基于IDA方法的带ECC节点的框架核心筒结构易损性分析

2021-04-09栾涛

铁道建筑技术 2021年1期

栾涛

（中铁建设集团有限公司北京 100040）

1 引言

超高层建筑是现代城市文明的标志，是人类美好愿望。根据相关数据框架核心筒结构是目前高层及超高层结构中应用最广泛的结构形式之一。目前，我国对于该类高层结构采用“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。但在近几十年，经济和社会生产力飞速发展，建筑结构性能的要求不断提高，人们对于建筑的要求逐步从简单的保证“生命安全”及要求结构“防止倒塌”转变为降低损伤，减少维修成本。目前广泛采用的混凝土材料较难实现这一需求，因此，各种高性能水泥基材料逐渐被投入研发。其中高延性水泥基复合材料（Engineering Cementitious Composite，ECC）有望解决工程中存在的类似问题。ECC是近年来华裔学者Li［1-2］等将聚乙烯醇（PVA）纤维加入研发出的一种具有超高变形能力的水泥基材料，该种纤维具有高强高弹模特征且具有亲水性，与水泥基体黏结较好。因此，ECC材料具有较强的受拉韧性，并具有类似金属的受拉应变硬化属性，普通混凝土的应力应变曲线见图1。目前该材料在世界范围内有一些研究及工程应用，如2005年位于日本东京六本木的太平洋大厦使用了预制ECC连梁降低了材料和施工成本，裂缝宽度小于 0.3 mm［3］。Maya 等［4］进行了带 ECC 的梁柱节点试验，得出对于剪跨比较大的梁柱节点提升较大，能改变试件的破坏形态，由脆性剪切破坏转化延性破坏的结论。Choi等［5］提出了在PC结构的后浇节点区埋入型钢，然后在节点后浇区浇筑ECC材料的梁柱节点，研究表明带ECC节点的承载力是传统节点的1.2倍且试件表现出极强的延性。

图1 混凝土、SFRC、ECC的受拉性能比较

本文基于性能的抗震设计理论，采用增量动力方法（IDA方法）分析和比较了4个框架核心筒结构（RC框架核心筒结构，ECC框架核心筒结构，带有ECC框架的框架核心筒结构，在框架节点及核心筒框架梁节点处带有ECC节点的框架核心筒结构）在不同性能水准下的抗震能力进行比较后得到4种不同性能水准下框架的变形极限值，探讨了ECC材料应用于框架核心筒结构以提高结构抗震性能的可行性和实用性。

2 分析模型

2.1 结构模型

本结构以某12层RC框架核心筒为基准模型，结构平面布置见图2，底层高4.5 m，其余标准层高4.0 m。抗震设防烈度为7度（0.2 g），设计分组为第二组，场地类别为2类，场地特征周期为0.45 s，罕遇地震下取0.5 s，建立4种模型分别记为KT-0、KT-1、KT-2、KT-3。其中KT-0及KT-1全部构件分别采用普通混凝土和ECC；KT-2为节点及附近2h0处采用ECC材料。KT-3为全部框架梁柱及墙梁节点采用ECC，核心筒采用普通混凝土。四种框架基本情况汇总见表1。

图2 结构平面布置示意

表1 结构基本信息

2.2 有限元模型的建立

IDA分析采用有限元程序OpenSEES进行，本结构中的梁，柱等杆系构件采用Nonlinear BeamColumn单元，节点区采用Joint-2D模型，本文中各种材料的本构模型如下：

（1）混凝土本构模型

在结构分析中非线性纤维梁柱单元中，本文采用的本构关系［6-7］是OpenSEES中的 Concrete02模型。该模型中受拉部分的骨架曲线为双折线；受压部分骨架曲线则基于Kent-Park模型，模型的滞回规则是由一系列的直线组成，可以考虑混凝土加卸载过程中的刚度退化和滞回耗能。箍筋的存在对核心区混凝土强度、延性提高有约束效应，Scott等［8］修正了该模型，考虑了箍筋对混凝土的约束作用，在实际工程中可以取1.2～1.3。本文核芯区约束因子近似取1.1；而对于ECC结构，由于ECC本身所具有的纤维桥接作用，箍筋的约束作用不明显，因此本文不区分截面的约束ECC纤维和未约束ECC纤维，截面纤维只分为两类：ECC纤维和钢筋纤维。

（2）钢筋本构模型

钢筋采用Steel02模型，该模型由Pinto提出，该模型的计算结果与钢筋反复加载试验结果高度吻合。此外，还可以定义初始应力来模拟预应力筋。

（3）ECC 材料本构

通过对材料进行大量拉伸试验，ECC受拉应力应变曲线分为线弹性段、硬化段和下降段，可采用类似钢筋的应力应变曲线来表达骨架曲线，将硬化段简化为直线，其表达式如下：

式中，ft0、ft1分别表示材料的开裂应力和峰值受拉应力；εt0、εt1为与之对应的应变值；εtu为极限受拉应变。

ECC材料峰值压应力对应的应变值通常是混凝土的2～3倍。已有研究表明，ECC的受压应力应变曲线形式与混凝土相似。为计算简便，ECC受压本构模型函数形式与Concrete02相近，加卸载规则采用Mohdyassin等［9］提出的模型。

（4）节点单元本构

如图3所示，Pinching4模型可以反映强度退化、刚度退化和捏拢效应，本模型节点区简化为转动弹簧，采用此本构关系。

图3 Pinching4本构模型

2.3 地震波的选取

本文根据相关规范选取了14条实际强震记录，同时参考《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）［10］的要求，按照与规范中的设计反应谱在统计意义上相符的原则，采用反应谱转人工波程序SIMQKE＿GR生成了2条人工波，共选择16条地震波进行IDA分析，加速度反应谱如图4所示。

图4 地震波加速度反应谱

3 IDA分析计算方法

3.1 计算过程

IDA分析时须将原始地震记录进行一定比例的缩放，然后采用经过调幅的地震记录进行时程分析。本文采用的是hunt＆fill法对地震记录进行调幅。求得散点后，采用三次样条插值对IDA分析的数据点进行处理，使得曲线更加平滑。地震强度指标IM与结构损伤指标DM之间的关系由IDA曲线表述。本文选取地面运动峰值加速度PGA作为IM，θmax作为DM进行调幅。

进行IDA分析时，采用 Newmark-θ法。采用多种算法进行尝试，当某种算法无法收敛时，改用另一种算法，直至所有算法均无法收敛，认为结构已倒塌，该比例系数下的时程分析结束；收敛准则采用基于能量增量的收敛准则。阻尼矩阵按Rayleigh阻尼模型确定。在确定好各参数个算法后，即可按照前文中的IDA方法的分析步骤进行计算。根据上述方法建立有限元模型后，以KT-0和KT-2为例，在罕遇条件下的加速度时程曲线如图5所示。

图5 加速度峰值a＝0.23 g作用下顶层加速度时程曲线

3.2 层间位移角分布

本节选取具有代表性的Northwest Calif-01波，考察在不同地震作用下，四种结构的层间位移角分布随IM增大的变化规律。由图6可知，当PGA较小时，四种结构各楼层的层间位移角分布均比较均匀，说明各楼层最大层间变形基本保持一致；随着PGA的增大，2层到5层的最大层间位移角显著增大，对于ECC框架核心筒结构KT-1，第二层位移角快速增长，超过其他楼层，成为最大层间位移角最大的楼层，结构在该地震记录下的破坏应发生在第2层，但结构整体各层位移。对于RC框架核心筒结构KT-0，当PGA增大时，最大层间位移角分布与KT-0相近，但随PGA持续增大，第四层最大层间位移角迅速变大，超过其他楼层，成为层间位移角最大的楼层，结构最终破坏发生在第四层。且各层位移角相差较大，结构的各层位移角分布并不均匀，结构KT-2和KT-3的层间位移角分布相近，介于结构KT-0和KT-1之间。

图6 各结构的最大层间位移角分布

3.3 IDA曲线簇

本文所采用的四种模型在本文所选取的地震波作用下的IDA曲线如图7所示。相同结构在不同地震动记录下的IDA曲线呈现不同形状，不同的曲线形状所代表的破坏倒塌机制不同。在实际工程中，IDA曲线呈现软化特征表示着结构DM随着IM而加速累计，而IDA曲线的硬化意味着结构在地震作用下DM随着IM的累计速度有减缓趋势。