吳 軼, 楊 春, 黃照棉, 曾春輝
(1.廣州大學 土木工程學院, 廣東 廣州 510006; 2.華南理工大學 a.土木與交通學院; b.亞熱帶建筑科學國家重點實驗室, 廣東 廣州 510640)
基于破壞模式的改進剪力墻雙參數(shù)損傷模型
吳 軼1, 楊 春2, 黃照棉1, 曾春輝1
(1.廣州大學 土木工程學院, 廣東 廣州 510006; 2.華南理工大學 a.土木與交通學院; b.亞熱帶建筑科學國家重點實驗室, 廣東 廣州 510640)
由于單一的性能指標難以對復雜高層剪力墻結構進行全面的抗震性能評估,通過引入考慮結構首次超越破壞和累積損傷破壞的雙參數(shù)損傷模型,借助構件或結構的側移、能量等性能參數(shù)評估結構的損傷狀態(tài),但現(xiàn)有的剪力墻雙參數(shù)損傷模型缺乏考慮剪力墻不同破壞模式對損傷模型計算的影響,不同破壞模式試件側移與累積滯回耗能差異近1倍,采用同樣參數(shù)計算易導致低估剪壓破壞類型試件的損傷狀態(tài),以至于錯誤判斷結構抗震性能.為了彌補現(xiàn)有損傷模型評估不足,結合32個剪力墻試驗試件,分析不同破壞模式剪力墻試件極限位移與滯回耗能對損傷計算的影響,提出改進的剪力墻雙參數(shù)損傷模型,使之適用于評估不同破壞模式剪力墻試件的損傷狀態(tài),同時以剪力墻裂縫控制、承載力變化和層間側移為性能指標,建立剪力墻試件損壞程度、破壞現(xiàn)象與損傷指數(shù)的對應關系,提出改進的剪力墻性能水準劃分標準,完善剪力墻損傷評估體系.最后通過低周反復試驗試件驗證了改進損傷模型的合理性.結果表明,本文提出的損傷模型計算曲線與試件實際損傷曲線吻合良好,能合理評估構件不同階段的損壞程度,為進一步研究地震作用下剪力墻的損傷評估以及完善剪力墻性能化設計提供借鑒和參考.
損傷模型; 剪力墻; 性態(tài)水平; 破壞模式; 能量項損傷占比
對于復雜高層建筑結構(尤其是剪力墻結構、框架剪力墻結構、框架-核心筒結構),采用單一位移指標對結構抗震性能進行評估和設計時,無法考慮地面運動持時引起結構的累積損傷破壞,難以反映累積損傷引起的結構破壞這一因素[1-2].通過引入基于位移和能量的雙參數(shù)損傷模型,以位移指標考慮結構“首次超越破壞”和以能量指標考慮結構“累積損傷破壞”,共同對結構的抗震性能進行評估,彌補單一的性能指標難以對結構進行全面的抗震性能評估的問題.
鋼筋混凝土剪力墻作為一種廣泛應用于高層建筑的抗側力構件,其抗震性能決定了結構安全性能.為了能準確評估剪力墻構件的抗震性能,合理的損傷模型以及能夠反應結構構件實際破壞的性能水準劃分標準兩者缺一不可.對于剪力墻的損傷模型,國內(nèi)外學者分別以位移、剛度和能量等參數(shù),通過單獨或組合的方式來評估剪力墻構件的損傷情況.文獻[3]和[4]分別對9片和7片不同設計參數(shù)的鋼筋混凝土剪力墻構件進行了單調(diào)與低周反復加載試驗,考察試件在循環(huán)加載后其損傷和力學性能的變化規(guī)律,為進一步建立能評估剪力墻損壞程度的損傷模型提供試驗支撐;文獻[5]基于理想彈塑性結構的恢復力模型,依據(jù)實驗數(shù)據(jù)對Park-Ang損傷模型進行了修正,確定模型參數(shù);文獻[6]提出了適用于高強混凝土剪力墻構件的雙參數(shù)地震損傷模型.對于剪力墻性能水準標準,通過對低周反復作用下剪力墻試件側移、裂縫發(fā)展等破壞現(xiàn)象研究總結,文獻[7]進行了剪力墻結構及構件基于性態(tài)的設計方法的研究,提出了以裂縫發(fā)展和層間側移控制的各級性態(tài)水準劃分;文獻[8]和[9]提出以剪跨比、軸壓比和彎剪比3個參數(shù)劃分剪力墻的破壞形態(tài),并提出小、中、大震下RC剪力墻構件的塑性變形限值.
上述文獻分別對剪力墻損傷破壞機理、不同類型的剪力墻損傷模型以及剪力墻性能水準量化分析等方面進行了研究,但是所提損傷模型并沒有考慮剪力墻不同破壞模式對損傷模型計算的影響,由于不同破壞模式的剪力墻試件極限位移與累積滯回耗能差異近1倍,采用同樣參數(shù)的損傷模型計算不同破壞模式剪力墻試件的損傷情況時,會低估剪壓破壞類型剪力墻的損傷狀態(tài),導致錯誤判斷結構抗震性能.而關于剪力墻構件性態(tài)水平描述,現(xiàn)有研究主要集中在剪力墻層間側移和裂縫發(fā)展情況,沒有考慮在低周反復荷載作用下試件承載力變化等其他試驗現(xiàn)象,缺乏與損傷模型匹配的各個破壞狀態(tài)損傷指數(shù)的量化區(qū)分,不能直接與損傷模型共同使用,評估剪力墻構件的損傷情況.
基于建立在鋼筋混凝土梁、柱試驗上的Park-Ang損傷模型,文獻[5]以結構構件的累積塑性耗能與單調(diào)荷載作用下的塑性耗能能力的比值作為能量項來考慮滯回耗能對損傷指標的貢獻,物理意義更為明確,并通過11個以彎曲破壞為主,試件高寬比均為2.0,軸壓比為0.3~0.4的剪力墻低周反復試驗試件,提出了改進的剪力墻雙參數(shù)損傷模型,如公式(1)所示.
(1)
其中,δ,δy和δm分別為構件加載過程中的實時位移、屈服位移和極限位移,δy和δm可參考文獻[7]公式計算或由試驗直接測得;Qy為構件屈服位移時刻對應的荷載;∫dE為累積滯回耗能;α和β為相應參數(shù).
本文基于文獻[5]補充32個低周反復剪力墻試驗試件[10-17],形成軸壓比范圍為0.1~0.4、剪跨比范圍為1.0~2.0、混凝土等級范圍為C30~C80的樣本集,按照剪力墻破壞形式類型劃分試件,提出不同破壞類型的剪力墻損傷計算方法.其次,綜合剪力墻試件破壞過程中裂縫發(fā)展[7]、承載力變化以及層間側移等指標描述劃分剪力墻性能水準,建立與改進的損傷模型相配套使用的剪力墻性能劃分標準,完善剪力墻構件性能評估體系.最后基于修正的損傷模型計算結果,分析所收集試件累積滯回耗能對試件損傷的影響,以得出有意義的結論服務于剪力墻結構設計工作.
剪力墻構件的破壞形態(tài)主要分為剪壓破壞、彎剪破壞和彎曲破壞3種基本類型,不同破壞形態(tài)剪力墻的變形性能、耗能能力存在很大的差異,其中剪壓破壞的延性和耗能能力最差,彎剪破壞次之,彎曲破壞一般具有較好的變形能力與耗能能力.為說明3種破壞類型剪力墻試件位移以及累積滯回耗能對損傷計算的影響,本文通過1個實例說明不同破壞形態(tài)剪力墻損傷計算差異,然后對試件的位移和累積滯回耗能進行分析,說明產(chǎn)生問題的原因,最終建立基于不同破壞模式的剪力墻雙參數(shù)損傷模型.
文獻[13]中9片低周反復剪力墻試件,涵蓋了3種不同破壞形式,選用發(fā)生剪壓破壞的試件SJ-1、彎剪破壞試件SJ-4以及彎曲破壞試件SJ-7 3個試件進行損傷計算,試件尺寸參數(shù)、試驗過程中極限位移與累積滯回耗能等數(shù)據(jù)見表1.采用公式(1)損傷模型計算3片剪力墻試件的損傷情況,損傷指數(shù)-側移率曲線見圖1.由圖1可見,同樣達到嚴重破壞的3個不同破壞類型的構件,彎剪破壞和彎曲破壞2種類型的損傷計算比較接近,2者均大于0.85,反映了構件在反復加載后出現(xiàn)嚴重破壞甚至失效破壞的情況,而剪壓破壞類型的構件損傷計算結果明顯要偏低,損傷指數(shù)僅為0.62,遠小于嚴重破壞與失效破壞狀態(tài)的臨界損傷指數(shù)0.85,可見公式(1)計算結果低估了剪壓破壞類型剪力墻的損傷狀態(tài).
為了更加形象地說明損傷計算過程中的問題,結合文獻[18]中提出的“雙參數(shù)損傷模型計算原理的圖形解釋”等研究內(nèi)容,以圖形方式解釋損傷模型的計算過程,找出導致?lián)p傷誤判的原因.損傷模型圖形解釋如圖2所示,其中,x、y軸分別代表試件累積滯回耗能和變形對試件損傷的影響;紅線代表試件的破壞界限,即損傷指數(shù)D=1的破壞面;x和y的坐標值分別為雙參數(shù)損傷模型計算試件能量項和變形項的損傷值,通過判斷由x與y坐標確定的點是否落在破壞面上,以評估試件是否達到極限破壞.

表1 不同類型剪力墻的截面參數(shù)

圖1 損傷模型計算不同破壞類型剪力墻損傷

圖2 雙參數(shù)損傷模型的圖形解釋

剪壓破壞類型剪力墻由于能量項值E1較小,采用同樣的參數(shù)b會減小剪壓破壞試件能量項損傷占總體損傷的比重,導致?lián)p傷模型計算結果低估剪壓破壞試件的損傷狀態(tài),故損傷模型需要按剪力墻破壞形態(tài)分類對耗散系數(shù)b進行修正,以使得剪壓類型試件破壞面由紅線位置調(diào)整到虛線位置.
因所收集試件通過能量等值法、幾何等值法或直接以試驗過程中鋼筋的屈服等不同方式確定試件的屈服點[9],為統(tǒng)一計算方式和簡化計算流程,本文從能量項損傷定義出發(fā)[5],以試件低周反復作用下骨架曲線與坐標軸圍成面積近似為結構單調(diào)荷載作用下的塑性耗能,通過與試件的累積塑性耗能值比較直接反映構件累積滯回耗能帶來的損傷影響,避免公式(1)中由于屈服點計算方式不確定導致屈服力與位移的計算差異對損傷計算的影響.最后通過擴大試驗試件樣本,令試件達到極限破壞時對應的損傷指標等于1,反算不同破壞類型試件損傷模型公式的組合系數(shù).修正后參數(shù)a=1.448 0,當試件發(fā)生剪壓破壞時,b=0.082 8,而其余破壞類型,b=0.046 0.經(jīng)過調(diào)整耗能因子后,SJ-1最終的損傷值為0.827 0,改善了原有計算方式低估試件SJ-1損傷狀態(tài)的情況.修正后損傷模型公式如下:
(2)

合理的剪力墻損傷模型和基于實際破壞現(xiàn)象劃分的剪力墻性態(tài)水準都是剪力墻損傷評估體系中不可缺少的.文獻[7]提出剪力墻構件破壞程度、層間位移角和破壞現(xiàn)象描述的對應關系,給出了具體的位移角數(shù)值以及裂縫控制的數(shù)值,但缺乏考慮構件承載力變化等破壞現(xiàn)象,損傷水準描述還有待進一步完善.另外,文獻[7]缺乏與損傷模型相配套的不同破壞狀態(tài)對應的損傷指數(shù)范圍,無法對損傷模型計算結果進行評估,影響了損傷評估體系的應用.因此,本節(jié)將從完善性能水準描述以及提出不同破壞狀態(tài)與損傷指數(shù)的對應關系等2個方面,完善剪力墻損傷評估體系應用.
首先,基于剪力墻裂縫控制以及層間位移量化分析的研究成果,補充所收集剪力墻試件試驗過程中承載力變化等其它實際破壞現(xiàn)象,以裂縫控制、承載力變化、層間側移率等破壞現(xiàn)象分析量化剪力墻損傷破壞程度,進一步完善剪力墻性能水準描述,見表2.

表2 損壞程度與構件實際破壞情況對應關系
然后,在完善性能水準描述工作的基礎上,利用公式(2)計算所收集剪力墻試件的損傷指數(shù),并以表2損壞程度量化關系確定試件的破壞狀態(tài),結果見表3.最后,根據(jù)表3的計算結果,以各個損傷階段的均值對剪力墻各個破壞狀態(tài)的損傷指數(shù)進行劃分,完善性能水準與損傷指數(shù)間的配套關系,結果見表4.
為驗證損傷模型的合理性,對具有詳細描述破壞過程的試件進行全過程損傷計算與對比.從構件實際破壞現(xiàn)象入手,評估構件的實際損傷狀態(tài)與損傷指數(shù),繪制構件的實際損傷曲線,然后通過與模型計算的損傷指數(shù)曲線對比,分析損傷模型計算結果的正確性,見圖3.限于篇幅,試件詳細的試驗破壞現(xiàn)象參考文獻[14-15].
由于試件JLQ03~JLQ09損傷驗證對比結果與試件HPCW01~HPCW07類似,故只給出JLQ系列試件驗算對比圖,而對HPCW系列試件進行延性、滯回耗能以及破壞順序等方面的對比驗證.
試件HPCW01~04:損傷模型得出的計算曲線與實際試件損傷曲線具有一致的發(fā)展趨勢,對試件各個破壞狀態(tài)的評估較為合理.在試件HPCW01與試件HPCW03的模型損傷曲線對比中,前者曲線較陡,進入各個損傷階段要早于后者,

表3 構件各個損壞程度對應損傷指數(shù)

圖3 試件實際與模型損傷指數(shù)曲線對比

損壞程度基本完好輕微破壞中度破壞嚴重破壞失效損傷指數(shù)0~0.200.20~0.400.40~0.650.65~0.850.85~1.00
這與試驗過程中,前者早于后者進入屈服和后期各項破壞相吻合.4個試件中,HPCW04的損傷曲線最平緩,各個破壞狀態(tài)均晚于其他3者,延性最好,這與試驗結果相對應.
試件HPCW05~07:損傷模型計算得出的損傷曲線與試件實際損傷曲線吻合良好,個別試件如HPCW07后期破壞速度較為急促,破壞早于其他兩榀剪力墻試件,這與試驗過程中,試件HPCW07裂縫發(fā)展不充分,極限位移僅為HPCW05的70%,滯回耗能僅為HPCW05的55%等實際破壞現(xiàn)象相對應.
試件JLQ03~09與HPCW01~07的對比結果類似,模型的損傷計算曲線與試件實際損傷曲線對應較好,曲線發(fā)展趨勢趨于一致,模型的損傷計算曲線包絡了構件的實際損傷曲線,能體現(xiàn)構件的實際破壞狀況,具有合理性和參考價值.
本文通過對剪力墻不同破壞模式、剪力墻性能水準劃分以及剪力墻損傷分析研究,得出以下結論:
(1)通過對剪力墻不同破壞模式下極限位移與滯回耗能的研究分析發(fā)現(xiàn),3種不同破壞模式的剪力墻達到嚴重破壞時,剪壓破壞類型其剪力墻極限位移以及滯回耗能僅為彎剪破壞和彎曲破壞類型的一半.由于剪壓破壞試件能量項數(shù)值較小,采用同樣參數(shù)計算不同破壞模式的剪力墻損傷時,會弱化了剪壓破壞試件能量項損傷占總體損傷的比重,導致出現(xiàn)低估了剪壓破壞試件的損傷狀態(tài).
(2)結合32個剪力墻試驗試件,分析不同破壞模式剪力墻試件極限位移與滯回耗能對損傷計算的影響,以圖解說明方式解釋損傷模型低估剪壓破壞試件損傷狀態(tài)的原因,并以此改進現(xiàn)有的剪力墻雙參數(shù)損傷模型,使之適用于評估不同破壞模式剪力墻試件的損傷狀態(tài).同時以剪力墻裂縫控制、承載力變化和層間側移為性能指標,建立剪力墻試件損壞程度、破壞現(xiàn)象與損傷指數(shù)的對應關系,提出改進的剪力墻性能水準劃分標準,完善剪力墻損傷評估體系.
(3)最后通過低周反復試驗試件驗證了改進損傷模型的合理性.結果表明,本文提出的損傷模型計算曲線與試件實際損傷曲線吻合良好,能合理評估構件不同階段的損壞程度,為進一步研究地震作用下剪力墻的損傷評估以及完善剪力墻性能化設計提供借鑒和參考.
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【責任編輯: 周 全】
Improved bi-variables damage model for shear walls based on failure pattern
WUYi1,YANGChun2,HUANGZhao-mian1,ZENGChun-hui1
(1.School of Civil Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China; 2 a.School of Civil Engineering and Transportation;b.State Key Laboratory of Subtropical Building Science, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)
Since it is difficult to evaluate seismic performances of complex high-rise shear wall structure by using single performance index, bi-variable damage model considering first excursion failure and accumulated damage failure was adopted by using lateral displacement of components or structure and energy index. However, the effects of different failure patterns of shear wall were not included in existed bi-variable damage model. As the deviation of lateral displacement and accumulated energy dissipation for different failure patterns can be twice, the damage state of compression-shearing failure shear wall may easily be underestimated, and then the seismic performances of the structure be misjudged. Therefore, in the paper, 32 shear wall specimens were selected, the effects of ultimate displacement and hysteretic energy of shear wall specimens with different failure patterns on damage calculation were analyzed, and an improved bi-variable damage model for shear wall was proposed to reasonably evaluate damage states of shear walls in different failure modes. Meanwhile, by considering crack control of shear walls, change of bearing capacity and lateral displacement as performance index, relation of damage states of shear walls, failure phenomenon and damage index were built up, then an improved performance standard classification was set, and an damage evaluating system for shear walls was fulfilled. Finally, the rationality of the damage model was verified by experimental specimens under low frequency cyclic loads. Results show that damage curves calculated by damage model proposed in the paper fits well with the damage curves from the experimental results. New damage model for shear walls can evaluate damage states of components at different stages, which provides reference for further researches on the damage assessment of the shear wall under earthquakes and improvement on performance design of shear wall structures.
loss model; shear wall; performance level; failure mode; the proportion of energy item damage
2016-07-18;
2016-08-31
國家自然科學基金青年科學基金資助項目(51108104);廣東省自然科學基金資助項目(S2012010010074);市屬高校“羊城學者”資助項目(12A001D);省科技計劃資助項目(2013B020200016)及國家留學基金委資助項目
吳 軼(1973-),教授,博士.E-mail:cv-wuyi@gzhu.edu.cn
1671- 4229(2016)05-0013-08
TU 398+.9
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