摘要
工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites,ECC)具有受拉应变硬化和多缝稳态开展的特性,可以作为一种理想的耗能材料,将ECC材料应用于预制墙板的塑性铰区形成一种新型预制ECC耗能墙板,并将其用于预制剪力墙⁃框架结构中。基于OpenSees仿真平台,采用多垂直杆单元构建预制ECC耗能墙板模型并进行参数分析,对某12层预制ECC耗能墙⁃框架结构进行静力弹塑性分析和动力时程分析,研究预制ECC耗能墙板对框剪结构抗震性能的影响。结果表明:预制ECC耗能墙板的极限承载力和耗能能力相较于普通预制剪力墙分别提高了35%和31%;静力弹塑性分析和易损性分析结果进一步验证了ECC材料对框剪结构抗震性能的改善作用;在近场脉冲型地震波作用下预制ECC耗能墙⁃框架结构抗震性能的改善效果最为明显,ECC适用于近断层结构的抗震应用;在造价上,预制ECC耗能墙⁃框架的成本相较于RC剪力墙⁃框架结构仅提高2.1%,因此配置ECC耗能墙是一种有效且经济的结构抗震性能提升方案。
产业化是我国住宅建设的重要发展方向,预制装配式剪力墙结构是实现住宅产业化和建筑节能节排的有效途径之一,它具有生产效率高、劳动条件好、经济效益高等优点。由于我国大部分地区需进行抗震设防,装配式剪力墙结构能否得到推广应用取决于其抗震性能是否满足要求。目前已有相关文献针对墙体抗震性能进行改善的研究,如姜洪斌
工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites,ECC)是20世纪90年代初,由V. C. L
综上,本文提出在预制剪力墙塑性铰区使用ECC的墙板构造方案,以满足高抗震设防区结构抗震的需求,采用数值模拟方法对其抗震性能进行分析验证以及参数分析,在深入了解其抗震性能的基础上,设计一栋12层预制ECC耗能剪力墙⁃框架结构,系统研究了ECC耗能剪力墙对该新型结构抗震性能的影响规律。
基于OpenSees分析平台建立剪力墙数值分析模型。普通混凝土材料和钢筋分别采用Conrete01和Steel02本构模型。ECC材料采用OpenSees平台提供的ECC01本构模型,其应力⁃应变关系曲线见

图1 ECC01材料模型应力-应变曲线
Fig.1 Stress-strain curves of the ECC01 material model
在OpenSees中剪力墙的建模方式可分为两类:第一类是通过细化剪力墙横截面并结合混凝土及钢筋的本构关系建立的有限元模型,例如纤维截面单元和X. Lu
为验证本文所选单元模型和材料本构的准确性,选取文献[

图2 FRCSW-01试件尺寸及配筋
Fig.2 Dimensions and reinforcement details of the FRCSW-01 specimen

图3 SW4试件尺寸及配筋
Fig.3 Dimensions and reinforcement details of the SW4 specimen
试件FRCSW⁃01和SW4模拟结果与实验结果的对比如图

图4 FRCW-01模拟结果与实验结果对比
Fig.4 Comparison of simulation and experimental results for FRCW-01

图5 SW4模拟结果与实验结果对比
Fig.5 Comparison of simulation results and experimental results for SW4
为深入研究ECC对预制耗能墙抗震性能的影响规律,设计预制ECC耗能墙ECCSW1,尺寸、配筋以及材料力学性能参考文献[
(1) |
式中,lp为塑性铰区长度;hw为剪力墙截面高度;H为剪力墙高度。
试件的模拟滞回曲线如

图6 ECCSW1滞回曲线
Fig.6 Top force vs displacement hysteretic curves of ECCSW1

图7 ECCSW2滞回曲线
Fig.7 Top force vs displacement hysteretic curves of ECCSW2

图8 ECCSW3滞回曲线
Fig.8 Top force vs displacement hysteretic curves of ECCSW3

图9 ECCSWN1滞回曲线
Fig.9 Top force vs displacement hysteretic curves of ECCSWN1

图10 ECCSWN2滞回曲线
Fig.10 Top force vs displacement hysteretic curves of ECCSWN2

图11 ECCSWN3滞回曲线
Fig.11 Top force vs displacement hysteretic curves of ECCSWN3

图12 ECCSWN4滞回曲线
Fig.12 Top force vs displacement hysteretic curves of ECCSWN4

图13 ECC配置高度对骨架曲线的影响
Fig.13 The influence of ECC configuration height on the skeleton curve
试件 | ECC配置 高度/mm | 轴压 比 | 极限 承载力/ kN | 相对 比值 | 滞回 耗能/ kN·m | 相对 比值 |
---|---|---|---|---|---|---|
SW | 0 | 0.3 | 378.3 | 1 | 44.6 | 1 |
ECCSW1 | 268 | 0.3 | 510.2 | 1.35 | 58.5 | 1.31 |
ECCSW2 | 536 | 0.3 | 524.9 | 1.39 | 62.1 | 1.39 |
ECCSW3 | 2 800 | 0.3 | 525.1 | 1.39 | 63.1 | 1.41 |
ECCSWN1 | 268 | 0.1 | 395.4 | 1.05 | 50.5 | 1.13 |
ECCSWN2 | 268 | 0.2 | 437.8 | 1.16 | 54.8 | 1.23 |
ECCSWN3 | 268 | 0.3 | 510.2 | 1.35 | 58.5 | 1.31 |
ECCSWN4 | 268 | 0.4 | 525.1 | 1.39 | 57.3 | 1.28 |

图14 轴压比对骨架曲线的影响
Fig.14 The influence of axial compression ratio on skeleton curves
按照我国抗震设计规范,设计了一栋12层框架⁃剪力墙结构,结构平面布置如

图15 结构平面布置
Fig.15 Floor plan of the structure
构件 类型 | 截面尺寸/mm | 纵筋 | 纵向 分布钢筋 | 竖向 分布钢筋 |
---|---|---|---|---|
框架柱 | 600×600 | 4B25+8B18 | - | - |
框架梁、连梁 | 300×600 |
6B22+4B25+ 4A12 | - | - |
剪力墙 | 250×6 000 | 8B16 | B10@200 | B12@200 |
注: 剪力墙纵筋为墙肢一侧暗柱内配筋
为了提高分析效率,对模型进行简化,选取Y方向的一榀框架和一片联肢剪力墙,采用OpenSees建立Y向等价平面模型(

图16 框架剪力墙结构整体等效模型
Fig.16 Global equivalent model of the frame-shear wall structure
(2) |
式中,λ为框剪结构特征值;H为结构高度;CF为框架剪切刚度;ECIeq为剪力墙等效刚度。
为了解结构在侧向加载下的弹塑性行为和剪力分配规律,对结构进行静力弹塑性推覆分析,侧向荷载为水平倒三角分布。对获得的基底剪力⁃顶点位移关系曲线,采用等能量

图17 基底剪力-结构顶点位移关系
Fig.17 Base shear-structural top displacement relationship

图18 各部分基底剪力
Fig.18 The shear force of each part of the substrate

图19 剪力分配比值
Fig.19 Shear force distribution ratio
注: Vf表示框架部分基底剪力,Vw表示剪力墙部分基底剪力,Vall表示结构整体基底剪力。
受力和 变形 特征 | RC剪力墙⁃框架结构 | 预制ECC耗能墙板⁃框架结构 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
顶点 位移/m | 基底 剪力/kN | 延性 系数µ | 顶点 位移/m | 基底 剪力/kN | 延性 系数µ | |
屈服点 | 0.370 | 1 455 | 1.9 | 0.420 | 1 750 | 2.8 |
极限点 | 0.696 | 1 673 | 1.183 | 2 031 |
相关学者研究表明,对于中等高度的建筑,选取10条~20条地震记录进行增量动力分析可以较为准确的进行地震需求估
将各条地震波的峰值调幅为310 cm/

图20 选择的地震动与我国规范反应谱对比
Fig.20 Comparison between the selected seismic motion and the code response spectrum
为了准确了解预制ECC耗能墙对框剪整体结构的作用效果,选取20条地震波作用在两种模型上,计算结构在不同谱加速度条件下侧向力的分配情况。由上文推覆分析可以得到结构在极限变形时的基底剪力Vall,u、框架部分基底剪力Vf,u和剪力墙基底剪力Vw,u。不同谱加速度下结构底部最大剪力平均值与极限状态时剪力的比值可以用来衡量结构的承载力相对安全程度。

图21 Vall /Vall,u随谱加速度变化规律
Fig.21 Vall /Vall,u varies with spectral acceleration

图22 Vf /Vf,u随谱加速度变化规律
Fig.22 Vf /Vf,u varies with spectral acceleration

图23 Vw /Vw,u随谱加速度变化规律
Fig.23 Vw /Vw,u varies with spectral acceleration
地震易损性是指结构或构件在给定地震动强度作用下,达到或超过指定损伤状态极限值的概率或可能性。在假设需求参数和谱加速度的对数线性关系基础上,进行结构易损性分析,得到结构在不同谱加速度下不同性能水准的超越概率,采用
(3) |
式中,Pf (D≥C|IM=Sa)表示在地震动强度IM=Sa的地震动作用下结构的需求响应D超过其抗震能力C的概率;为结构需求中值;为结构能力中值;βD为结构需求标准差;βC结构能力标准差;Φ(·)为标准正态累积函数。
通常将建筑结构破坏程度分为若干等级,每一个破坏等级的界限状态被称为极限状态。本文将框架结构的极限状态(Damage State,DS)分为:轻微破坏、中等破坏、严重破坏和倒塌四个等级,参考文
由

图24 FSW和ECCFSW的地震易损性曲线对比
Fig.24 Comparison of seismic fragility curves for FSW and ECCFSW
已有震害表明,近场地震动会对结构造成更大的破坏作用。因此需要检验ECC耗能剪力墙⁃框架结构在近场地震作用下的抗震性能。以断层距离为条件,可将地震划分为近场地震和远场地震,本文根据ATC⁃6

图25 50%分位IDA曲线对比
Fig.25 Comparison of 50% quantile IDA curves

图26 层间位移角对比
Fig.26 Comparison of interstory drift angles

图27 RC剪力墙-框架结构
Fig.27 Time histories of seismic input energy and dissipated energy of RC shear wall - frame structure

图28 预制ECC耗能墙-框架结构
Fig.28 Time histories of seismic input energy and dissipated energy of Prefabricated ECC energy-dissipating wall-frame structure
(1)用多垂直杆单元模拟剪力墙构件,与已有的剪力墙实验结果吻合良好。利用该单元建立了塑性铰区采用ECC材料的预制墙板有限元模型,参数分析表明:预制ECC耗能墙的峰值荷载、耗能能力相较于普通剪力墙分别提高了35%和31%,但继续增大底部ECC使用区高度,其抗震性能提升并不明显;试件的峰值荷载随着轴压比增大而增大,但变形能力降低。
(2)静力推覆分析和易损性分析结果均表明,预制ECC耗能墙显著提高了结构整体的承载能力和延性,且随着地震强度的增加,ECC材料的性能发挥越充分,对结构抗震性能的提升也更明显,以“严重破坏”为极限状态时,在罕遇地震作用下,RC剪力墙⁃框架结构的失效概率为40%,而预制ECC耗能墙⁃框架结构仅为13%。
(3)近场脉冲型地震动会明显增大结构的响应,预制ECC耗能墙能够显著减小各楼层的层间位移角,其主要原因是ECC耗能墙耗散了更多的地震输入能量,增大了结构的等效阻尼比。因此ECC可以有效降低结构构件混凝土和钢筋材料的应变响应,减小构件的损伤破坏,提升结构的抗震性能。由于预制ECC耗能墙⁃框架的成本相较于RC剪力墙⁃框架结构仅增加2.1%,配置ECC耗能墙是一种有效的结构抗震性能提升方案。
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