震損可原位修復組合柱抗震性能

黃婷婷， 郭子雄,2， 劉陽,2， 黃群賢,2， 呂英婷

(1. 華僑大學 土木工程學院， 福建 廈門 361021；2. 福建省結構工程與防災重點實驗室， 福建 廈門 361021)

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震損可原位修復組合柱抗震性能

黃婷婷1， 郭子雄1,2， 劉陽1,2， 黃群賢1,2， 呂英婷1

(1. 華僑大學 土木工程學院， 福建 廈門 361021；2. 福建省結構工程與防災重點實驗室， 福建 廈門 361021)

采用ABAQUS建立新型組合柱的有限元模型，對組合柱低周往復荷載作用下的全過程進行數值仿真，分析新型組合柱的受力機理.研究表明：按照“強柱弱阻尼”理念合理設計的新型組合柱具有良好的抗震性能；大位移角下塑性變形集中于軟鋼阻尼器，能有效地控制結構的損傷部位，并實現震后的快速原位修復.

組合柱; 性能可恢復; 原位修復; 抗震性能; 有限元分析

在結構工程領域和可持續發展領域，抗震建筑結構損傷部位的可控性和良好受力性能的要求能夠有效控制結構的損傷程度，并成為今后性能化抗震設計的重要內容[1].結構震后損傷的快速修復和建筑功能的快速恢復越來越得到結構工程領域專家學者的重視，并開展了大量的研究工作[2-5].對于RC(reinforced concrete)框架在較大地震作用下，按現行抗震規范設計的梁鉸機構框架仍不可避免地會在底層柱下端出現塑性鉸，震后難以修復或修復難度大、成本高，周期長.課題組針對RCS(reinforced concrete column to steel beam)混合結構[7-9]或RC框架結構的底層RC柱腳，提出了兩種新型裝配式震損可更換組合柱拼裝節點構造[10]，完成了9個大比例組合柱試件的低周反復加載試驗[11].研究表明：新型組合柱試件損傷部位集中于可更換消能件處，實現了預期的破壞模式和快速修復功能.為進一步優化RC柱腳可替換構造，本文在課題組前期研究的基礎上提出一種帶軟鋼阻尼器的新型組合柱腳[12].

圖1 可原位修復組合柱腳構造示意圖Fig.1 Structure of repairable-on-site composite column

1 新型組合柱簡介

1.1 構造及工藝

為改善框架結構柱腳的受力性能，提高其裝配施工的適應性，實現震損框架柱腳的原位修復，提出一種可原位修復的帶位移型軟鋼阻尼器的新型組合柱構造形式，如圖1所示.組合柱腳主要由柱腳鋼板桶、軟鋼阻尼器和與之相應的T型連接板組成.

鋼板桶與混凝土柱澆筑成為一整體，其內側設置有栓釘，內嵌于鋼筋混凝土柱上，可用于抵抗鋼板桶所受到的剪力和掀起力；連接板T型頭部固定安裝在地梁上，外側設置有三角形加勁肋，可以提供連接板水平方向的抗剪強度；軟鋼阻尼器通過摩擦型高強度螺栓連接，便于拆卸安裝；同時，在滿足結構剛度需求的前提下，軟鋼板上開設的長槽為結構提供良好的耗能能力.新型組合柱腳構造可置于建筑地面以下，并不影響建筑的正常使用.

在大地震作用下，當新型組合柱柱腳遭受較大損害時，只需將軟鋼阻尼器拆卸替換.阻尼器位于柱子周邊，可以很方便地實現原位替換.

1.2 受力機理

在豎向荷載作用下，軸力通過RC柱及柱腳鋼板桶傳遞至地梁，軟鋼阻尼器不參與受力；在水平荷載作用下，通過柱身產生側向傾斜，由柱腳鋼板桶帶動軟鋼阻尼器的耗能板產生豎向平面內的剪切變形，并提供柱腳抗彎承載力.軟鋼阻尼器耗能板屈服產生較大的塑性變形，吸收并耗散大部分的地震能量，保護RC柱腳組合柱不受損壞，從而保證結構豎向承載力的穩定性.

小震時，合理設計的軟鋼耗能板通過平面內受力，提供足夠的強度和較大的初始剛度，各構件均處于彈性狀態，保證結構在正常使用狀態下的完好功能.

大震時，柱腳轉動超過彈性變形極限，軟鋼阻尼器發生剪切屈服，在保證柱腳受彎承載力不降低的前提下,消耗地震能量，很好地保護結構柱不發生破壞，保證結構不發生倒塌.

2 組合柱承載力計算

強柱弱阻尼的設計是保證新型組合柱損傷可控和震壞可修復的前提.軟鋼阻尼器的屈服強度(Vy)，極限強度(Vu)設計及變形(δy)計算[13]分別為

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中：n為單片軟鋼阻尼器中板帶的數目；B為板帶的寬度；t為軟鋼阻尼器的厚度；H′=H+2r2，H為板帶的高度；HT為板帶的總高.

軟鋼阻尼器設計，如圖2所示.新型組合柱的受力分析簡圖，如圖3所示.

柱腳鋼板桶內混凝土存在一定的受壓區，考慮柱頂軸力形成抗傾覆力矩的有利影響(暫不考慮軟鋼阻尼器水平軸力的影響)，柱腳抗彎承載能力為M=MVDV1+MN,MVDV1=VDV1l1+VDV2l2,MN=N(b-x)/2.其中：M為柱腳承擔的總彎矩；x為受壓區混凝土合力點到較近柱外邊緣的距離；b為柱截面高度；l1和l2為兩邊阻尼器板帶高度中心到柱腳中和軸的距離.

圖2 軟鋼阻尼器設計 圖3 新型組合柱受力分析Fig.2 Design of mild steel damper Fig.3 Mechanical analysis of the composite columns

3 有限元模型的建立

為研究新型組合柱的抗震性能，采用有限元分析程序ABAQUS對其進行有限元模擬，使用ABAQUS/Standard分析模塊，三維實體建模.

3.1 試件設計

有限元模型(finite element model，FEM)模擬共設計3個新型組合柱試件，考慮軸壓比的影響，對新型組合柱的受力性能、破壞形態及滯回特性等進行研究.試件幾何尺寸、截面配筋,如圖4所示.圖4中：軟鋼阻尼器采用Q235；厚度為12 mm.材料性能,如表1所示.表1中：d為鋼筋直徑；fy為屈服強度；Es為彈性模量；ε為屈服應變.

圖4 試件尺寸及配筋Fig.4 Dimension and reinforcement of specimen

混凝土采用C30混凝土；立方體抗壓強度取fcu=30 MPa；柱縱筋采用HRB400級鋼筋；箍筋為HPB300級鋼筋；連接螺栓采用10.9級M20高強度螺栓；水平力合力點(反彎點)距地梁頂部1 400 mm；令試件的設計軸壓比為n=N/(fcA)，其中，n分別為0.1,0.3,0.5，N為設計軸力，N=1.25Nk，Nk為模型實際軸壓力.

圖5 試件有限元模型Fig.5 FEM modal

材料d/mmfy/MPaEs/MPaεyQ235122352．05×1050．0011M10．9209002．10×1050．0043縱筋204002．10×1050．0019箍筋83002．00×1050．0015

3.2 FEM模型

FEM模型，如圖5所示.圖5中：地梁底面為固端約束；地梁頂面與RC柱底面為摩擦面接觸；RC柱上端為自由端.混凝土柱與組合柱腳鋼構件采用八結點線性六面體減縮積分單元(C3D8R)模擬，鋼筋采用兩節點線性三維桁架單元(T3D2).將開有洞口的鋼構件設為六面體掃掠網格.為避免應力集中，在支座及加載位置處增設彈性墊塊.

3.2.1 材料本構 混凝土采用ABAQUS中的混凝土損傷塑性模型，主要的破壞形態為混凝土受壓壓潰與受拉開裂；采用的混凝土損傷塑性模型流動法則為非關聯流動法則；塑性勢面采用Drucker Prager雙曲線函數.混凝土本構關系受壓行為采用Saenz模型[14]，受拉行為采用過鎮海建議的受拉應力-應變全曲線方程[15].鋼材的本構關系采用理想彈塑性模型，泊松比為v=0.3.

3.2.2 邊界條件及加載方式 新型組合柱試驗模擬采用柱端(反彎點)加載方式.加載時，軸力先以面荷載的形式施加于柱頂剛性加載板，并保持恒定.然后,再對柱端施加水平荷載.水平荷載以位移的形式施加，共進行5個位移角的施加，分別為1/200，1/100，1/50，1/30，1/25，每個位移角循環一次.

3.2.3 接觸設置與預應力的施加 新型組合柱中軟鋼阻尼器螺栓和連接板的界面模型處理是合理模擬其力學性能的關鍵.接觸界面模型中，法線方向使用硬接觸，使法向應力能夠在界面間傳遞；切線方向使用罰函數庫倫摩擦模型，摩擦系數為0.45(模擬接觸面采用噴砂處理)[16]，并在螺桿和孔壁的弧形接觸中使用自動平滑3D幾何表面.

螺栓的預緊力通過對螺桿采用降低溫度場的方法來施加，其中，鋼材的熱膨脹系數取α=1.2×10-5[14].對于實際的焊接，在有限元模型中采用綁定約束模擬；同時，為簡化分析，柱腳鋼板桶和鋼筋通過Embedded方式嵌入混凝土柱中；T型連接板和地梁簡化為綁定約束.

圖6 可原位組合柱腳破壞形態Fig.6 Failure mode of repairable-on-site composite column

4 FEM模擬結果及分析

4.1 破壞形態

采用強柱弱阻尼理念設計新型組合柱試件,其破壞形態均為軟鋼阻尼器破壞，典型的破壞形態,如圖6所示.塑性變形集中于軟鋼阻尼器，大面積進入塑性屈服狀態；鋼筋混凝土柱和其他鋼構件則基本處于彈性受力階段.由圖6可知：新型組合柱的連接構造可有效避免RC柱產生不可修復的損傷.

4.2 滯回性能

金屬材料進入塑性狀態后仍具有良好的滯回特性，試件加載端水平荷載(P)-位移(Δ)滯回曲線，如圖7所示.新型組合柱試件展現了穩定的承載能力和良好的滯回耗能能力，滯回曲線飽滿.曲線在水平位移零點左右存在著一定的捏縮現象，取1/25位移角及下一個循環的曲線對滯回特點進行說明.新型組合柱腳在軸力N和水平力P作用下，軟鋼阻尼器產生豎向剪力VDV和水平拉壓力VDH，RC柱底面反力RFV分布于柱底邊緣.當試件位于A點時，VDV1達到峰值，VDV2略小于VDV1，兩邊阻尼器都處于屈服狀態，試件承載力達到最大；逐漸卸載至B點時，軟鋼阻尼器所受剪力慢慢減小，直至反向慢慢增大，因而水平力P隨著逐漸減少甚至反向；反向加載至C點時，VDV達到強化階段，水平力增加緩慢，柱腳鋼板桶和地梁的接觸點也慢慢轉移至對邊，彎矩方向發生改變，且因新型柱腳對邊緣抬起，C點到D點水平荷載增速加快，表現為剛度的突增.

(a) RCC-1 (b) RCC-2 (c) RCC-3圖7 試件P-Δ滯回曲線Fig.7 P- Δ hysteretic curves of specimens

圖8 試件P-Δ骨架曲線Fig.8 P-Δ skeleton curves of specimens

各新型組合柱試件的荷載位移骨架曲線對比，如圖8所示.由圖8可知:由于新型組合柱在水平荷載作用下的塑性變形主要集中于軟鋼阻尼器上，試件加載荷載-位移骨架曲線主要經歷了彈性階段、屈服階段和強化階段.阻尼器的設置提供了構件較大的初始剛度，軟鋼材料充分的強化使試件具有穩定的承載能力，變形性能良好.與傳統RC柱相比，帶軟鋼阻尼器的試件的剛度和承載力由阻尼器控制，通過對軟鋼耗能板彈性剛度和強度的合理設計，可以更好地控制結構的層間位移和損傷部位.

不同軸壓比下，隨著軸壓比的增加，試件的初始剛度略有增加但不明顯；由于軸力限制了柱腳的抬起，強柱弱阻尼破壞形態的試件承載力隨軸壓比的增加有明顯的增加；各試件RC柱身在鋼板桶口附近應力較大，達到極限應變的區域隨著軸壓力和軟鋼強度的增加而增大，但RC柱仍然大部分保持在彈性范圍內，表明阻尼器的設置有效地抑制了RC柱腳的嚴重塑性變形現象.

5 結論

1) 提出了一種震損可原位修復組合柱構造形式，可實現預制裝配施工，具有穩定的承載能力和良好的變形能力，抗震性能良好.

2) 合理設計的新型組合柱可使試件的塑性變形集中于軟鋼阻尼器上，而使RC柱身保持彈性狀態，可實現強柱弱阻尼的設計目標，實現震損后的原位快速修復.

3) 一定范圍內，軸壓比在提高試件的抗彎承載能力的同時對試件的延性影響很小，軸壓比限值可比傳統RC柱適當放寬.

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(責任編輯： 陳志賢 英文審校： 方德平)

Study on Seismic Behavior of Repairable-on-Site Composite Column

HUANG Tingting1, GUO Zixiong1,2， LIU Yang1,2,HUANG Qunxian1,2, LYU Yingting1

(1. College of Civil Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China;2. Key Laboratory for Structural Engineering and Disaster Prevention of Fujian Province, Xiamen 361021, China)

The finite element analysis model of the composite column was established with ABAQUS, and the whole process of mechanical behavior was simulated under low cyclic loading. The result indicates that the proposed composite column with strong column-weak damping performed owns favorable seismic behavior, the plastic deformation is concentrated on the mild steel damper under large displacement angle, which can effectively control the damage position of structures. The rapid repairable-on-site can be conducted after earthquake.

composite column; performance recovery; repairable-on-site; seismic behavior; finite element analysis

10.11830/ISSN.1000-5013.201606006

2015-12-09

劉陽(1982-)，男，副教授，博士，主要從事鋼-混凝土組合結構的研究.E-mail:lyliuyang@hqu.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(51378228， 51578254)； 福建省自然科學基金資助項目(2013J01197)

TU 398

A

1000-5013(2016)06-0686-05