱與鋼套筒的連接形式采用接觸連接，摩擦系數(shù)取0.35，法向力設(shè)為“罰”。

3 材料特性

混凝土采用ABAQUS中內(nèi)嵌的塑性損傷模型[15]，該模型以混凝土的拉伸開裂和壓縮壓碎為破壞特征并定義損傷因子。在ABAQUS中，相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：應(yīng)力比KC=0.67，膨脹角ψ=30°，雙軸與單軸受壓初始屈服應(yīng)力比值σb0/σc0=1.16，偏心率e=0.1，黏性系數(shù)ν=0.000 1。鋼材采用三折線硬化彈塑性模型，其中Q345鋼套筒的屈服強(qiáng)度為345 MPa，柱縱向鋼筋HRB400的屈服強(qiáng)度為400 MPa，極限強(qiáng)度均為540 MPa。

材料彈性常數(shù)取值見表1。

表1 材料屬性Table 1 Material properties

4 輸入地震波

本次模擬試驗(yàn)采用El Centro地震波及四川長寧地震波進(jìn)行地震分析，其特性如表2所示。地震波輸入模型前，將地震波數(shù)據(jù)采用“歸一化”處理[16]，即對地震波幅值進(jìn)行調(diào)整，換算成不同烈度的地震波數(shù)據(jù)，并截取加速度波動(dòng)幅度最強(qiáng)烈的時(shí)間區(qū)段，兩種波的加速度時(shí)程和頻譜特征曲線如圖4所示。

表2 地震波特性Table 2 Seismic wave characteristics

圖4 El Centro波和四川長寧波的加速度時(shí)程及頻譜特性曲線Fig.4 El Centro waves and acceleration time history and spectral characteristics of Changning, Sichuan

5 結(jié)果分析

5.1 加速度響應(yīng)

通過輸入不同烈度El Centro地震波進(jìn)行數(shù)值模擬，兩種框架結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)曲線如附圖1所示。由附圖可知：1）隨著層數(shù)增高，整體柱框架與分體柱框架的加速度響應(yīng)幅值都有逐漸增大的趨勢；2）隨著地震波加載時(shí)間的推進(jìn)，兩種框架的加速度響應(yīng)曲線在0～6 s區(qū)段波動(dòng)激烈，而整體柱框架在25～28 s區(qū)段再次出現(xiàn)明顯波動(dòng)，分體柱后期較為穩(wěn)定；3）在8、9度地震波作用下，分體柱框架的加速度峰值大于整體柱框架?？傮w上，整體柱的加速度響應(yīng)幅值大部分大于分體柱，在高烈度下會出現(xiàn)分體柱框架的加速度峰值更大的現(xiàn)象。這是由于分體柱有較好的變形能力，地震波在逐步向上層傳輸?shù)倪^程中地震能量逐漸被分體柱消耗，因而使加速度響應(yīng)幅值更趨于穩(wěn)定。但因分體柱框架結(jié)構(gòu)長細(xì)比大，自身具有較好柔性的特點(diǎn)使其不便用于軟質(zhì)場地。

以不同烈度的形式輸入四川長寧地震波，兩種框架結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)曲線如附圖2所示。由附圖可知：1）分體柱框架的加速度在不同地震烈度及不同樓層數(shù)上都明顯小于整體柱框架的加速度；2）在輸入的地震波加速度幅值較大的時(shí)間段內(nèi)，整體柱框架的輸出加速度曲線波動(dòng)也十分明顯，而分體柱框架的加速度在此區(qū)段內(nèi)沒有發(fā)生幅值激增的現(xiàn)象，曲線較為平緩，耗能效果顯著。在高頻地震波作用下，分體柱框架具有良好延性的特點(diǎn)得到充分體現(xiàn)，抗震能力更強(qiáng)，有效緩解了地震作用，可見分體柱框架更適用于此類地震波頻發(fā)地區(qū)。

5.2 位移響應(yīng)

5.2.1 位移響應(yīng)曲線

輸入不同烈度的El Centro地震波及四川長寧地震波進(jìn)行數(shù)值模擬，兩種框架結(jié)構(gòu)的各層位移響應(yīng)曲線如附圖3～4所示。由附圖可知，隨著層數(shù)的增加及地震烈度的增大，整體柱框架和分體柱框架的位移響應(yīng)幅值均有增加，且分體柱增加得更明顯?？傮w上可知，分體柱框架的位移響應(yīng)幅值明顯大于整體柱框架的，其主要原因?yàn)閷⒄w柱劃分為等尺寸的分體柱，其長細(xì)比增大、延性增強(qiáng)、側(cè)向剛度減小，分體柱在水平地震作用下位移幅值較整體柱更大。

5.2.2 位移峰值曲線

圖5、6給出了兩種地震波不同烈度下整體柱框架和分體柱框架各層峰值位移對比曲線。由圖5、6可清晰得知：1）分體柱框架在各個(gè)烈度下的位移峰值均明顯高于整體柱框架，是整體柱框架的2～5倍；2）隨著層數(shù)增高，在El Centro地震波作用下，分體柱框架的首層峰值位移增長速度較快，2、3層的位移增長相對首層變緩，整體柱框架的位移增長均較緩，但在四川長寧波作用下整體柱框架出現(xiàn)3層位移增長變快的現(xiàn)象，且分體柱框架與整體柱框架的位移相差相對較小。由此可見，在地震作用下分體柱框架的變形能力更強(qiáng)，尤其是首層的位移峰值增長速度相對于其他層更快，即首層發(fā)揮了較大的減震耗能作用，并再次印證分體柱框架適用于高頻地震波頻發(fā)地區(qū)。

圖5 El Centro波不同烈度下各層峰值位移對比曲線Fig.5 Contrast curves of peak displacement of each layer under different intensities of El Centro waves

圖6 四川長寧波不同烈度下各層峰值位移對比曲線Fig.6 Comparison curves of peak displacement of each layer under different intensities in waves of Changning, Sichuan

5.3 層間位移曲線

通過峰值位移曲線可得出整體柱框架和分體柱框架在不同烈度下的層間位移，根據(jù)規(guī)范要求，混凝土框架結(jié)構(gòu)層間位移角最大限值比例為1/550，計(jì)算得到框架結(jié)構(gòu)的層間位移限值。

進(jìn)一步分析兩種框架結(jié)構(gòu)的位移變化差異，結(jié)果如圖7～8所示。由圖可知：1）在El Centro波作用下分體柱框架層間位移均大于整體柱框架的層間位移，而四川長寧波作用下分體柱框架第三層的層間位移小于整體柱框架；2）分體柱框架首層層間位移均增長迅速，2、3層層間位移呈明顯下降趨勢，整體柱框架1、2層位移呈增長趨勢；3）整體柱框架只在9度下有略微超過規(guī)范限值的現(xiàn)象，但分體柱框架的層間位移在高烈度地震作用下明顯超過限值。

圖7 El Centro波不同烈度下各層層間位移對比曲線Fig.7 Comparison curves of inter-story displacement under different intensities of El Centro waves

圖8 四川長寧波不同烈度下各層層間位移對比曲線Fig.8 Comparison curves of inter-story displacement at different intensities in waves of Changning, Sichuan

由此可見，整體柱因其剛度較大，在對抗地震反應(yīng)時(shí)位移受地震波影響較分體柱小，分體柱框架雖然延性好，但同時(shí)也會帶來位移過大的問題，且較為明顯的是地震作用對分體柱的首層位移影響明顯。因此有必要在后期加入帶有耗能作用的層間支撐，以實(shí)現(xiàn)在耗能的同時(shí)達(dá)到層間位移滿足使用要求的目的。

5.4 基底剪力曲線

圖9為整體柱框架模型和分體柱框架模型在不同烈度下的基底剪力。

圖9 兩種地震波在不同烈度下的基底剪力Fig.9 Base shear force of two seismic waves under different intensities

由圖9可分析兩種框架模型的基底承載力影響情況，進(jìn)一步對比得出兩種框架結(jié)構(gòu)的差異，可知：1）無論是在El Centro地震波還是四川長寧地震波作用下，整體柱框架的基底剪力都比分體柱框架的基底剪力要大；2）地震波烈度越大，整體柱框架與分體柱框架的基底剪力差值越大，El Centro地震波作用下的兩種框架結(jié)構(gòu)差值大多更為明顯，且在9度地震波作用下整體柱框架的基底剪力增長較大；3）El Centro地震波作用下的框架基底剪力普遍大于長寧地震波作用下的框架基底剪力。這些結(jié)果表明，分體柱較好的延性及耗能能力可以有效緩和地震作用的影響，減小結(jié)構(gòu)的基底剪力，達(dá)到減震效果。

5.5 框架柱結(jié)構(gòu)損傷

在水平地震作用下，混凝土先出現(xiàn)受拉損傷，通過受拉損傷因子的數(shù)值表示模型的損傷程度，從0至1代表無損傷至完全損傷[17]，結(jié)果見表3～4。表3給出了El Centro地震波作用下整體柱和分體柱的結(jié)構(gòu)損傷云圖。由表3可知：1）在烈度為6度時(shí)，整體柱損傷破壞區(qū)域主要集中在柱頂及梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)，分體柱無損傷；2）在烈度為7度時(shí)，整體柱損傷破壞區(qū)域主要集中在中心柱的所有梁柱節(jié)點(diǎn)處且破壞明顯，分體柱開始在梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)出現(xiàn)損傷；3）在烈度為8度時(shí)，整體柱大部分梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)以及柱底部發(fā)生破壞，分體柱節(jié)點(diǎn)破壞加深，在水平地震施加方向的邊列柱底部出現(xiàn)破壞；4）在烈度為9度時(shí)，整體柱和分體柱的損傷面積均有擴(kuò)大，整體柱的梁柱節(jié)點(diǎn)破壞十分明顯，分體柱的梁柱節(jié)點(diǎn)破壞加劇且底層柱的破壞明顯。

表3 EI Centro地震波不同烈度作用下柱體框架結(jié)構(gòu)損傷云圖Table 3 Damage nephogram of column frame structures under different intensities of El Centro seismic waves

表4給出了四川長寧地震波作用下整體柱和分體柱的結(jié)構(gòu)損傷云圖。由表4可知：1）在烈度為6度時(shí)，整體柱依舊在梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域開始出現(xiàn)破壞，分體柱無損傷；2）在烈度為7度時(shí)，整體柱在梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)破壞加劇，分體柱依舊無損傷；3）在烈度為8度時(shí)，整體柱框架除梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)出現(xiàn)明顯損傷外，首層柱底也出現(xiàn)損傷，分體柱框架梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)開始出現(xiàn)損傷；4）在烈度為9度時(shí)，整體柱框架柱底損傷加劇，且梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域破壞明顯，分體柱框架依舊只在節(jié)點(diǎn)區(qū)出現(xiàn)損傷。

表4 四川長寧地震波不同烈度作用下柱體框架結(jié)構(gòu)損傷云圖Table 4 Structure damage nephogramof column frame structures under different intensities of earthquake waves in Changning Sichuan

總體而言，整體柱的損傷面積較分體柱要大，尤其是梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域的損傷程度差異明顯。結(jié)果表明鋼套筒對框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)區(qū)域有約束保護(hù)作用，增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)部位的剛度，改善分體柱剛度較低的問題，提升整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

通過以上分析可得如下結(jié)論：1）裝配式分體柱框架結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)大部分小于現(xiàn)澆整體柱框架結(jié)構(gòu)，且在四川長寧地震波作用下兩者的加速度差異更加明顯，突出裝配式分體柱框架結(jié)構(gòu)具有良好延性的優(yōu)勢，但分體柱框架在9度El Centro地震波作用下出現(xiàn)加速度峰值超過整體柱框架的現(xiàn)象，說明裝配式分體柱框架結(jié)構(gòu)更適用于硬質(zhì)場地，后續(xù)通過選用不同場地類別的地震波來對分體柱框架結(jié)構(gòu)適用場地進(jìn)行深入分析。2）裝配式分體柱框架因剛度較小，其位移響應(yīng)均大于現(xiàn)澆整體柱框架。分體柱框架結(jié)構(gòu)的層間位移出現(xiàn)超限現(xiàn)象，且裝配式分體柱框架首層位移較大，關(guān)于減小該結(jié)構(gòu)首層位移的方法有待后續(xù)研究。3）裝配式分體柱框架基底剪力均小于整體柱框架，且地震烈度越大，兩種框架結(jié)構(gòu)的基底剪力差距越明顯，可見裝配式分體柱框架結(jié)構(gòu)的耗能能力更強(qiáng)。4）隨著地震波烈度增大，兩者的混凝土損傷面積均增大，在相同烈度下，裝配式分體柱框架結(jié)構(gòu)的損傷面積小于現(xiàn)澆整體柱框架。且現(xiàn)澆整體柱框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)損傷區(qū)域較多，裝配式分體柱框架鋼套筒內(nèi)的節(jié)點(diǎn)部位損傷不明顯，證明鋼套筒能對框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)起到保護(hù)作用。