墙脚可更换PEC剪力墙滞回性能研究

马 艳 宁

(西安建筑科技大学 建筑设计研究院， 陕西 西安 710055)

为了实现建筑物的震损控制及震后修复，可恢复结构被提出并得到广泛研究。与传统抗震结构及减隔震结构不同，可恢复结构在地震中有更优异的变形能力及更合理的破坏顺序，并且在震后通过简单修复或者耗能构件的更换，可实现结构的抗震性能恢复。2011年，同济大学吕西林教授等[1]通过总结归纳自复位结构、可更换构件、摇摆结构等结构的性能特点， 最早提出可恢复结构的概念。

在各种抗侧力结构体系中，剪力墙结构是具有代表性的震后易损结构。为了优化钢筋混凝土剪力墙结构的震损控制及实现震后修复，吕西林教授在剪力墙中引入墙脚可更换部件。毛苑君等[2]将叠层橡胶应用于剪力墙脚部作为可更换构件，试验表明其具备更好的变形能力且在较强地震作用下保持无损伤。刘其舟等[3]提出带有软钢屈服阻尼器的可更换墙脚组件，分析表明采用该组件剪力墙能够将破坏引导至可更换部件，从而保护非更换区域免遭破坏。蒋欢军等[4]提出了一种带有可更换连梁和可更换墙脚部件的可恢复功能联肢剪力墙，该结构中连梁采用金属阻尼器+黏弹性阻尼器混合可更换连梁，柱脚采用防屈曲支撑构件[5]作为可更换柱脚，给出了带可更换部件联肢剪力墙设计方法。该联肢剪力墙具备双重可更换性能，震损控制及震后修复性能得到显著提高。

近年来，组合剪力墙成为剪力墙结构体系中的研究热点。陆烨等[6]对内嵌钢板-混凝土组合剪力墙结构进行了研究，证明了该结构抗侧刚度大，耗能能力强，然而在大变形作用下，混凝土破损严重，导致延性较差。在此基础上，Astaneh-Asl等[7]将预制混凝土板应用于组合钢板剪力墙结构，并在混凝土板与钢框架之间留置一定空隙，避免了混凝土板过早发生破坏，也使得结构延性得到显著提高，但是预制混凝土板吊装难度大，施工较为复杂。为了便于施工，研究者们[8-10]提出双钢板-混凝土组合剪力墙、钢管束-混凝土组合剪力墙、双层波纹钢板-混凝土组合剪力墙等外置钢板组合剪力墙，相关试验研究表明该结构构造简单，耗能能力强，延性较好，然而钢板外置所导致的高温耐火性不足也一定程度上限制了其推广与应用。为保证组合剪力墙在地震中满足延性要求并实现在民用建筑中适用及推广，研究者们[11]提出了PEC组合剪力墙结构。PEC剪力墙由内部型钢，连接翼缘的扁钢及填充在型钢翼缘之间的混凝土组成[12]。张其林等[11]对足尺PEC剪力墙进行了拟静力循环加载试验研究，试验对象为三组轴压比0.38，剪跨比2.5的短肢PEC剪力墙足尺试件，试验结果表明：试件的破坏形式为端部混凝土压碎，翼缘钢板屈曲，有较强的承载力及延性。为了将可恢复结构应用于至组合剪力墙结构体系中，本研究在传统PEC剪力墙的基础上，将防屈曲支撑构件[4]作为可更换墙脚替换原结构易于破坏的端部区域，形成第一道抗震防线，便于实现震损控制和震后修复，也使得PEC墙转变为震后可修复PEC墙，以下简称ERPEC。可更换墙脚构造如图1所示，PEC墙试件及ERPEC墙试件如图2所示。

图1 可更换防屈曲支撑墙脚部件

图2 PEC剪力墙及ERPEC剪力墙构造示意图

1 有限元验证

本文选取实际试验中的部分外包组合短肢剪力墙[11]进行数值模拟分析，试件的加载条件如图3所示。借助有限元软件ABAQUS 6.14对该加载试验进行模拟，其中钢材均采用S4R单元，混凝土采用C3D8R单元，混凝土基座用刚性体代替。混凝土与型钢的腹板翼缘之间建立“General Contact(Explicit)”接触，接触属性设置为法向硬接触，切向库仑摩擦，摩擦系数取为0.4。将缀板设置为“Embedded region”嵌入混凝土之中，模拟二者之间的粘结滑移性能。钢材的本构选取双折线随动强化本构模型，混凝土的本构选取“Concrete Damaged Plasticity”本构模型，混凝土单轴拉压应力-应变曲线如图4所示，计算方法如下列各式所示[13]。

图3 PEC试件加载条件

图4 混凝土单轴拉压应力-应变曲线

(1)

(2)

(3)

(4)

试验加载过程中，混凝土出现明显的开裂及剥落，此外试验后期墙脚型钢外翼缘也出现了撕裂破坏，因此有限元模型中也引入了混凝土拉压损伤及钢材柔性损伤，混凝土损伤因子计算方法如下式所示[14]，而根据试验中钢材材性试验参数取型钢外翼缘和缀板的钢材断裂应变为0.4。

(5)

(6)

采用动力显式模块进行数值分析，得到如图5所示滞回曲线。通过与试验曲线进行对比，可以发现，有限元结果初始刚度以及峰值荷载和试验结果较为吻合，且有限元模型可以很好的模拟PEC试件的刚度退化及加载后期的承载力下降。

图5 试验及有限元结果滞回曲线对比

2 ERPEC试件设计

根据有限元模拟可知，为保证ERPEC结构的承载力和普通PEC剪力墙接近，且破坏集中于可更换墙脚区域，避免破坏区域转移，可更换墙脚部件的承载力与原剪力墙被更换区域的承载力的比值不应低于1，且不应超过1.2[4]。可更换墙脚部件的刚度与原剪力墙被更换区域的刚度比值不应小于1。选取可更换部分芯板尺寸为20 mm×90 mm，高度为500 mm；对于外部钢管混凝土部分，钢套筒外径110 mm，内径100 mm；可更换构件中钢材均选取Q345钢，混凝土选用C30混凝土。试件的详细尺寸见图6。可更换部分的承载力及刚度验算过程，见下列公式。

图6 ERPEC试件尺寸详图(单位:mm)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

3 ERPEC滞回性能分析

采用与PEC模型相同的材性参数以及相同的建模方法，建立ERPEC试件的有限元模型，将得到的滞回曲线与PEC试件的数值模拟结果进行对比，如图7所示。

图7 ERPEC与PEC试件滞回曲线对比

由图7可以发现ERPEC试件的初始刚度和PEC试件基本一致，且刚度退化明显慢于PEC试件。取两试件骨架曲线进行对比，如图8所示，由图可知，30 mm加载级之前，两结构峰值荷载基本相同。30 mm加载级及40 mm加载级PEC试件承载力略高于ERPEC试件(差值最大仅5.18%)，说明用可更换墙脚部件代替PEC原有墙脚，结构仍能够保持较高的承载能力。

图8 ERPEC与PEC试件骨架对比

为比较两结构的耗能能力，取各加载级滞回曲线的包络面积，列于图9进行比较。由图知，ERPEC试件的耗能能力明显优于PEC试件。

图9 ERPEC与PEC试件骨架对比

取两试件有限元模型加载结束后的混凝土受拉损伤分布图进行比较，如图10所示。由图10可知，ERPEC试件的混凝土损伤程度明显低于PEC试件，因此加载后期整体结构的刚度不会显著下降，能够保持较为良好的耗能能力。

图10 ERPEC与PEC试件混凝土受拉损伤对比

4 结 论

本文在传统PEC剪力墙结构中引入可更换墙脚构件，通过有限元模拟研究了该新型结构的滞回性能，结合各项分析结果，可以得到如下结论：

(1) 用可更换墙脚部件代替PEC原有墙脚，结构仍能够保持较高的承载能力，峰值荷载不会下降。

(2) 可更换墙脚代替原有易损墙脚，能够显著降低混凝土塑性损伤，延缓整体结构的刚度退化，并一定程度上提高结构的耗能能力。

(3) 新型带可更换脚部构件剪力墙非更换区域基本不发生破坏，可更换墙脚的引入使得PEC墙具备双重抗震防线。