装配式耗能RC结构弹塑性时程分析 ①

郑 起, 陈尚鸿

(1.闽西职业技术学院城乡建筑学院,福建 龙岩 364021;2.福州大学土木工程学院,福建 福州 350108 )

0 引 言

与现浇混凝土结构相比，装配式建筑的施工和设计均具有模式化的特点。但一些学者指出，装配式混凝土结构的抗震性能较差，正是由于这个原因，国家对装配式框架结构的适用、应用范围、高度限值都提出的较高的限制。一些阻尼耗能元件如阻尼器、耗能墙板等也是工业化的产物，将这些元件加入装配式框架结构中并不困难，却能大大提高装配式框架结构的抗震能力。为了能增强装配式框架结构的耗能抗震性能，在框架结构内置结构形式简单的耗能墙板，并利用阻尼器作为墙板与主体框架的连接，形成一种集成了墙板、耗能连接的新型耗能装配式耗能RC结构体系。经过合理的设计后，装配式耗能RC结构具有多道抗震防线，并且由于阻尼器与耗能墙板的存在，结构的抗震性能与耗能性能将大大提高。

1 装配式耗能RC结构构造形式

装配式耗能RC结构体系如图1所示。体系包含主体装配式框架、预制RC墙板和耗能连接三部分构成。新体系主要包含以下特征：

(1)预制RC 墙板的两侧与顶部预设间隙，其两侧填充柔性介质材料。

(2)预制RC 墙板的在顶部与框架梁之间通过若干个耗能连接相连，耗能连接为双圆锥软钢阻尼器，要求连接能够保证水平剪力在主体框架和 RC 墙板之间的有效传递。

新型装配式耗能RC结构体系的屈服损伤顺序将可以通过各部分设计参数的调整有目的地加以引导，在地震作用下结构体系的理想屈服顺序为：耗能连接→预制RC 墙板→主体框架。即在地震作用下结构体系中的耗能连接首先屈服，紧接着预制墙板进入塑性，而主体框架的塑性损伤将在最后开展。

图1 装配式耗能RC结构示意图

2 有限元模型的建立

2.1 模型尺寸及材料参数

采用有限元分析软件Abaqus进行数值模拟。

单层单跨一榀装配式耗能RC结构的框架柱尺寸： 450mm×450mm×3000mm，框架梁尺寸为250mm×500mm×4000mm，预制RC墙板尺寸为200mm×3000mm×2000mm，阻尼器选用双圆锥低屈服点钢棒阻尼器[1]，单根阻尼器为内外径：外径d1=80mm，内径d0=40mm，单根阻尼器长度L1=400mm。阻尼器整体为双排且每排五个的矩形阵列布置形式，采用低屈服点钢材LY100，其屈服强度取130MPa，抗拉强度取190MPa。柔性填充材料厚度为50mm，弹性模量取50Mpa。预制RC墙板配置双层双向分布筋，采用底屈服点钢筋LY160[2 3]、钢筋直径18mm，间距为100mm。各构件内部钢筋性能参数取值如表1所示。框架内钢筋强度等级为HRB400,柱纵筋、柱箍筋、梁箍筋、梁顶筋、梁腰筋、梁底筋直径分别为22mm，10mm，10mm，18mm，10mm，18mm，墙体钢筋强度等级为LY160，直径为8mm。

2.2 本构模型

混凝土采用损伤塑性模型，单轴受拉受压的应力-应变曲线根据《混凝土结构设计规范》[4]计算，并且采用Britel和Mark[5]的损伤因子修正公式。框架钢筋本构采用双折线模型、Mises屈服准则，随动强化准则以及关联流动法则。墙体钢筋及阻尼器采用低屈服点软钢。王萌、王珣等[6-7 ]对国产低屈服点软钢LY100，LY160，LY225的低周反复加载试验表明低屈服点软钢表现出强烈的同性强化趋势。采用各向同性强化准则加之双折线模型进行模拟分析。

2.3 单元、网格、相互作用、边界条件及地震波的输入

建模单跨一榀三层结构，阻尼器与框架及墙板近似采用Tie绑定链接，对所有节点限制平面外自由度。在Y方向上加载地震波。凝土密度取2500kg/m3，钢筋、软钢阻尼器密度取7800kg/m3。为使结构在地震作用下能够进入充分塑性，需加大地震响应。加大地震响应有两种方法，一是提高结构的质量，二是调整加大地震波。从提高结构质量的角度出发，考虑楼板自重及楼面恒、活荷载，将其等效成质量加载在梁上。计算得每根梁需加19.2t集中质量，如图4所示。地震响应分析中的地震波选取 EI Centro波，持续时间为20s。由于模型结构刚度较大，按《建筑抗震设计规范》[8]调幅结构未能屈服，故调大地震波以考察结构的屈服破坏形态。将El波峰值调至2000gal。为了考察装配式耗能RC结构体系的抗震及耗能能力，另设2个对照组，为框架墙板模型(模型编号M2)与纯框架模型(模型编号M1)，建模方法与装配式耗能RC结构(模型编号M3)相同，如图2所示。将调整好的地震波施加于三个模型底部。

(a)模型M1

3 结果分析

3.1 时程响应结果分析

表1为三个模型的各层最大位移，图3为M3(装配式耗能RC结构模型)的位移响应时程。可见阻尼器与RC墙板的引入使得该结构体系的抗震减震能力大大提高。在大震下装配式耗能RC结构能够大大减小地震响应，相对于M1模型第一、二、三层减震率分别为88.5%，86.3%，86.0%，相对于M2模型第一、二、三层减震率分别为64.4%，43.7%，40.3%，顶层最大相对位移的减震率分别为86.1%，47.6%。表现出很强的抗震减震性能。并且从装配式耗能RC结构的位移响应图可以看出，从图3可以发现装配式耗能RC结构模型的位移时程并没有出现严重的“漂移”现象，既结构并未发生较大的不可恢复的塑性变形。

(a) 一层层间位移

3.2 分阶段屈服分析

提取装配式耗能RC结构每层阻尼器的滞回曲线，如图4所示。在该模型该加载方式下，层数越低，受力越大，一、二层阻尼器进入塑性较充分，表现出良好的耗能能力。

(a)模型M1

提取混凝土部分的塑性积累应变与钢筋应力s11如图5所示。装配式耗能RC结构在激励作用下一、二层混凝土积累相对多的塑性应变，但数值仍然较小，只表现出轻微的塑性。一层的积累塑性受压塑性应变最高。对于一层来说，墙板的积累应变明显高于框架部分。钢筋部分同样是一层墙板钢筋表现出轻微的塑性，而框架部分钢筋距离其屈服点仍有较大差距，可以认为均处于低应力状态。

(a) 20s时刻混凝土PEEQ图

在该激励作用下，一层阻尼器充分进入塑性耗能，而墙板框架塑性程度均较低，但明显墙板塑性程度高于框架，说明新型装配式耗能RC结构能够满足阻尼器→墙板→框架的屈服顺序。

4 结 论

对比三个模型在El波下的响应，可以发现：

(1)在El波作用下，墙板及阻尼器的加入能够有效降低结构的位移响应、大大增强结构的抗震耗能能力。

(2)在El波作用下，装配式耗能RC结构一、二层阻尼器进入了较为充分的耗能状态，从混凝土的PEEQ图及钢筋的S11图可以看到一层墙板混凝土及墙板钢筋均已开始进入了塑性阶段，可以认为实现了阻尼器→墙板→框架的屈服顺序，并且因为其耗能元件的存在，很大程度上延缓了主体框架进入塑性。