馬哲昊，張紀(jì)剛，梁海志

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033；2.青島理工大學(xué) 藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 青島 266033)

裝配式建筑因其建設(shè)周期短、環(huán)境影響小、質(zhì)量易控制等特點(diǎn)，近年來(lái)已成為實(shí)現(xiàn)綠色建筑及工業(yè)化的重要方向。其中，裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)是最常見(jiàn)、應(yīng)用最廣的裝配式結(jié)構(gòu)體系之一[1]，裝配式混凝土框架按節(jié)點(diǎn)連接方式主要可分為干式連接和濕式連接方式。干式連接形式是指不需要澆筑混凝土，通過(guò)在構(gòu)件內(nèi)預(yù)埋連接件以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的拼接。由于節(jié)點(diǎn)并非整體澆筑的方式，導(dǎo)致相較現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)，裝配式框架結(jié)構(gòu)的整體性較差、抗震性能不足，該問(wèn)題始終制約裝配式建筑的發(fā)展與推廣。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了研究，提出了多種節(jié)點(diǎn)形式，主要包括通過(guò)預(yù)應(yīng)力筋[2-3]、螺栓及焊接[4-6]等方式進(jìn)行構(gòu)件的連接。Aninthaneni等[7]提出了一種通過(guò)梁、柱內(nèi)的預(yù)埋件實(shí)現(xiàn)螺栓連接的干式混凝土節(jié)點(diǎn)，經(jīng)試驗(yàn)研究表明，與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的抗震性能相當(dāng)。Li等[8]提出了一種采用預(yù)應(yīng)力端板連接的螺旋箍筋裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該節(jié)點(diǎn)具有良好的延性和耗能能力。上述研究的干式連接裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)在性能方面與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相近，但在耗能能力及損傷控制方面仍有提高空間。王晨[9]提出了一種實(shí)現(xiàn)鋼梁端往復(fù)彎曲耗能的塑性可控鋼質(zhì)梁柱鉸接節(jié)點(diǎn)，可有效控制損傷集中于耗能鋼板位置，將塑性鉸位置控制在梁端。魯亮等[10-11]提出一種受控?fù)u擺式鋼筋混凝土框架體系，通過(guò)梁柱鉸接節(jié)點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力鋼筋提供恢復(fù)力，層間阻尼器耗散能量，控制地震作用下位移，減小結(jié)構(gòu)損傷。

本文在借鑒已有研究的基礎(chǔ)上，改進(jìn)并提出了一種基于人工消能塑性鉸(artificial plastic dissipative hinge,ADPH)構(gòu)造的裝配式鋼筋混凝土(reinforced concrete,RC)框架結(jié)構(gòu)體系，通過(guò)該構(gòu)造，使損傷主要集中在附加耗能構(gòu)件上而非結(jié)構(gòu)核心區(qū)域及柱端，并通過(guò)控制人工消能塑性鉸的位置、數(shù)量、出現(xiàn)次序及轉(zhuǎn)動(dòng)性能等因素，以保證塑性鉸產(chǎn)生于梁端及底層柱根部，使框架結(jié)構(gòu)發(fā)生理想的完全梁鉸機(jī)構(gòu)的屈服機(jī)制，提高整體抗震性能。分析了人工消能塑性鉸框架結(jié)構(gòu)的地震失效機(jī)理，并使用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行了彈塑性地震響應(yīng)分析，根據(jù)地震下峰值層間位移角、屈服機(jī)制、節(jié)點(diǎn)滯回性能等指標(biāo)對(duì)ADPH框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行分析研究。

1 裝配式人工消能塑性鉸構(gòu)造

人工消能塑性鉸構(gòu)造主要包括2部分：機(jī)械鉸接裝置和附加消能鋼板。在工廠預(yù)制梁、柱構(gòu)件時(shí)，將機(jī)械鉸接頭預(yù)埋于混凝土梁、柱端，并與梁、柱內(nèi)的鋼筋網(wǎng)做有效連接；現(xiàn)場(chǎng)裝配安裝時(shí)，先將梁、柱使用機(jī)械鉸連接完成鉸接，然后通過(guò)螺栓連接的方式安裝消能鋼板，完成人工消能塑性鉸的裝配，如圖1所示。

圖1 裝配式人工消能塑性鉸構(gòu)造Fig.1 The ADPH joint configuration

人工消能塑性鉸構(gòu)造承載力設(shè)計(jì)原則如下：為保證人工消能塑性鉸先與其他構(gòu)件截面進(jìn)入屈服狀態(tài)，在中、大震作用下保證人工塑性鉸有效發(fā)揮耗能作用，同時(shí)作為承載構(gòu)件，具有一定承載能力，滿足“小震不壞”的抗震原則。據(jù)此，引入屈服彎矩降低系數(shù)γ：

(1)

進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)，人工消能塑性鉸消能段截面屈服承載力按梁截面設(shè)計(jì)：

(2)

圖2 人工消能塑性鉸受力分析Fig.2 Mechanical model of ADPH joint

2 人工消能塑性鉸框架有限元模型

2.1 有限元模型建立

使用ABAQUS軟件建立了3層3跨的鋼筋混凝土框架和人工消能塑性鉸框架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖3所示。設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本加速度為0.2g，設(shè)計(jì)地震分組為第3組，場(chǎng)地類別為Ⅳ類；層高為3.3 m，跨度5.4 m，框架柱截面尺寸為450 mm×450 mm，配筋率為1.2%，框架梁截面尺寸為400 mm×250 mm，配筋率為0.6%，縱筋采用HRB400鋼筋，箍筋采用HPB335鋼筋，樓板厚度100 mm，樓面恒載、活載分別為6.0、2.0 kN/m2，質(zhì)量集中于樓層節(jié)點(diǎn)處。ADPH框架的人工塑性鉸消能段根據(jù)式(1)、(2)進(jìn)行截面設(shè)計(jì)，采用截面尺寸為400 mm×250 mm，厚度為4 mm的箱形截面，材料為屈服強(qiáng)度 120 MPa的低屈服點(diǎn)鋼材。

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

2.2 單元及材料本構(gòu)

鋼筋混凝土梁、柱采用基于截面纖維模型[12]的B31梁?jiǎn)卧M，混凝土采用考慮受拉的本構(gòu)模型 Concrete02，鋼筋采用考慮再加載剛度退化的本構(gòu)模型 Steel02；通過(guò)在混凝土梁?jiǎn)卧胁迦搿颁摻睢币钥紤]鋼筋對(duì)截面的貢獻(xiàn)；ADPH框架中，梁、柱端點(diǎn)采用Hinge連接單元模擬機(jī)械鉸接，并采用賦予箱型截面的B31梁?jiǎn)卧M消能鋼板段。

3 地震作用下彈塑性分析

3.1 靜力彈塑性失效路徑分析

采用靜力彈塑性推覆方法對(duì)鋼筋混凝土框架和ADPH框架進(jìn)行分析，通過(guò)倒三角式加載模式將結(jié)構(gòu)推覆至某層的層間間位移角達(dá)到2%，據(jù)此得到結(jié)構(gòu)的能力曲線，并將各構(gòu)件的屈服順序標(biāo)注于曲線上，如圖4所示；初始階段RC框架與ADPH框架抗側(cè)剛度基本一致，隨著推覆位移進(jìn)行，在頂點(diǎn)位移角小于0.012階段，預(yù)設(shè)人工塑性鉸先于RC框架梁端開(kāi)始屈服；當(dāng)位移角達(dá)到0.015時(shí)，RC結(jié)構(gòu)的底層柱腳先屈服，同時(shí)更多的梁進(jìn)入塑性；當(dāng)位移角達(dá)到0.036；RC框架2層柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性；當(dāng)頂點(diǎn)位移角達(dá)到0.045時(shí)，RC結(jié)構(gòu)失效；頂點(diǎn)位移角達(dá)0.045時(shí)，ADPH框架2層柱端進(jìn)入屈服階段，在頂點(diǎn)位移角達(dá)到0.05時(shí)，結(jié)構(gòu)失效?？梢?jiàn)，相較于RC框架，ADPH框架的延性有所提高，極限位移提高了11%。

圖4 結(jié)構(gòu)模型能力曲線Fig.4 The force-drift curve of RC and ADPH frame

3.2 動(dòng)力時(shí)程分析地震動(dòng)信息

采用彈塑性時(shí)程分析可獲得各個(gè)時(shí)刻下質(zhì)點(diǎn)的速度、位移、加速度及結(jié)構(gòu)的內(nèi)力等動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果，以綜合分析結(jié)構(gòu)的抗震性能；研究表明，實(shí)際結(jié)構(gòu)的非線性行為總是伴隨結(jié)構(gòu)的剛度和振動(dòng)模態(tài)的變化，地震響應(yīng)與結(jié)構(gòu)的初始周期相關(guān)性不大，基于臺(tái)站的地震動(dòng)記錄選取方法適用于不同動(dòng)力特性結(jié)構(gòu)的抗震性能研究[13]。采用4條天然地震動(dòng)對(duì)RC框架結(jié)構(gòu)及ADPH框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震動(dòng)力時(shí)程分析，地震動(dòng)詳細(xì)信息如表1所示，地震動(dòng)加速度峰值(peak ground acceleration，PGA)調(diào)整到0.4g和0.2g分別模擬8度大震和中震作用。

表1 地震動(dòng)信息Table 1 Information of ground motions

3.3 屈服機(jī)制分析

通過(guò)提取結(jié)構(gòu)層間位移角的時(shí)程響應(yīng)，得到結(jié)構(gòu)體系的最大層間位移角及該時(shí)刻的結(jié)構(gòu)塑性鉸的分布情況，以考察結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制及可能的破壞形式?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的變形能力與框架的破壞機(jī)制密切相關(guān)。研究表明，梁先屈服，可使整個(gè)框架有較大的內(nèi)力充分布和能量消能耗能力，極限層間位移增大，抗震性能較好。合理的屈服機(jī)制可使框架結(jié)構(gòu)具有多道抗震防線，提高延性，如圖5(a)、(c)所示，否則易出現(xiàn)薄弱樓層坍塌，如圖5(b)所示。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，理想的“完全梁鉸機(jī)制”難以實(shí)現(xiàn)，如圖5(c)，原因復(fù)雜如梁端超筋、現(xiàn)澆樓板以及梁柱抗彎承載力比值等[14]。因而，有效實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”整體型屈服機(jī)制一直是框架結(jié)構(gòu)抗震性能的研究重點(diǎn)。

圖5 框架結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制Fig.5 The failure mode of frame

根據(jù)結(jié)構(gòu)達(dá)到最大層間位移時(shí)的塑性區(qū)域分布，來(lái)考察結(jié)構(gòu)的破壞模式，以El-centro波為例，中震作用下，可以看出，RC框架各層梁端均形成塑性鉸，除底層柱腳以外，2層中柱底部及3層中柱頂部形成了塑性鉸，RC結(jié)構(gòu)的層間位移最大時(shí)刻的塑性鉸分布如圖6(a)所示；對(duì)比之下，ADPH框架只有梁端的人工塑性鉸部分進(jìn)入塑性階段，屈服機(jī)制為“完全梁鉸”模式，如圖6(b)所示。

圖6 模型屈服機(jī)制Fig.6 The failure mode of models

大震作用下，除底層柱腳外，RC框架塑性區(qū)域集中在各層中柱的節(jié)點(diǎn)區(qū)域及梁柱部分，且2層柱的上部及下部均出現(xiàn)塑性鉸并形成薄弱層，為典型的“柱鉸”破壞模式，如圖6(c)所示；ADPH框架塑性區(qū)域均集中在梁端的人工消能塑性鉸部分，且僅2層、3層的中柱底部出現(xiàn)塑性鉸，結(jié)構(gòu)形成“部分梁柱鉸”整體性的屈服機(jī)制，如圖6(d)所示?？梢?jiàn)，ADPH框架的變形主要集中在人工塑性鉸位置，說(shuō)明通過(guò)人工塑性鉸的設(shè)計(jì)可將塑性區(qū)域控制在消能鋼板部位。從而保護(hù)節(jié)點(diǎn)，避免柱上、下端均屈服的情況，使結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“梁餃”的理想破壞模式，且在震后可更換消能鋼板，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷控制。

3.4 人工消能塑性鉸彎矩-轉(zhuǎn)角曲線分析

研究表明，當(dāng)結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)時(shí)，很小的阻尼增量就可以減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，但結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性階段后，阻尼耗能在總耗能中的比例不斷減小，滯回耗能隨結(jié)構(gòu)非線性變形的發(fā)展而起主導(dǎo)作用。以El-centro波為例，在大震及中震作用下，分別提取RC框架1層、2層中節(jié)點(diǎn)梁端及ADPH框架梁端消能鋼板段的彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線，以考察梁、柱節(jié)點(diǎn)位置處的能量滯回耗散情況，圖7為大震作用下框架2層中節(jié)點(diǎn)梁端的彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線，可見(jiàn)，在大震作用下RC框架梁端最大轉(zhuǎn)角約為0.6%，滯回曲線不飽滿，捏縮效應(yīng)嚴(yán)重。相比之下，ADPH框架梁端最大轉(zhuǎn)角可達(dá)1.2%，且滯回曲線較為飽滿。同時(shí)，根據(jù)滯回環(huán)所包圍的總面積以計(jì)算節(jié)點(diǎn)累積耗散的總能量Esum，如表2所示，ADPH框架累計(jì)耗能相較RC框架提高約39%。可見(jiàn)ADPH框架通過(guò)人工塑性鉸構(gòu)造，增強(qiáng)了梁端的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，使低屈服點(diǎn)的消能鋼板高效往復(fù)變形耗能，增加了節(jié)點(diǎn)的滯回耗能，有效提高耗能能力。

表2 人工消能塑性鉸節(jié)點(diǎn)耗能能力Table 2 Energy dissipations of ADPH joint

圖7 梁端彎矩-轉(zhuǎn)角曲線Fig.7 Moment-rotation curves of beam end of joint

3.5 地震響應(yīng)時(shí)程曲線分析

通過(guò)地震時(shí)程分析，提取結(jié)構(gòu)在各地震波激勵(lì)下的層間位移時(shí)程曲線。根據(jù)振型分析及時(shí)程分析的結(jié)果可知，最大層間位移角(maximum inner-storey drift ratio，MIDR)主要集中在框架結(jié)構(gòu)的1、2層，因此提取結(jié)構(gòu)前2層的最大層間位移角，以評(píng)估結(jié)構(gòu)體系的整體損傷程度，如表3所示，可見(jiàn)在中震及大震作用下，ADPH框架的MIDR相較RC框架均有降低，結(jié)構(gòu)整體的損傷程度減小，與結(jié)構(gòu)的破壞模式相符。

以El-centro波為例，中震作用下ADPH框架的最大層間位移角相較RC框架明顯減小，1層MIDR由1.04%減少至0.6%(降幅41.4%)；2層MIDR由1.54%降至0.9%(降幅41.2%)，如圖8(a)、(b)所示；大震作用下，1層MIDR由1.46%減少至0.91%(降幅38%)，2層MIDR由1.96%減少至1.63%(降幅18%)。RC結(jié)構(gòu)最大層間位移發(fā)生在第2層，層間位移角已接近抗震規(guī)范限制的2%，ADPH結(jié)構(gòu)則小于1.6%，如圖8(c)、(d)所示。表明通過(guò)人工消能塑性鉸構(gòu)造，使框架具有良好的變形機(jī)制，并通過(guò)ADPH消能鋼板滯回耗能，有效減小結(jié)構(gòu)的最大層間位移角，控制整體位移。

表 3 地震層間位移角響應(yīng)Table 3 Summary of the maximum structural story drift ratios

圖8 地震作用下位移時(shí)程曲線Fig.8 Moment-rotation curves of beam end of joint

4 結(jié)論

1)人工消能塑性鉸框架結(jié)構(gòu)相較純RC框架結(jié)構(gòu)具有良好的屈服機(jī)制，在中震作用下，結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制為理想的“強(qiáng)柱弱梁”整體型；大震作用下，結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制為“部分梁柱鉸”整體型，而沒(méi)有出現(xiàn)“柱鉸模式”，避免了薄弱層的產(chǎn)生。

2)通過(guò)層間位移角時(shí)程響應(yīng)和結(jié)構(gòu)的耗能能力對(duì)人工消能塑性鉸框架結(jié)構(gòu)體系的抗震性能進(jìn)行了研究，分析表明通過(guò)設(shè)計(jì)消能段的材料屈服強(qiáng)度及截面形式等參數(shù)，可使結(jié)構(gòu)的最大層間位移角減小，控制結(jié)構(gòu)整體位移，提高抗震性能。

3)人工消能塑性鉸可將損傷集中在消能鋼板上，實(shí)現(xiàn)損傷控制，結(jié)合裝配化的建造模式，可在震后僅更換消能構(gòu)件，減少震后修復(fù)的成本。