预制装配式RCS框架的抗震性能分析

司 启,潘志宏,江 鑫

(江苏科技大学 土木工程与建筑学院,镇江 212003)

20世纪八十年代初,美国和日本在传统的钢结构、钢筋混凝土结构及型钢混凝土结构的基础上提出了钢筋混凝土柱-钢梁(reinforced concrete column and steel beam,RCS)混合结构．它兼具钢结构和混凝土结构的优点,并且可以进行工厂化预制加工,保证了施工质量,大大提高了施工效率,降低了生产成本．为了解决RCS混合框架结构中混凝土柱与钢梁之间的连接问题,国内外学者已经开展了相应的研究工作[1-5],目前国内外针对RCS框架结构开发出的梁贯通型和柱贯通型两大类节点,均有一定的局限性:梁贯通型节点的核心区构造措施较多,浇捣混凝土困难,柱纵筋穿越核心区钢梁翼缘和柱箍筋穿越核心区钢梁腹板等施工操作复杂;柱贯通型节点中,两侧钢梁常采用螺栓穿越柱节点来间接传力,节点受力复杂,并且因塑性铰靠近节点核心区容易带来不利影响,降低节点可靠性．

文中在传统RCS节点的基础上提出了一种装配式RCS节点,节点的尺寸与配筋如图1．采用该节点的结构包含了钢筋混凝土柱-钢梁混合结构的低成本高效率、预制装配式结构的“构件工厂化生产,施工装配式运作”等特点,是一种新型的工业化结构体系．目前对于该种结构体系的研究不多,对采用装配式RCS节点的结构整体抗震性能值得深入探讨．文中在节点试验的基础上提出该类节点在开源软件OpenSEES中的建模方法,对预制装配式RCS框架结构进行动力弹塑性分析,研究结构整体的抗震性能．

图1 试件RCS节点尺寸及配筋(单位：mm)Fig.1 Dimension and reinforcement details of specimen RCS(unit：mm)

1 装配式RCS节点的试验

1.1 试件制作与节点处破坏形态

试验梁柱节点体系取自原型混合结构框架边节点体系,试件的设计综合考虑现行规范规程的要求、文献[6]中的类似试验和实验室条件,制作流程如下：将小型钢柱焊接在预埋H型钢梁翼缘上,加劲肋和承压板焊接在预埋H型钢梁上,将预埋H型钢梁放入柱钢筋笼中,节点核心区柱箍筋穿过预埋H型钢梁的腹板,绑扎钢筋笼形成整体(图2(a));将绑扎好的钢筋笼放入模板当中并浇筑混凝土形成整体(图2(b));通过螺栓将预埋钢梁和外伸钢梁连接,形成节点试件整体(图2(c));试验使用多功能电液伺服加载作动器在梁端施加水平往复荷载,采用荷载-变形双控制的加载制度,最后连接处的破坏形态如图2(d)．

图2 装配式RCS节点试验Fig.2 Specimen RCS configuration

1.2 试验结果

对构件进行低周反复加载试验,试件的受力过程根据加载情况可分为4个阶段:未裂阶段、开裂阶段、屈服阶段、破坏阶段,最后为梁铰机制破坏,所得的梁端荷载-位移滞回曲线如图3,由梁端荷载-位移曲线提取出的节点处弯矩-转角曲线如图4．

图3 荷载-位移滞回曲线Fig.3 Load-displacement hysteresis curve

图4 弯矩-转角曲线Fig.4 Moment-rotation curve

2 节点数值模拟

2.1 单元属性

节点的连接方式如图5,在OpenSEES中的计算模型如图6,其中梁柱构件采用考虑均布塑性的纤维型非线性梁柱单元(nonlinear beam column element)模拟．该单元沿长度方向具有若干积分点,每个积分点处的纤维型截面对应于钢筋混凝土柱、钢梁的截面,其中对钢梁的截面进行整体划分,将混凝土柱截面分为核心区混凝土、保护层混凝土以及钢筋分别进行纤维划分;每个纤维被赋予一种单轴材料的应力-应变关系,在纤维型截面上对所有纤维的应力-应变关系进行积分即可得到截面的力-变形关系[7],在文中的计算模型中,在每个梁柱单元上取5个积分点．节点4与节点5的坐标相同,节点4为主节点,节点5为从节点,在两者之间加入零长度单元(zero length element)来模拟节点连接处的力学性能．

图5 节点连接Fig.5 Connecting pattern of joints

图6 计算模型Fig.6 Model of computation

2.2 材料属性

混凝土采用OpenSEES中的Concrete01材料模型,忽略混凝土的抗拉强度．保护层混凝土和受箍筋约束混凝土的材料本构关系如图7[8]．普通钢筋、钢板的本构模型采用OpenSeEES中的Steel02材料模型进行定义,Steel02为双线性随动强化模型,可以考虑反复加载过程Bauschinger效应和等向强化效应,并且具有初始应力属性,可以通过定义初始应力来施加预应力[9],本构关系如图8,计算模型中材料的具体参数取试验时的实测值．

图7 Concrete01材料模型Fig.7 Concrete01 material model

图8 Steel02材料模型Fig.8 Steel02 material model

通过在节点连接处即节点4与节点5之间的第三自由度上串联带有单轴滞回材料(hysteretic material)的零长度单元(zero length element)来定义弯矩与转角之间的相互关系[10],从而模拟节点连接处的弯曲破坏效应．由于此处的零长度单元不能传递剪力,节点两侧剪力的传递通过耦合零长度单元左右两侧节点在竖直方向上(整体坐标系中Y方向)自由度的实现[11]．

Hysteretic Material滞回材料[12]模型采用三折线、五参数骨架曲线定义捏拢效应和刚度退化等,其本构关系如图9[13]．该模型包含加卸载过程中的捏拢、延性以及能量损伤等参数．

图9 Hysteretic 材料模型Fig.9 Hysteretic model

文中模型中,根据图4的弯矩-转角曲线选择3个关键点,将3个关键点的值对应的赋给Hysteretic Material中的3个点,加载过程中位移捏拢系数取0.8,卸载过程中位移捏拢系数取0.2,延性、能量损伤系数与基于延性的卸载刚度的降低系数取0.0．

2.3 试验验证

在OpenSEES中对构件进行低周反复加载模拟,根据此前节点试件的低周反复加载试验,对数值模拟的结果进行验证．图10为RCS节点的梁端荷载-位移关系的数值模拟结果与试验结果的对比图．

图10 装配式RCS节点滞回曲线Fig.10 Hysteretic curves of RCS joint

由对比图可知,数值模拟结果与试验结果吻合良好,准确地再现了节点的滞回性能,验证了所提出的数值模型建模方法的准确性与可行性．

3 装配式RCS框架的动力弹塑性分析

3.1 原型结构

根据试验的具体参数,设计了一榀6层的装配式RCS平面框架以及相同规格的普通RCS平面框架,结构平面图如图11[14],梁柱半刚性连接RCS平面框架的分析模型如图12．框架柱为钢筋混凝土柱,混凝土强度等级为C30,保护层厚度为30 mm,纵筋为HRB335级钢筋,箍筋为HPB235级钢筋．框架梁为H型Q235钢梁．螺栓选用10.9级M20螺栓,孔径大小为21.5 mm．装配式RCS平面框架的梁柱尺寸见表1．梁上恒载为10 kN/m,活载为6 kN/m．框架的建模方法及模型中的梁柱单元属性同上文节点数值模拟．

图11 结构平面图Fig.11 Floor plan of structure表1 框架梁柱的尺寸参数Table 1 Geometric parameters of the beams and columns of the frames

框架层数层高/m跨度/m柱截面/mm·mm纵筋箍筋梁截面6层1-63.66400×40012ϕ16ϕ8@100HN350×175×7×11

图12 平面框架分析模型Fig.12 Analysis model of the frames

为了研究节点初始转动刚度的变化对半刚性装配式RCS框架抗震性能的影响,在节点研究的基础上,利用OpenSEES软件对装配式RCS框架进行动力弹塑性分析,分析时节点连接处的初始转动刚度分别取1.0×104、3.0×104、6.0×104、9.0×104,最后将所得结果与普通的RCS混合框架结构的动力弹塑性分析结果进行比较[15-17]．

选用经典地震动EL Centro波,采用直接积分法对结构进行动力弹塑性分析,将地震加速度峰值调幅至8度罕遇地震所对应的加速度峰值400 cm/s2,调整后的地震波谱如图13．

图13 EL Centro地震波Fig.13 EL Centro wave

3.2 模拟结果

通过时程分析得出EL Centro波作用下各框架的顶点位移，基底剪力和最大层间位移情况如图14、图15以及表2．

图14 框架顶点位移时程曲线Fig.14 Time-history curves of top displacement

图15 最大层间位移角比较Fig.15 Maximum story drifts

通过动力弹塑性分析发现:

(1) 当k=9.0×104时,结构的顶层最大位移、最大基底剪力和最大层间位移角与普通刚接的RCS框架结构几乎相同,节点的初始转动刚度接近刚接;当k为1.0×104、3.0×104、6.0×104时,节点的初始连接刚度在半刚性范围内变化；

(2) 同一结构,若节点的初始转动刚度不同,结构的顶层最大位移与最大基底剪力出现的时间点也不同．结构的顶层最大位移与最大基底剪力出现的时间较为接近,顶点位移时程曲线和基底剪力时程曲线表现大致相同,在激励时间内表现都比较稳定;

表2 动力弹塑性分析结果Table 2 Results of the dynamic elastic-plastic analysis

(3) 装配式RCS结构的周期对节点的初始转动刚度较为敏感,随着连接处初始刚度的增加而减小;

(4) 装配式RCS结构当节点连接处的初始刚度在半刚性连接区间内变化时,结构的顶层位移与最大层间位移角并不会因半刚性连接处初始刚度的增大而减小,增大节点连接处的初始转动刚度,结构的最大层间位移角反而会出现增大的情况．

4 结论

文中结合装配式RCS节点试验研究,进行了节点和结构的数值分析,研究发现:

(1) 提出的基于OpenSEES的建模方法与试验吻合较好,可适用于此类结构的非线性分析．所提出的建模方法具有单元少、自由度少、建模方便、计算效率高、耗时少等优点,精度能满足工程需求,将其此建模方法用于结构整体弹塑性分析及基于性能的抗震评估是合理的．

(2) 在罕遇地震作用下,半刚接装配式RCS框架结构的顶点位移峰值、最大层间位移角比刚接RCS框架要大,但结构的最大层间位移角仍可以满足规范的抗震要求．

(3) 节点连接的半刚性行为对装配式RCS整体结构受力性能有显著的影响,降低节点连接处的初始刚度对增大结构周期作用明显,结构的自振周期随节点初始转动刚度的减小而增大．在实际工程应用中,通过减小节点连接处的初始刚度,可以有效地增大结构的周期．

(4) 当装配式RCS结构节点连接处的初始刚度在半刚性范围内变化时,结构的薄弱层会发生变化;同一个结构,节点初始刚度大,结构的最大层间位移角未必小,节点初始刚度小,结构的最大层间位移角未必大,结构的最大层间位移角与初始刚度的关系需通过屈服机制进行精细研究．因此在实际工程中,当装配式RCS结构的最大层间位移角不满足规范的抗震要求时,不能只是把连接处的初始刚度加强,可以考虑加支撑的形式提高结构的抗震性能．