预制装配式分体柱框架抗震性能研究

戈瑞瑞，周本强，胡 杰，贺宇轩，刘方成，宾 佳

（湖南工业大学 土木工程学院，湖南 株洲 412007）

1 研究背景

钢筋混凝土（RC）框架结构是应用最为广泛的结构形式。震害调研和模型试验表明，框架柱的延性不足是造成RC框架结构震害的重要原因[1-2]，因此，研究如何提高框架柱的延性对于RC抗震框架具有重要意义。

分体柱的概念由郝永昶等[3]提出，指通过分隔缝将整体柱的框架柱在柱身范围内分割而成等截面柱束，从而提高柱子的延性及变形能力。李忠献等[4]通过试验及有限元分析，得出分体柱轴压比等参数的设计意见，并且证实分体柱应用于框架结构具有可行性。尤鸿珺等[5]通过有限元模拟对分体柱在侧向荷载作用下的弹塑性进行分析，研究得出分体柱侧向刚度较整体柱小，但延性明显高于整体柱。毛念华[6]通过有限元模拟地铁车站中的框架柱与分体柱，对其进行时程分析，研究得出分体柱可通过降低承载力的方式大大提高柱子的延性。综上所述，相比于现浇RC整体柱，现浇RC分体柱的延性和变形能力可显著提高，而抗弯抗剪承载能力仅有小幅降低甚至基本不变。

分体柱框架具有优良的抗震潜力，然而，在现浇施工方式下，由于模板支设、钢筋绑扎等方面的困难，其施工难以实现。为了改善传统建筑生产模式消耗过多能源、产生大量建筑废物等不足，装配式建筑将是发展趋势。谷伟等[7]提出一种新型梁柱节点形式，研究表明这种新型梁柱节点与现浇柱节点的耗能能力接近，可运用于抗震结构中。Zhang R.J.等[8]对装配式梁柱节点和现浇梁柱节点进行拟静力试验，研究表明了干式连接梁柱节点可将损伤区域集中于钢连接件上，使建筑可恢复性提高。Li Z.H.等[9]提出了一种预制梁柱钢节点，通过循环荷载试验研究其抗震性能，得出这种钢节点较整体节点具有更强的耗能能力。H.H.Ghayeb等[10]提出了一种新型混合预制RC梁柱连接形式，在强震下其混合式连接形式有较好的抗震性能。Ding K.W.等[11]提出了一种基于螺栓连接的预制混凝土梁柱节点，结果表明通过螺栓连接的预制节点具有较好的抗震性能，可以提高施工效率，同时也有助于灾后修复。Guan D.Z.等[12]提出使用超高性能混凝土UHPC（ultra-high performance concrete）壳来增强预制混凝土柱，结果表明这种预制柱可以减少柱脚损伤，提高抗震性能。Yang C.T.等[13]提出了一种干式连接旋转摩擦耗散梁柱节点，研究得出这种连接方式具有构造简单、抗震性能优良的特性。由此可见，干式连接装配式分体柱框架结构具有较好的发展前景，其抗震性能值得深入研究。基于装配式建筑的发展背景，刘方成等[18]提出在柱中节点和柱端节点处对分体柱进行错位搭接，通过钢套筒实现柱-柱连接，研究装配式分体柱结构的抗震性能。基于此，本文应用三维数值有限元方法，针对装配式分体柱框架与整体柱框架的地震响应和损伤分布差异展开探讨，以期为后续研究应用提供参考。

2 模型建立

以某三层两跨的标准RC框架模型为目标，建立常规整体柱RC框架和装配式分体柱框架，具体设计参数如图1所示，有限元总体模型如图2所示。

图1 整体柱框架和分体柱框架平面图Fig.1 Plane view of integral and split column frames

图2 整体柱框架和分体柱框架总体模型示意图Fig.2 Overall model of integral column frame and split column frame

在两个对比模型中，由图1～2可知，整体框架柱截面尺寸为600 mm×600 mm，分体柱由3×3个200 mm×200 mm的标准小柱组成，其总净截面尺寸为600 mm×600 mm。

RC框架整体柱和分体柱的设计配筋保证纵筋配筋率和箍筋配筋率相同。分体柱梁柱节点处采用Q345钢套筒连接，套筒外围及内隔钢板厚度均为10 mm，套筒横截面尺寸为640 mm×640 mm，总高度为610 mm，钢套筒的详细尺寸及分体柱框架节点的安装形式如图3所示。

图3 分体柱框架节点详图Fig.3 Detailed drawing of split column frame nodes

框架梁截面尺寸为250 mm×610 mm，为排除干扰因素，暂不考虑梁柱连接对节点受力性能的影响，因此假设梁为匀质刚性梁且与套筒刚性连接。

对以上框架模型在ABAQUS有限元软件中进行三维实体建模，其中分体柱与钢套筒的连接形式采用接触连接，摩擦系数取0.35，法向力设为“罚”。

3 材料特性

混凝土采用ABAQUS中内嵌的塑性损伤模型[15]，该模型以混凝土的拉伸开裂和压缩压碎为破坏特征并定义损伤因子。在ABAQUS中，相关参数设置如下：应力比KC=0.67，膨胀角ψ=30°，双轴与单轴受压初始屈服应力比值σb0/σc0=1.16，偏心率e=0.1，黏性系数ν=0.000 1。钢材采用三折线硬化弹塑性模型，其中Q345钢套筒的屈服强度为345 MPa，柱纵向钢筋HRB400的屈服强度为400 MPa，极限强度均为540 MPa。

材料弹性常数取值见表1。

表1 材料属性Table 1 Material properties

4 输入地震波

本次模拟试验采用El Centro地震波及四川长宁地震波进行地震分析，其特性如表2所示。地震波输入模型前，将地震波数据采用“归一化”处理[16]，即对地震波幅值进行调整，换算成不同烈度的地震波数据，并截取加速度波动幅度最强烈的时间区段，两种波的加速度时程和频谱特征曲线如图4所示。

表2 地震波特性Table 2 Seismic wave characteristics

图4 El Centro波和四川长宁波的加速度时程及频谱特性曲线Fig.4 El Centro waves and acceleration time history and spectral characteristics of Changning, Sichuan

5 结果分析

5.1 加速度响应

通过输入不同烈度El Centro地震波进行数值模拟，两种框架结构的加速度响应曲线如附图1所示。由附图可知：1）随着层数增高，整体柱框架与分体柱框架的加速度响应幅值都有逐渐增大的趋势；2）随着地震波加载时间的推进，两种框架的加速度响应曲线在0～6 s区段波动激烈，而整体柱框架在25～28 s区段再次出现明显波动，分体柱后期较为稳定；3）在8、9度地震波作用下，分体柱框架的加速度峰值大于整体柱框架。总体上，整体柱的加速度响应幅值大部分大于分体柱，在高烈度下会出现分体柱框架的加速度峰值更大的现象。这是由于分体柱有较好的变形能力，地震波在逐步向上层传输的过程中地震能量逐渐被分体柱消耗，因而使加速度响应幅值更趋于稳定。但因分体柱框架结构长细比大，自身具有较好柔性的特点使其不便用于软质场地。

以不同烈度的形式输入四川长宁地震波，两种框架结构的加速度响应曲线如附图2所示。由附图可知：1）分体柱框架的加速度在不同地震烈度及不同楼层数上都明显小于整体柱框架的加速度；2）在输入的地震波加速度幅值较大的时间段内，整体柱框架的输出加速度曲线波动也十分明显，而分体柱框架的加速度在此区段内没有发生幅值激增的现象，曲线较为平缓，耗能效果显著。在高频地震波作用下，分体柱框架具有良好延性的特点得到充分体现，抗震能力更强，有效缓解了地震作用，可见分体柱框架更适用于此类地震波频发地区。

5.2 位移响应

5.2.1 位移响应曲线

输入不同烈度的El Centro地震波及四川长宁地震波进行数值模拟，两种框架结构的各层位移响应曲线如附图3～4所示。由附图可知，随着层数的增加及地震烈度的增大，整体柱框架和分体柱框架的位移响应幅值均有增加，且分体柱增加得更明显。总体上可知，分体柱框架的位移响应幅值明显大于整体柱框架的，其主要原因为将整体柱划分为等尺寸的分体柱，其长细比增大、延性增强、侧向刚度减小，分体柱在水平地震作用下位移幅值较整体柱更大。

5.2.2 位移峰值曲线

图5、6给出了两种地震波不同烈度下整体柱框架和分体柱框架各层峰值位移对比曲线。由图5、6可清晰得知：1）分体柱框架在各个烈度下的位移峰值均明显高于整体柱框架，是整体柱框架的2～5倍；2）随着层数增高，在El Centro地震波作用下，分体柱框架的首层峰值位移增长速度较快，2、3层的位移增长相对首层变缓，整体柱框架的位移增长均较缓，但在四川长宁波作用下整体柱框架出现3层位移增长变快的现象，且分体柱框架与整体柱框架的位移相差相对较小。由此可见，在地震作用下分体柱框架的变形能力更强，尤其是首层的位移峰值增长速度相对于其他层更快，即首层发挥了较大的减震耗能作用，并再次印证分体柱框架适用于高频地震波频发地区。

图5 El Centro波不同烈度下各层峰值位移对比曲线Fig.5 Contrast curves of peak displacement of each layer under different intensities of El Centro waves

图6 四川长宁波不同烈度下各层峰值位移对比曲线Fig.6 Comparison curves of peak displacement of each layer under different intensities in waves of Changning, Sichuan

5.3 层间位移曲线

通过峰值位移曲线可得出整体柱框架和分体柱框架在不同烈度下的层间位移，根据规范要求，混凝土框架结构层间位移角最大限值比例为1/550，计算得到框架结构的层间位移限值。

进一步分析两种框架结构的位移变化差异，结果如图7～8所示。由图可知：1）在El Centro波作用下分体柱框架层间位移均大于整体柱框架的层间位移，而四川长宁波作用下分体柱框架第三层的层间位移小于整体柱框架；2）分体柱框架首层层间位移均增长迅速，2、3层层间位移呈明显下降趋势，整体柱框架1、2层位移呈增长趋势；3）整体柱框架只在9度下有略微超过规范限值的现象，但分体柱框架的层间位移在高烈度地震作用下明显超过限值。

图7 El Centro波不同烈度下各层层间位移对比曲线Fig.7 Comparison curves of inter-story displacement under different intensities of El Centro waves

图8 四川长宁波不同烈度下各层层间位移对比曲线Fig.8 Comparison curves of inter-story displacement at different intensities in waves of Changning, Sichuan

由此可见，整体柱因其刚度较大，在对抗地震反应时位移受地震波影响较分体柱小，分体柱框架虽然延性好，但同时也会带来位移过大的问题，且较为明显的是地震作用对分体柱的首层位移影响明显。因此有必要在后期加入带有耗能作用的层间支撑，以实现在耗能的同时达到层间位移满足使用要求的目的。

5.4 基底剪力曲线

图9为整体柱框架模型和分体柱框架模型在不同烈度下的基底剪力。

图9 两种地震波在不同烈度下的基底剪力Fig.9 Base shear force of two seismic waves under different intensities

由图9可分析两种框架模型的基底承载力影响情况，进一步对比得出两种框架结构的差异，可知：1）无论是在El Centro地震波还是四川长宁地震波作用下，整体柱框架的基底剪力都比分体柱框架的基底剪力要大；2）地震波烈度越大，整体柱框架与分体柱框架的基底剪力差值越大，El Centro地震波作用下的两种框架结构差值大多更为明显，且在9度地震波作用下整体柱框架的基底剪力增长较大；3）El Centro地震波作用下的框架基底剪力普遍大于长宁地震波作用下的框架基底剪力。这些结果表明，分体柱较好的延性及耗能能力可以有效缓和地震作用的影响，减小结构的基底剪力，达到减震效果。

5.5 框架柱结构损伤

在水平地震作用下，混凝土先出现受拉损伤，通过受拉损伤因子的数值表示模型的损伤程度，从0至1代表无损伤至完全损伤[17]，结果见表3～4。表3给出了El Centro地震波作用下整体柱和分体柱的结构损伤云图。由表3可知：1）在烈度为6度时，整体柱损伤破坏区域主要集中在柱顶及梁柱节点区，分体柱无损伤；2）在烈度为7度时，整体柱损伤破坏区域主要集中在中心柱的所有梁柱节点处且破坏明显，分体柱开始在梁柱节点区出现损伤；3）在烈度为8度时，整体柱大部分梁柱节点区以及柱底部发生破坏，分体柱节点破坏加深，在水平地震施加方向的边列柱底部出现破坏；4）在烈度为9度时，整体柱和分体柱的损伤面积均有扩大，整体柱的梁柱节点破坏十分明显，分体柱的梁柱节点破坏加剧且底层柱的破坏明显。

表3 EI Centro地震波不同烈度作用下柱体框架结构损伤云图Table 3 Damage nephogram of column frame structures under different intensities of El Centro seismic waves

表4给出了四川长宁地震波作用下整体柱和分体柱的结构损伤云图。由表4可知：1）在烈度为6度时，整体柱依旧在梁柱节点区域开始出现破坏，分体柱无损伤；2）在烈度为7度时，整体柱在梁柱节点区破坏加剧，分体柱依旧无损伤；3）在烈度为8度时，整体柱框架除梁柱节点区出现明显损伤外，首层柱底也出现损伤，分体柱框架梁柱节点区开始出现损伤；4）在烈度为9度时，整体柱框架柱底损伤加剧，且梁柱节点区域破坏明显，分体柱框架依旧只在节点区出现损伤。

表4 四川长宁地震波不同烈度作用下柱体框架结构损伤云图Table 4 Structure damage nephogramof column frame structures under different intensities of earthquake waves in Changning Sichuan

总体而言，整体柱的损伤面积较分体柱要大，尤其是梁柱节点区域的损伤程度差异明显。结果表明钢套筒对框架结构节点区域有约束保护作用，增强了节点部位的刚度，改善分体柱刚度较低的问题，提升整体结构的稳定性。

6 结论

通过以上分析可得如下结论：1）装配式分体柱框架结构的加速度响应大部分小于现浇整体柱框架结构，且在四川长宁地震波作用下两者的加速度差异更加明显，突出装配式分体柱框架结构具有良好延性的优势，但分体柱框架在9度El Centro地震波作用下出现加速度峰值超过整体柱框架的现象，说明装配式分体柱框架结构更适用于硬质场地，后续通过选用不同场地类别的地震波来对分体柱框架结构适用场地进行深入分析。2）装配式分体柱框架因刚度较小，其位移响应均大于现浇整体柱框架。分体柱框架结构的层间位移出现超限现象，且装配式分体柱框架首层位移较大，关于减小该结构首层位移的方法有待后续研究。3）装配式分体柱框架基底剪力均小于整体柱框架，且地震烈度越大，两种框架结构的基底剪力差距越明显，可见装配式分体柱框架结构的耗能能力更强。4）随着地震波烈度增大，两者的混凝土损伤面积均增大，在相同烈度下，装配式分体柱框架结构的损伤面积小于现浇整体柱框架。且现浇整体柱框架结构的节点损伤区域较多，装配式分体柱框架钢套筒内的节点部位损伤不明显，证明钢套筒能对框架结构节点起到保护作用。