預制裝配式混凝土結構停車樓彈塑性地震反應分析與評價
范新海1，馬榮全1,2，吳曉龍3，付 興3
（1．中國建筑第八工程局有限公司，上海200000;2．同濟大學建筑工程系，上海200092；
3．大連理工大學建設工程學部，遼寧大連 116024）
[摘要]裝配式結構與現(xiàn)澆結構有限元模型的最大區(qū)別在于節(jié)點處理方法，現(xiàn)澆結構的節(jié)點通常采用剛接，而裝配式結構的節(jié)點往往只是耦合某一個或多個自由度，因此確保建立的有限元模型能夠準確反應裝配式結構的動力特性非常重要。針對某裝配式結構采用ABAQUS軟件建模，文中介紹了節(jié)點的建模方法，同時采用ANSYS軟件對ABAQUS模型進行了校核。最后對該模型進行了彈塑性地震反應分析，驗算了底部剪力、層間位移及節(jié)點強度。通過對地震反應的結果進行分析可知：多遇地震及罕遇地震作用下，結構最大層間位移角小于規(guī)范限值；多遇地震作用下，節(jié)點基本處于彈性狀態(tài)，罕遇地震作用下，部分梁端節(jié)點、墻角節(jié)點屈服。
[關鍵詞]裝配式；有限元分析；裝配式節(jié)點；抗震驗算
[中圖分類號] TU311.3 [文章編號]1002-8498( 2016) 04-0014-05
1878年在巴黎博覽會英國展區(qū)Lascell展示了世界上第1個采用預制混凝土建造的建筑。我國預制混凝土起源于20世紀50年代，早期主要應用在工業(yè)廠房、住宅、辦公樓等建筑領域。50年代后期到80年代中期，絕大部分單層工業(yè)廠房都采用預制混凝土建造。80年代中期以后，我國預制混凝土建筑步入衰退期。21世紀后，預制混凝土由于它固有的一些優(yōu)點在我國又重新受到重視。
Smith等通過試驗研究了裝配式剪力墻的受力性能，結果表明在抗震領域采用裝配式剪力墻有很大潛力。Rizkalla等對7種常用剪力墻連接件進行了試驗研究，其試驗結果可用于裝配式結構的數(shù)值模擬。朱張峰和郭正興進行了預制裝配式剪力墻結構中間層邊節(jié)點的抗震性能試驗研究，對2個現(xiàn)澆試件和3個預制裝配試件進行低周反復荷載試驗，試驗結果表明預制裝配試件具有與現(xiàn)澆試件相當?shù)目拐鹦阅�。Corney等對預制樓板在地震下的損害進行了為期10年的調查，總體來說，預制樓板表現(xiàn)很好，只有少量出現(xiàn)破壞，調查表明預制樓板應該放在低摩擦支座上。Weldon等通過試驗研究了后張拉預制混凝土耦合梁的性能，給出了模型各參數(shù)在加載下的變化過程。趙斌等進行了全裝配式預制混凝土結構梁柱組合件抗震性’能試驗研究，結果表明，在實際工程應用中，應采取必要措施增加全裝配式節(jié)點的耗能能力。Zoubek等通過試驗和數(shù)值模擬研究了裝配式梁柱榫卯節(jié)點的破壞形態(tài)，對工程設計提出了一些建議。譚平等提出一種新型裝配式隔震節(jié)點，采用1/2縮尺模型對該新型裝配式隔震節(jié)點在低周反復荷載作用下的破壞形態(tài)、滯回特性、骨架曲線、延性性能、耗能能力等性能進行研究，并與現(xiàn)澆節(jié)點進行對比，結果表明，此類新型裝配式隔震節(jié)點應用于裝配式隔震結構是可行的。
Biondini等研究了環(huán)境腐蝕對低矮裝配式結構的影響，分析結果表明在全壽命周期內環(huán)境腐蝕對結構基底剪力和位移延性有很大影響。在SAFECAST計劃的資助下，Bournas等通過試驗研究了一個3層全尺度裝配式結構的連接件及樓板，Negro等進行了一系列全尺度3層裝配式結構的擬靜力試驗，同時提出了一種新的節(jié)點連接形式，結果表明提出的連接系統(tǒng)非常有效。朱張峰和郭正興對裝配式混凝土剪力墻結構底部4層1/2比例空間模型進行了低周反復荷載試驗，由于填充墻效應及局部現(xiàn)澆帶的有效約束，結構承載力及剛度得到提高，且有較大安全余度。Belleri等通過振動臺試驗及結構識別技術研究了一個3層1/2比例裝配式結構的損傷情況。
在我國預制裝配式結構的預制率一直不高，只有部分構件會在工廠預制，預制率在90%以上的大型公共建筑在此之前更未出現(xiàn)。下面本文就針對我國首例多層大跨度全預制裝配式停車樓進行整體抗震性能分析。
1 工程概況
一汽技術中心乘用車所建設項目停車樓位于長春市，建筑面積78 834. 64m2，停車樓分為a，b2棟，2棟停車樓對稱布置，預制率達到90%以上。項目停車樓地上7層，建筑高度為24m，結構形式采用預制裝配式混凝土結構，其中雙T板、墻、梁、柱、樓梯等全部構件數(shù)量為4 046塊，停車樓效果如圖1所示。該停車樓為多層大跨度開敞式公共建筑，為裝配式框架剪力墻一梁柱結構體系，從預制建筑方案的優(yōu)化設計、預制構件的深化設計、裝配節(jié)點詳圖深化設計、預制構件加工圖深化設計、裝配式結構重要安裝施工環(huán)節(jié)等，國內尚無相關設計案例可循。
該停車樓設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級，抗震設防烈度為7度，二類場地，環(huán)境類別為II類。構件混凝土強度等級如表1所示。
鋼筋采用HPB300級、HRB400級鋼筋，預應力鋼筋采用低松弛1 x7鋼絞線（7股），公稱直徑為15. 2mm，抗拉強度標準值為1 860N/mm2。
2有限元模擬
2.1 裝配式結構節(jié)點模擬處理方法
裝配式結構與現(xiàn)澆結構有限元模型的最大區(qū)別在于節(jié)點處理方法，現(xiàn)澆結構的節(jié)點通常采用剛接，而裝配式結構的節(jié)點往往只是耦合某一個或多個自由度，大震作用下節(jié)點及構件會進入強非線性，因此節(jié)點處理方法直接影響結構的整體性能。實際結構中節(jié)點類型包括上下墻體節(jié)點、上下柱連接節(jié)點、墻梁連接節(jié)點、雙T板和柱子連接節(jié)點、墻角連接節(jié)點、倒T梁和柱子連接節(jié)點、雙T板端部與墻梁連接節(jié)點、雙T板側面與墻梁連接節(jié)點以及雙T板之間連接節(jié)點。
除灌漿套筒連接以外，其余節(jié)點均通過預埋件螺栓連接或焊接，下面以墻角節(jié)點為例，介紹一下節(jié)點處理方法。墻角連接采用預埋件螺栓連接，具體構造如圖2所示。有限元模型中的處理方法是在兩個點之間添加連接單元( hinge)，在耦合兩點3個平動自由度的同時，提供一個轉動剛度，來模擬節(jié)點連接件對墻角節(jié)點的轉動約束。連接單元及節(jié)點耦合的自由度如圖3，4所示。采用上述方法，建立的裝配式停車樓有限元模型如圖5所示。
2.2 ABAQUS有限元模型
混凝土采用塑性損傷模型，為提高計算效率，模型中僅考慮混凝土的非線性行為，未考慮損傷因子。鋼筋采用理想彈塑性模型。混凝土結構阻尼比為0. 05，鋼結構的阻尼比為0.02，裝配式結構主要依賴于連接件的耗能。對于裝配整體式結構，阻尼比取0. 03較為合適，采用Rayleigh阻尼。
2.3 ANSYS結果對比驗證
為驗證ABAQUS模型的正確性，本文采用ANSYS軟件進行對比校核。兩種軟件建模中所有的材料參數(shù)、構件尺寸、空間位置完全一致，節(jié)點處理原則相同。ANSYS及ABAQUS模型前三階振型對比如圖6所示，表2列出了前三階頻率及其相對誤差，從中可明顯看出ANSYS與ABAQUS模型的自振特性非常接近。
為進一步校核ABAQUS模型，分別對2個有限元模型輸入相同的地震波（x方向），提取角點(見圖5)第1層和第7層的位移時程曲線進行對比，如圖7所示，從圖7中可明顯看出2條時程曲線十分接近，進一步驗證了ABAQUS模型的合理性。
3 彈塑性地震反應分析
選取3條地震波進行抗震驗算，地震波的選取要滿足《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011-2010
5.1.2的要求，輸入的3條地震波分別為Taft波、Northridge波和蘭州波，其中Taft波和Northridge波為實際強震記錄，蘭州波為人工波。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》表5.1.2.2，多遇地震峰值加速度取35cm/s2，罕遇地震峰值加速度取220cm/s2。多遇地震時，驗算結構的底部剪力、層間位移角以及節(jié)點力；罕遇地震時，驗算層間位移角和節(jié)點力。
3.1 底部剪力驗算
在使用振型疊加法分析線性動力問題時，要保證提取足夠數(shù)量的模態(tài)，因此計算時提取結構前200階振型進行振型分解反應譜分析。將上述3條地震波依次施加到結構上進行彈性時程分析，得到的底部剪力如表3所示，與反應譜法計算的底部剪力進行對比，可以看出，時程分析得到的底部剪力均大于反應譜法計算結果的65%，滿足規(guī)范要求，說明地震波選取合理。
3.2層間位移驗算
將3條地震波分別沿不同主軸方向（x軸、z軸）輸入，計算多遇及罕遇地震下結構的層間位移，提取結構各層的最大層間位移角，結果如圖8所示。
多遇地震作用下，《裝配式混凝土結構技術規(guī)程》JGJl-20146.3.3規(guī)定：多層裝配式剪力墻結構最大層間位移與樓層高之比限值為1/1 200。罕遇地震下，《建筑結構抗震規(guī)范》5.3.3規(guī)定：鋼筋混凝土抗震墻彈塑性層間位移角限值為1/120。通過圖8可明顯看出無論在多遇地震還是罕遇地震作用下，該結構的層間位移角均滿足規(guī)范要求。
3.3節(jié)點驗算
該裝配式結構節(jié)點連接存在兩種形式：螺栓連接和鋼板焊接。這里采取如下假設：①假設螺栓連接的破壞形式為螺栓拉伸破壞或剪切破壞，只需要驗算螺栓的抗拉強度和抗剪強度；②假設焊接連接破壞處為鋼板的拉伸破壞，不考慮焊縫的破壞。
螺栓連接采用普通螺栓8.8級( M24)，根據(jù)《鋼結構設計規(guī)范》GB50017-2003，查得螺栓的抗拉強度為400 N／mm2，抗剪強度為320N/mm2。
螺栓的抗拉承載力：
連接鋼板上有4個螺栓，2個受拉，2個受剪。需要注意的是，當同側2個螺栓受拉（壓）時，另外2個螺栓受剪，反之亦然。由于螺栓的抗剪承載力小于抗拉承載力，螺栓的剪切破壞必然先于受拉破壞，因此這種連接件的承載力應按照抗剪承載力290kN來計算。
鋼板焊接采用Q345B鋼材，用于連接的鋼板尺寸如圖9所示，其抗拉強度為310 N／mm2，抗剪強度為180 N／mm2。因此鋼板抗拉承載力為Pt= 310×140×15/1 000=651kN，抗剪承載力為P v=180×140×15/1 000= 378kN。
節(jié)點的破壞準則采取首次超越破壞的原則，下面以某一節(jié)點為例進行說明。圖10為某節(jié)點在多遇及罕遇地震作用下節(jié)點力的時程曲線，可看出，在罕遇地震作用下，節(jié)點力超過限值，發(fā)生屈服。
模型中按照剛接處理的節(jié)點不做驗算，其余采用點的耦合、約束以及連接單元均需提取節(jié)點力進行驗算。通過對模擬的節(jié)點力進行分析，可知：
1)墻梁連接多遇地震作用下，少部分節(jié)點發(fā)生屈服，但這部分節(jié)點的節(jié)點力超出承載力不多；罕遇地震作用下，絕大部分節(jié)點發(fā)生屈服。
2)墻角連接多遇地震作用下，有4處節(jié)點屈服，但這4處節(jié)點力超出承載力不多；罕遇地震作用下，絕大部分節(jié)點發(fā)生屈服。
3)倒T梁和柱連接 多遇地震作用下，所有節(jié)點未發(fā)生屈服；罕遇地震作用下，絕大部分節(jié)點都發(fā)生屈服。
4)雙T板側面與墻、梁連接多遇地震和罕遇地震作用下，所有此類節(jié)點未發(fā)生屈服。
5)雙T板端部與墻、梁連接 多遇地震和罕遇地震作用下，所有此類節(jié)點未發(fā)生屈服。
4結論
1)結構基本周期為0. 61s，第一振型為x方向上的平動，結構側向剛度之比為Kx /Kz=0.9，且扭轉剛度遠大于平動剛度。
2)多遇地震作用下，結構最大層間位移角為1/1 675，小于規(guī)范限值1/1 200，同時構件均處于彈性狀態(tài)，未產生損傷。
3)罕遇地震作用下，結構最大層間位移角為1／278，小于規(guī)范限值1/120，部分梁端、剪力墻底部出現(xiàn)塑性屈服，產生一定程度損傷。
4)多遇地震作用下，節(jié)點基本處于彈性狀態(tài)：罕遇地震作用下，部分梁端節(jié)點、墻角節(jié)點屈服。
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