人工消能塑性铰装配式钢筋混凝土框架结构抗震性能

2020-07-28马哲昊张纪刚梁海志

哈尔滨工程大学学报 2020年4期

马哲昊，张纪刚，梁海志

(1.青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033；2.青岛理工大学蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，山东青岛 266033)

装配式建筑因其建设周期短、环境影响小、质量易控制等特点，近年来已成为实现绿色建筑及工业化的重要方向。其中，装配式混凝土框架结构是最常见、应用最广的装配式结构体系之一[1]，装配式混凝土框架按节点连接方式主要可分为干式连接和湿式连接方式。干式连接形式是指不需要浇筑混凝土，通过在构件内预埋连接件以实现节点的拼接。由于节点并非整体浇筑的方式，导致相较现浇框架结构，装配式框架结构的整体性较差、抗震性能不足，该问题始终制约装配式建筑的发展与推广。国内外诸多学者对此展开了研究，提出了多种节点形式，主要包括通过预应力筋[2-3]、螺栓及焊接[4-6]等方式进行构件的连接。Aninthaneni等[7]提出了一种通过梁、柱内的预埋件实现螺栓连接的干式混凝土节点，经试验研究表明，与现浇节点的抗震性能相当。Li等[8]提出了一种采用预应力端板连接的螺旋箍筋装配式混凝土节点，试验结果表明该节点具有良好的延性和耗能能力。上述研究的干式连接装配式混凝土节点在性能方面与现浇结构相近，但在耗能能力及损伤控制方面仍有提高空间。王晨[9]提出了一种实现钢梁端往复弯曲耗能的塑性可控钢质梁柱铰接节点，可有效控制损伤集中于耗能钢板位置，将塑性铰位置控制在梁端。鲁亮等[10-11]提出一种受控摇摆式钢筋混凝土框架体系，通过梁柱铰接节点，预应力钢筋提供恢复力，层间阻尼器耗散能量，控制地震作用下位移，减小结构损伤。

本文在借鉴已有研究的基础上，改进并提出了一种基于人工消能塑性铰(artificial plastic dissipative hinge,ADPH)构造的装配式钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)框架结构体系，通过该构造，使损伤主要集中在附加耗能构件上而非结构核心区域及柱端，并通过控制人工消能塑性铰的位置、数量、出现次序及转动性能等因素，以保证塑性铰产生于梁端及底层柱根部，使框架结构发生理想的完全梁铰机构的屈服机制，提高整体抗震性能。分析了人工消能塑性铰框架结构的地震失效机理，并使用ABAQUS有限元软件进行了弹塑性地震响应分析，根据地震下峰值层间位移角、屈服机制、节点滞回性能等指标对ADPH框架结构的抗震性能进行分析研究。

1 装配式人工消能塑性铰构造

人工消能塑性铰构造主要包括2部分：机械铰接装置和附加消能钢板。在工厂预制梁、柱构件时，将机械铰接头预埋于混凝土梁、柱端，并与梁、柱内的钢筋网做有效连接；现场装配安装时，先将梁、柱使用机械铰连接完成铰接，然后通过螺栓连接的方式安装消能钢板，完成人工消能塑性铰的装配，如图1所示。

图1 装配式人工消能塑性铰构造Fig.1 The ADPH joint configuration

人工消能塑性铰构造承载力设计原则如下：为保证人工消能塑性铰先与其他构件截面进入屈服状态，在中、大震作用下保证人工塑性铰有效发挥耗能作用，同时作为承载构件，具有一定承载能力，满足“小震不坏”的抗震原则。据此，引入屈服弯矩降低系数γ：

(1)

进行强度设计，人工消能塑性铰消能段截面屈服承载力按梁截面设计：

(2)

图2 人工消能塑性铰受力分析Fig.2 Mechanical model of ADPH joint

2 人工消能塑性铰框架有限元模型

2.1 有限元模型建立

使用ABAQUS软件建立了3层3跨的钢筋混凝土框架和人工消能塑性铰框架钢筋混凝土结构的有限元模型，如图3所示。设防烈度为8度，设计基本加速度为0.2g，设计地震分组为第3组，场地类别为Ⅳ类；层高为3.3 m，跨度5.4 m，框架柱截面尺寸为450 mm×450 mm，配筋率为1.2%，框架梁截面尺寸为400 mm×250 mm，配筋率为0.6%，纵筋采用HRB400钢筋，箍筋采用HPB335钢筋，楼板厚度100 mm，楼面恒载、活载分别为6.0、2.0 kN/m2，质量集中于楼层节点处。ADPH框架的人工塑性铰消能段根据式(1)、(2)进行截面设计，采用截面尺寸为400 mm×250 mm，厚度为4 mm的箱形截面，材料为屈服强度 120 MPa的低屈服点钢材。

图3 有限元模型Fig.3 The model of RC and ADPH frame

2.2 单元及材料本构

钢筋混凝土梁、柱采用基于截面纤维模型[12]的B31梁单元模拟，混凝土采用考虑受拉的本构模型 Concrete02，钢筋采用考虑再加载刚度退化的本构模型 Steel02；通过在混凝土梁单元中插入“钢筋”以考虑钢筋对截面的贡献；ADPH框架中，梁、柱端点采用Hinge连接单元模拟机械铰接，并采用赋予箱型截面的B31梁单元模拟消能钢板段。

3 地震作用下弹塑性分析

3.1 静力弹塑性失效路径分析

采用静力弹塑性推覆方法对钢筋混凝土框架和ADPH框架进行分析，通过倒三角式加载模式将结构推覆至某层的层间间位移角达到2%，据此得到结构的能力曲线，并将各构件的屈服顺序标注于曲线上，如图4所示；初始阶段RC框架与ADPH框架抗侧刚度基本一致，随着推覆位移进行，在顶点位移角小于0.012阶段，预设人工塑性铰先于RC框架梁端开始屈服；当位移角达到0.015时，RC结构的底层柱脚先屈服，同时更多的梁进入塑性；当位移角达到0.036；RC框架2层柱节点进入塑性；当顶点位移角达到0.045时，RC结构失效；顶点位移角达0.045时，ADPH框架2层柱端进入屈服阶段，在顶点位移角达到0.05时，结构失效。可见，相较于RC框架，ADPH框架的延性有所提高，极限位移提高了11%。

图4 结构模型能力曲线Fig.4 The force-drift curve of RC and ADPH frame

3.2 动力时程分析地震动信息

采用弹塑性时程分析可获得各个时刻下质点的速度、位移、加速度及结构的内力等动力响应结果，以综合分析结构的抗震性能；研究表明，实际结构的非线性行为总是伴随结构的刚度和振动模态的变化，地震响应与结构的初始周期相关性不大，基于台站的地震动记录选取方法适用于不同动力特性结构的抗震性能研究[13]。采用4条天然地震动对RC框架结构及ADPH框架结构进行地震动力时程分析，地震动详细信息如表1所示，地震动加速度峰值(peak ground acceleration，PGA)调整到0.4g和0.2g分别模拟8度大震和中震作用。

表1 地震动信息Table 1 Information of ground motions

3.3 屈服机制分析

通过提取结构层间位移角的时程响应，得到结构体系的最大层间位移角及该时刻的结构塑性铰的分布情况，以考察结构的屈服机制及可能的破坏形式。框架结构的变形能力与框架的破坏机制密切相关。研究表明，梁先屈服，可使整个框架有较大的内力充分布和能量消能耗能力，极限层间位移增大，抗震性能较好。合理的屈服机制可使框架结构具有多道抗震防线，提高延性，如图5(a)、(c)所示，否则易出现薄弱楼层坍塌，如图5(b)所示。在实际结构中，理想的“完全梁铰机制”难以实现，如图5(c)，原因复杂如梁端超筋、现浇楼板以及梁柱抗弯承载力比值等[14]。因而，有效实现“强柱弱梁”整体型屈服机制一直是框架结构抗震性能的研究重点。

图5 框架结构的屈服机制Fig.5 The failure mode of frame

根据结构达到最大层间位移时的塑性区域分布，来考察结构的破坏模式，以El-centro波为例，中震作用下，可以看出，RC框架各层梁端均形成塑性铰，除底层柱脚以外，2层中柱底部及3层中柱顶部形成了塑性铰，RC结构的层间位移最大时刻的塑性铰分布如图6(a)所示；对比之下，ADPH框架只有梁端的人工塑性铰部分进入塑性阶段，屈服机制为“完全梁铰”模式，如图6(b)所示。

图6 模型屈服机制Fig.6 The failure mode of models

大震作用下，除底层柱脚外，RC框架塑性区域集中在各层中柱的节点区域及梁柱部分，且2层柱的上部及下部均出现塑性铰并形成薄弱层，为典型的“柱铰”破坏模式，如图6(c)所示；ADPH框架塑性区域均集中在梁端的人工消能塑性铰部分，且仅2层、3层的中柱底部出现塑性铰，结构形成“部分梁柱铰”整体性的屈服机制，如图6(d)所示。可见，ADPH框架的变形主要集中在人工塑性铰位置，说明通过人工塑性铰的设计可将塑性区域控制在消能钢板部位。从而保护节点，避免柱上、下端均屈服的情况，使结构实现“梁饺”的理想破坏模式，且在震后可更换消能钢板，实现对结构的损伤控制。

3.4 人工消能塑性铰弯矩-转角曲线分析

研究表明，当结构处于弹性状态时，很小的阻尼增量就可以减小结构的地震反应，但结构进入非线性阶段后，阻尼耗能在总耗能中的比例不断减小，滞回耗能随结构非线性变形的发展而起主导作用。以El-centro波为例，在大震及中震作用下，分别提取RC框架1层、2层中节点梁端及ADPH框架梁端消能钢板段的弯矩-转角滞回曲线，以考察梁、柱节点位置处的能量滞回耗散情况，图7为大震作用下框架2层中节点梁端的弯矩-转角滞回曲线，可见，在大震作用下RC框架梁端最大转角约为0.6%，滞回曲线不饱满，捏缩效应严重。相比之下，ADPH框架梁端最大转角可达1.2%，且滞回曲线较为饱满。同时，根据滞回环所包围的总面积以计算节点累积耗散的总能量Esum，如表2所示，ADPH框架累计耗能相较RC框架提高约39%。可见ADPH框架通过人工塑性铰构造，增强了梁端的转动能力，使低屈服点的消能钢板高效往复变形耗能，增加了节点的滞回耗能，有效提高耗能能力。

表2 人工消能塑性铰节点耗能能力Table 2 Energy dissipations of ADPH joint

图7 梁端弯矩-转角曲线Fig.7 Moment-rotation curves of beam end of joint

3.5 地震响应时程曲线分析

通过地震时程分析，提取结构在各地震波激励下的层间位移时程曲线。根据振型分析及时程分析的结果可知，最大层间位移角(maximum inner-storey drift ratio，MIDR)主要集中在框架结构的1、2层，因此提取结构前2层的最大层间位移角，以评估结构体系的整体损伤程度，如表3所示，可见在中震及大震作用下，ADPH框架的MIDR相较RC框架均有降低，结构整体的损伤程度减小，与结构的破坏模式相符。

以El-centro波为例，中震作用下ADPH框架的最大层间位移角相较RC框架明显减小，1层MIDR由1.04%减少至0.6%(降幅41.4%)；2层MIDR由1.54%降至0.9%(降幅41.2%)，如图8(a)、(b)所示；大震作用下，1层MIDR由1.46%减少至0.91%(降幅38%)，2层MIDR由1.96%减少至1.63%(降幅18%)。RC结构最大层间位移发生在第2层，层间位移角已接近抗震规范限制的2%，ADPH结构则小于1.6%，如图8(c)、(d)所示。表明通过人工消能塑性铰构造，使框架具有良好的变形机制，并通过ADPH消能钢板滞回耗能，有效减小结构的最大层间位移角，控制整体位移。