震损可原位修复组合柱抗震性能

黄婷婷， 郭子雄,2， 刘阳,2， 黄群贤,2， 吕英婷

(1. 华侨大学 土木工程学院， 福建 厦门 361021；2. 福建省结构工程与防灾重点实验室， 福建 厦门 361021)



震损可原位修复组合柱抗震性能

黄婷婷1， 郭子雄1,2， 刘阳1,2， 黄群贤1,2， 吕英婷1

(1. 华侨大学 土木工程学院， 福建 厦门 361021；2. 福建省结构工程与防灾重点实验室， 福建 厦门 361021)

采用ABAQUS建立新型组合柱的有限元模型，对组合柱低周往复荷载作用下的全过程进行数值仿真，分析新型组合柱的受力机理.研究表明：按照“强柱弱阻尼”理念合理设计的新型组合柱具有良好的抗震性能；大位移角下塑性变形集中于软钢阻尼器，能有效地控制结构的损伤部位，并实现震后的快速原位修复.

组合柱; 性能可恢复; 原位修复; 抗震性能; 有限元分析

在结构工程领域和可持续发展领域，抗震建筑结构损伤部位的可控性和良好受力性能的要求能够有效控制结构的损伤程度，并成为今后性能化抗震设计的重要内容[1].结构震后损伤的快速修复和建筑功能的快速恢复越来越得到结构工程领域专家学者的重视，并开展了大量的研究工作[2-5].对于RC(reinforced concrete)框架在较大地震作用下，按现行抗震规范设计的梁铰机构框架仍不可避免地会在底层柱下端出现塑性铰，震后难以修复或修复难度大、成本高，周期长.课题组针对RCS(reinforced concrete column to steel beam)混合结构[7-9]或RC框架结构的底层RC柱脚，提出了两种新型装配式震损可更换组合柱拼装节点构造[10]，完成了9个大比例组合柱试件的低周反复加载试验[11].研究表明：新型组合柱试件损伤部位集中于可更换消能件处，实现了预期的破坏模式和快速修复功能.为进一步优化RC柱脚可替换构造，本文在课题组前期研究的基础上提出一种带软钢阻尼器的新型组合柱脚[12].

图1 可原位修复组合柱脚构造示意图Fig.1 Structure of repairable-on-site composite column

1 新型组合柱简介

1.1 构造及工艺

为改善框架结构柱脚的受力性能，提高其装配施工的适应性，实现震损框架柱脚的原位修复，提出一种可原位修复的带位移型软钢阻尼器的新型组合柱构造形式，如图1所示.组合柱脚主要由柱脚钢板桶、软钢阻尼器和与之相应的T型连接板组成.

钢板桶与混凝土柱浇筑成为一整体，其内侧设置有栓钉，内嵌于钢筋混凝土柱上，可用于抵抗钢板桶所受到的剪力和掀起力；连接板T型头部固定安装在地梁上，外侧设置有三角形加劲肋，可以提供连接板水平方向的抗剪强度；软钢阻尼器通过摩擦型高强度螺栓连接，便于拆卸安装；同时，在满足结构刚度需求的前提下，软钢板上开设的长槽为结构提供良好的耗能能力.新型组合柱脚构造可置于建筑地面以下，并不影响建筑的正常使用.

在大地震作用下，当新型组合柱柱脚遭受较大损害时，只需将软钢阻尼器拆卸替换.阻尼器位于柱子周边，可以很方便地实现原位替换.

1.2 受力机理

在竖向荷载作用下，轴力通过RC柱及柱脚钢板桶传递至地梁，软钢阻尼器不参与受力；在水平荷载作用下，通过柱身产生侧向倾斜，由柱脚钢板桶带动软钢阻尼器的耗能板产生竖向平面内的剪切变形，并提供柱脚抗弯承载力.软钢阻尼器耗能板屈服产生较大的塑性变形，吸收并耗散大部分的地震能量，保护RC柱脚组合柱不受损坏，从而保证结构竖向承载力的稳定性.

小震时，合理设计的软钢耗能板通过平面内受力，提供足够的强度和较大的初始刚度，各构件均处于弹性状态，保证结构在正常使用状态下的完好功能.

大震时，柱脚转动超过弹性变形极限，软钢阻尼器发生剪切屈服，在保证柱脚受弯承载力不降低的前提下,消耗地震能量，很好地保护结构柱不发生破坏，保证结构不发生倒塌.

2 组合柱承载力计算

强柱弱阻尼的设计是保证新型组合柱损伤可控和震坏可修复的前提.软钢阻尼器的屈服强度(Vy)，极限强度(Vu)设计及变形(δy)计算[13]分别为

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中：n为单片软钢阻尼器中板带的数目；B为板带的宽度；t为软钢阻尼器的厚度；H′=H+2r2，H为板带的高度；HT为板带的总高.

软钢阻尼器设计，如图2所示.新型组合柱的受力分析简图，如图3所示.

柱脚钢板桶内混凝土存在一定的受压区，考虑柱顶轴力形成抗倾覆力矩的有利影响(暂不考虑软钢阻尼器水平轴力的影响)，柱脚抗弯承载能力为M=MVDV1+MN,MVDV1=VDV1l1+VDV2l2,MN=N(b-x)/2.其中：M为柱脚承担的总弯矩；x为受压区混凝土合力点到较近柱外边缘的距离；b为柱截面高度；l1和l2为两边阻尼器板带高度中心到柱脚中和轴的距离.

图2 软钢阻尼器设计 图3 新型组合柱受力分析Fig.2 Design of mild steel damper Fig.3 Mechanical analysis of the composite columns

3 有限元模型的建立

为研究新型组合柱的抗震性能，采用有限元分析程序ABAQUS对其进行有限元模拟，使用ABAQUS/Standard分析模块，三维实体建模.

3.1 试件设计

有限元模型(finite element model，FEM)模拟共设计3个新型组合柱试件，考虑轴压比的影响，对新型组合柱的受力性能、破坏形态及滞回特性等进行研究.试件几何尺寸、截面配筋,如图4所示.图4中：软钢阻尼器采用Q235；厚度为12 mm.材料性能,如表1所示.表1中：d为钢筋直径；fy为屈服强度；Es为弹性模量；ε为屈服应变.

图4 试件尺寸及配筋Fig.4 Dimension and reinforcement of specimen

混凝土采用C30混凝土；立方体抗压强度取fcu=30 MPa；柱纵筋采用HRB400级钢筋；箍筋为HPB300级钢筋；连接螺栓采用10.9级M20高强度螺栓；水平力合力点(反弯点)距地梁顶部1 400 mm；令试件的设计轴压比为n=N/(fcA)，其中，n分别为0.1,0.3,0.5，N为设计轴力，N=1.25Nk，Nk为模型实际轴压力.

图5 试件有限元模型Fig.5 FEM modal

材料d/mmfy/MPaEs/MPaεyQ235122352．05×1050．0011M10．9209002．10×1050．0043纵筋204002．10×1050．0019箍筋83002．00×1050．0015

3.2 FEM模型

FEM模型，如图5所示.图5中：地梁底面为固端约束；地梁顶面与RC柱底面为摩擦面接触；RC柱上端为自由端.混凝土柱与组合柱脚钢构件采用八结点线性六面体减缩积分单元(C3D8R)模拟，钢筋采用两节点线性三维桁架单元(T3D2).将开有洞口的钢构件设为六面体扫掠网格.为避免应力集中，在支座及加载位置处增设弹性垫块.

3.2.1 材料本构 混凝土采用ABAQUS中的混凝土损伤塑性模型，主要的破坏形态为混凝土受压压溃与受拉开裂；采用的混凝土损伤塑性模型流动法则为非关联流动法则；塑性势面采用Drucker Prager双曲线函数.混凝土本构关系受压行为采用Saenz模型[14]，受拉行为采用过镇海建议的受拉应力-应变全曲线方程[15].钢材的本构关系采用理想弹塑性模型，泊松比为v=0.3.

3.2.2 边界条件及加载方式 新型组合柱试验模拟采用柱端(反弯点)加载方式.加载时，轴力先以面荷载的形式施加于柱顶刚性加载板，并保持恒定.然后,再对柱端施加水平荷载.水平荷载以位移的形式施加，共进行5个位移角的施加，分别为1/200，1/100，1/50，1/30，1/25，每个位移角循环一次.

3.2.3 接触设置与预应力的施加 新型组合柱中软钢阻尼器螺栓和连接板的界面模型处理是合理模拟其力学性能的关键.接触界面模型中，法线方向使用硬接触，使法向应力能够在界面间传递；切线方向使用罚函数库伦摩擦模型，摩擦系数为0.45(模拟接触面采用喷砂处理)[16]，并在螺杆和孔壁的弧形接触中使用自动平滑3D几何表面.

螺栓的预紧力通过对螺杆采用降低温度场的方法来施加，其中，钢材的热膨胀系数取α=1.2×10-5[14].对于实际的焊接，在有限元模型中采用绑定约束模拟；同时，为简化分析，柱脚钢板桶和钢筋通过Embedded方式嵌入混凝土柱中；T型连接板和地梁简化为绑定约束.

图6 可原位组合柱脚破坏形态Fig.6 Failure mode of repairable-on-site composite column

4 FEM模拟结果及分析

4.1 破坏形态

采用强柱弱阻尼理念设计新型组合柱试件,其破坏形态均为软钢阻尼器破坏，典型的破坏形态,如图6所示.塑性变形集中于软钢阻尼器，大面积进入塑性屈服状态；钢筋混凝土柱和其他钢构件则基本处于弹性受力阶段.由图6可知：新型组合柱的连接构造可有效避免RC柱产生不可修复的损伤.

4.2 滞回性能

金属材料进入塑性状态后仍具有良好的滞回特性，试件加载端水平荷载(P)-位移(Δ)滞回曲线，如图7所示.新型组合柱试件展现了稳定的承载能力和良好的滞回耗能能力，滞回曲线饱满.曲线在水平位移零点左右存在着一定的捏缩现象，取1/25位移角及下一个循环的曲线对滞回特点进行说明.新型组合柱脚在轴力N和水平力P作用下，软钢阻尼器产生竖向剪力VDV和水平拉压力VDH，RC柱底面反力RFV分布于柱底边缘.当试件位于A点时，VDV1达到峰值，VDV2略小于VDV1，两边阻尼器都处于屈服状态，试件承载力达到最大；逐渐卸载至B点时，软钢阻尼器所受剪力慢慢减小，直至反向慢慢增大，因而水平力P随着逐渐减少甚至反向；反向加载至C点时，VDV达到强化阶段，水平力增加缓慢，柱脚钢板桶和地梁的接触点也慢慢转移至对边，弯矩方向发生改变，且因新型柱脚对边缘抬起，C点到D点水平荷载增速加快，表现为刚度的突增.

(a) RCC-1 (b) RCC-2 (c) RCC-3图7 试件P-Δ滞回曲线Fig.7 P- Δ hysteretic curves of specimens

图8 试件P-Δ骨架曲线Fig.8 P-Δ skeleton curves of specimens

各新型组合柱试件的荷载位移骨架曲线对比，如图8所示.由图8可知:由于新型组合柱在水平荷载作用下的塑性变形主要集中于软钢阻尼器上，试件加载荷载-位移骨架曲线主要经历了弹性阶段、屈服阶段和强化阶段.阻尼器的设置提供了构件较大的初始刚度，软钢材料充分的强化使试件具有稳定的承载能力，变形性能良好.与传统RC柱相比，带软钢阻尼器的试件的刚度和承载力由阻尼器控制，通过对软钢耗能板弹性刚度和强度的合理设计，可以更好地控制结构的层间位移和损伤部位.

不同轴压比下，随着轴压比的增加，试件的初始刚度略有增加但不明显；由于轴力限制了柱脚的抬起，强柱弱阻尼破坏形态的试件承载力随轴压比的增加有明显的增加；各试件RC柱身在钢板桶口附近应力较大，达到极限应变的区域随着轴压力和软钢强度的增加而增大，但RC柱仍然大部分保持在弹性范围内，表明阻尼器的设置有效地抑制了RC柱脚的严重塑性变形现象.

5 结论

1) 提出了一种震损可原位修复组合柱构造形式，可实现预制装配施工，具有稳定的承载能力和良好的变形能力，抗震性能良好.

2) 合理设计的新型组合柱可使试件的塑性变形集中于软钢阻尼器上，而使RC柱身保持弹性状态，可实现强柱弱阻尼的设计目标，实现震损后的原位快速修复.

3) 一定范围内，轴压比在提高试件的抗弯承载能力的同时对试件的延性影响很小，轴压比限值可比传统RC柱适当放宽.

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(责任编辑： 陈志贤 英文审校： 方德平)

Study on Seismic Behavior of Repairable-on-Site Composite Column

HUANG Tingting1, GUO Zixiong1,2， LIU Yang1,2,HUANG Qunxian1,2, LYU Yingting1

(1. College of Civil Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China;2. Key Laboratory for Structural Engineering and Disaster Prevention of Fujian Province, Xiamen 361021, China)

The finite element analysis model of the composite column was established with ABAQUS, and the whole process of mechanical behavior was simulated under low cyclic loading. The result indicates that the proposed composite column with strong column-weak damping performed owns favorable seismic behavior, the plastic deformation is concentrated on the mild steel damper under large displacement angle, which can effectively control the damage position of structures. The rapid repairable-on-site can be conducted after earthquake.

composite column; performance recovery; repairable-on-site; seismic behavior; finite element analysis

10.11830/ISSN.1000-5013.201606006

2015-12-09

刘阳(1982-)，男，副教授，博士，主要从事钢-混凝土组合结构的研究.E-mail:lyliuyang@hqu.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(51378228， 51578254)； 福建省自然科学基金资助项目(2013J01197)

TU 398

A

1000-5013(2016)06-0686-05