體外預(yù)應(yīng)力自復(fù)位框架擬靜力試驗(yàn)研究

魯 亮 胡宇飛 劉 霞

(1.同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所,上海 200092; 2.東南大學(xué)城市工程科學(xué)技術(shù)研究院,南京 210096)

0 引 言

自從預(yù)應(yīng)力技術(shù)出現(xiàn)以來,多數(shù)自復(fù)位結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力筋作為結(jié)構(gòu)的地震恢復(fù)力裝置[1-2],2012年和2016年呂西林[3-4]等分別進(jìn)行了二維和三維搖擺鋼筋混凝土框架模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究,2014年魯亮等[5-6]完成了受控?fù)u擺式鋼筋混凝土框架(Controlled Rocking Reinforced Concrete Frame,CR-RCF)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。

現(xiàn)有研究的自復(fù)位結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力筋均布置在梁柱構(gòu)件體內(nèi),施工控制及后期監(jiān)測(cè)有一定困難,在CR-RCF結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上,魯亮[7]等提出了體外預(yù)應(yīng)力自復(fù)位框架(External Prestressing Self-centering Frame,EPSCF)結(jié)構(gòu),與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力相比,體外預(yù)應(yīng)力不會(huì)削弱構(gòu)件截面積,預(yù)應(yīng)力控制更加方便。EPSCF結(jié)構(gòu)在柱腳節(jié)點(diǎn)和梁柱節(jié)點(diǎn)處均采用純鉸接連接,賦予了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)能力,從而弱化側(cè)向剛度,減小了結(jié)構(gòu)在地震作用下的加速度、層間剪力等響應(yīng)。EPSCF結(jié)構(gòu)上下層之間布置斜向?qū)ΨQ的鋼絞線來提供抗側(cè)剛度,實(shí)現(xiàn)地震作用下結(jié)構(gòu)的彈性自復(fù)位能力。同時(shí),EPSCF結(jié)構(gòu)設(shè)置了層間耗能裝置耗散地震能量,減小位移響應(yīng),震后只需對(duì)耗能裝置等進(jìn)行必要更換,結(jié)構(gòu)可很快恢復(fù)正常使用,符合“彈性可恢復(fù)”的抗震設(shè)計(jì)理念。

為了充分了解EPSCF結(jié)構(gòu)的抗震特性,首先進(jìn)行單榀單跨EPSCF結(jié)構(gòu)擬靜力試驗(yàn),檢驗(yàn)構(gòu)造設(shè)計(jì)、模型簡(jiǎn)化、理論公式及有限元建模的正確性,并分析EPSCF結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原型與相似關(guān)系

原型結(jié)構(gòu)為三層EPSCF結(jié)構(gòu),層高3.6 m,橫向柱距6 m,縱向柱距6 m,梁截面尺寸300 mm×500 mm,柱截面尺寸500 mm×500 mm。作為探索性試驗(yàn)研究,僅取單層單跨作為試驗(yàn)研究對(duì)象,如圖1中虛線框。

圖1 EPSCF結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(單位:mm)Fig.1 Layout of EPSCF structure (Unit:mm)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L(zhǎng)度相似比取1/2,混凝土材料采用C40細(xì)石混凝土,縱筋為HRB400,箍筋為HPB300,預(yù)應(yīng)力鋼絞線型號(hào)為φs15.24。模型與原型的相似關(guān)系見表1。

表1試驗(yàn)相似關(guān)系

Table 1 Similarity of test

最終試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷难b配圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼晥D(單位:mm)Fig.2 Front view of test model (Unit:mm)

1.2 梁柱節(jié)點(diǎn)與柱腳節(jié)點(diǎn)

梁柱鉸接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造如圖3所示。柱頂預(yù)埋帶預(yù)留孔的U形型鋼,梁端預(yù)留與柱頂相同尺寸的開孔,鋼插銷分別穿過U形型鋼及梁端預(yù)留孔,實(shí)現(xiàn)梁柱間的鉸接連接。柱腳鉸接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造如圖4所示。柱底和基礎(chǔ)頂部均設(shè)計(jì)了帶耳板的鋼板預(yù)埋件,上下鋼板預(yù)埋件通過配套的鋼插銷穿過耳板孔固定,實(shí)現(xiàn)柱腳的鉸接連接。

1.3 預(yù)應(yīng)力裝置

1.3.1鋼絞線的安裝與調(diào)節(jié)

體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線在框架內(nèi)呈倒“八”字形對(duì)稱布置,鋼絞線上下兩端均錨固于鋼插銷端部,上下鋼插銷分別插入混凝土梁內(nèi)及基礎(chǔ)預(yù)埋鋼板的耳板中,如圖4所示。安裝時(shí)鋼絞線依次穿過上下鋼插銷中預(yù)留孔,下端安裝錨板,上端依次安裝壓力傳感器、張拉調(diào)節(jié)裝置及錨板。

圖3 EPSCF結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)Fig.3 Joints of EPSCF

圖4 體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固Fig.4 Anchorage of external prestressing steel strand

1.3.2鋼絞線的初始張拉力與選型

圖5為一榀單層EPSCF結(jié)構(gòu)的分析模型,在側(cè)向力F作用下,框架梁側(cè)移Δ,層間位移角θ,左右兩根鋼絞線轉(zhuǎn)動(dòng)的角度分別為β和β′。根據(jù)幾何關(guān)系和靜力平衡條件推導(dǎo)的側(cè)向剛度(式(1))[8],式中符號(hào)均為結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和預(yù)應(yīng)力筋力學(xué)參數(shù)。

(1)

式中:H為層高度;L為框架凈跨;d為預(yù)應(yīng)力筋上下端錨固點(diǎn)間的相對(duì)水平距離;α為預(yù)應(yīng)力筋與柱的初始夾角;F1,F2分別為預(yù)應(yīng)力筋的內(nèi)力。

圖5 EPSCF結(jié)構(gòu)分析模型Fig.5 Analytical model of EPSCF structure

根據(jù)鋼絞線搖擺過程中的最大設(shè)計(jì)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)的位移限值可確定鋼絞線與豎向所形成的夾角。EPSCF結(jié)構(gòu)屬于一種新型抗震結(jié)構(gòu)體系,參考基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法所給出的性能參數(shù),確定EPSCF結(jié)構(gòu)層間位移角限值[θ]≤1/20[9],即試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖畲笏轿灰茷椤?0 mm。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)的規(guī)定[10],鋼絞線的張拉控制應(yīng)力不宜超過0.75fptk,fptk為預(yù)應(yīng)力鋼絞線的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。為了保證EPSCF結(jié)構(gòu)始終處于彈性狀態(tài)且鋼絞線具有一定安全裕量,設(shè)定EPSCF結(jié)構(gòu)所用鋼絞線的最大拉應(yīng)力為σe≤0.7fptk,取鋼絞線的初始張拉應(yīng)力σi=0.35fptk。由式(1)可求得鋼絞線與柱的初始夾角α=0.069。

EPSCF結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度由預(yù)應(yīng)力筋提供,通過試算,抗側(cè)向剛度為0.289 kN/m,單側(cè)鋼絞線為2根φs15.24標(biāo)準(zhǔn)型鋼絞線,總截面積為A=280 mm2,抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fptk=1 860 N/mm2,彈性模量E=1.95×105MPa。每根鋼絞線的初始預(yù)拉力Fi=0.35×fptk×A=91.14 kN。

1.4 阻尼器

本試驗(yàn)采用一種軸向拉壓型金屬阻尼器作為耗能裝置[11],阻尼器構(gòu)造見圖6。

圖6 金屬阻尼器構(gòu)造Fig.6 Metallic damper

該阻尼器包括中心鋼板、翼緣鋼板以及耗能腹板,耗能腹板選用X形鋼板,對(duì)稱布置在中心鋼板與翼緣鋼板之間。阻尼器的一端連接在梁下焊接的耳板上,另一端與人字撐節(jié)點(diǎn)板相連。這種金屬阻尼器構(gòu)造方式的有益之處在于安裝方便,同時(shí)阻尼器的變形不約束框架梁的豎向變形,地震作用下不會(huì)引起梁體的局部損傷。

1.5 加載制度和加載工況

試驗(yàn)所用加載設(shè)備為MAS-100型電液伺服加載系統(tǒng),作動(dòng)器最大出力100 kN、最大行程250 mm。梁端水平荷載采用位移控制方法施加,最大側(cè)向位移為90mm,對(duì)應(yīng)層間位移角為1/20。加載位移級(jí)差為30 mm以下每級(jí)增加5 mm,30 mm至90 mm每級(jí)增加10 mm,每級(jí)位移循環(huán)三周期。

加載工況包括無控和有控兩種情況,這里的無控結(jié)構(gòu)是指僅依靠鋼絞線提供恢復(fù)力,而有控結(jié)構(gòu)是在無控結(jié)構(gòu)中增設(shè)阻尼器來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的阻尼耗能能力。

擬靜力試驗(yàn)方法為低周反復(fù)加載試驗(yàn),重復(fù)進(jìn)行了兩組,每組試驗(yàn)包括兩次有控結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和兩次無控結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。在每次試驗(yàn)前對(duì)鋼絞線預(yù)應(yīng)力進(jìn)行檢查,對(duì)預(yù)應(yīng)力松弛的鋼絞線進(jìn)行補(bǔ)張拉或更換鋼絞線,保證每次試驗(yàn)前框架幾何形狀一致。每次有控結(jié)構(gòu)試驗(yàn)后更換阻尼器再進(jìn)行第二次試驗(yàn)。每次試驗(yàn)的加載制度完全相同。

安裝完成后的有控結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D7所示,拆除阻尼器后即可進(jìn)行無控結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。

圖7 有控EPSCF結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.7 Test model of EPSCF with damper

1.6 傳感器及測(cè)點(diǎn)布置

力傳感器采用YBY-150型壓力傳感器,量程為150 kN,中間預(yù)留孔供鋼絞線穿過,用于測(cè)量預(yù)應(yīng)力鋼絞線的初始力并全程記錄鋼絞線內(nèi)力的變化。

位移傳感器采用拉線式位移計(jì),共布置2個(gè),分別位于梁截面形心處以及基礎(chǔ)中點(diǎn)處,用以測(cè)量框架水平側(cè)移及基礎(chǔ)側(cè)向移動(dòng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 阻尼器性能試驗(yàn)

分別對(duì)三組與試驗(yàn)尺寸相同的阻尼器進(jìn)行擬靜力試驗(yàn),測(cè)試阻尼器的荷載-位移關(guān)系,為有限元模型中的阻尼器參數(shù)提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)采用MAS-100型作動(dòng)器加載,位移采用拉線式位移計(jì)測(cè)量,加載方式為位移控制加載,各級(jí)位移分別為30 mm、50 mm、70 mm、90 mm、100 mm,每級(jí)位移循環(huán)三周期。

以第一組阻尼器為例,試驗(yàn)得出的滯回曲線如圖8所示。

圖8 阻尼器滯回曲線Fig.8 Hysteresis curve of damper

對(duì)三組阻尼器實(shí)測(cè)結(jié)果取平均值后,得到的阻尼器的參數(shù)見表2,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)用于結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算。

表2阻尼器參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

Table 2 Test results of damper parameter

2.2 無控結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1荷載位移關(guān)系曲線

為便于描述鋼絞線中的內(nèi)力,對(duì)鋼絞線進(jìn)行編號(hào),見圖2,括號(hào)內(nèi)為背面的鋼絞線。

EPSCF無控結(jié)構(gòu)中4根鋼絞線的初始張拉力如表3所示,4根鋼絞線的初始張拉力不完全相等,同側(cè)鋼絞線相差較小,不同側(cè)鋼絞線應(yīng)力相差較大,與結(jié)構(gòu)中的摩擦力共同作用達(dá)到受力平衡。

表3無控結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的初始預(yù)拉力

Table 3 Initial pretension of strands of EPSCF without damper

選取部分?jǐn)?shù)據(jù)示例,試驗(yàn)得到的EPSCF無控結(jié)構(gòu)的荷載位移曲線如圖9所示,為方便比較,四組曲線按a、b、c、d依次編號(hào)。

圖9 EPSCF無控結(jié)構(gòu)荷載位移曲線Fig.9 Load-displacement curves of EPSCF without damper

由圖中可以看出:

(1) 摩擦力的存在使結(jié)構(gòu)的荷載位移滯回曲線具有一定的滯回面積,說明EPSCF無控結(jié)構(gòu)具有一定的耗能能力,主要為摩擦阻尼耗能。

(2) 鋼絞線初始張拉力的誤差對(duì)結(jié)構(gòu)耗能能力的影響不大。

2.2.2側(cè)向剛度理論值與試驗(yàn)值對(duì)比

根據(jù)EPSCF無控結(jié)構(gòu)第二組第二次試驗(yàn)繪制的骨架曲線如圖10所示,利用骨架曲線求得結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度為0.190 kN/m。由模型的實(shí)測(cè)尺寸代入式(1)計(jì)算得出結(jié)構(gòu)的理論抗側(cè)剛度為0.206 kN/m,實(shí)測(cè)值與理論值誤差為7.8%。誤差主要原因是理論公式計(jì)算假定所有梁柱、節(jié)點(diǎn)均為剛性體,而實(shí)際傳力途徑上構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)均有一定彈性及裝配間隙。試驗(yàn)實(shí)測(cè)抗側(cè)剛度與理論公式計(jì)算剛度的誤差值在10%以內(nèi),證明了力學(xué)模型的合理性以及理論側(cè)向剛度公式的正確性。

2.3 有控結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1荷載位移關(guān)系曲線

EPSCF有控結(jié)構(gòu)4根預(yù)應(yīng)力鋼絞線的初始張拉力如表4所示。

圖10 EPSCF無控結(jié)構(gòu)骨架曲線Fig.10 Skeleton curves of EPSCF without damper

表4有控結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的初始張拉力

Table 4 Initial pretension of strands of EPSCF with damper

在試驗(yàn)過程中,4根鋼絞線的最大荷載與抗拉荷載的比值均在0～0.7之間,說明鋼絞線在搖擺過程中不出現(xiàn)松弛狀態(tài),同時(shí)留有充分的安全余量。以第二組第二次試驗(yàn)為例,壓力傳感器測(cè)得的4根鋼絞線的總荷載與極限荷載比值如圖11所示。

圖11 鋼絞線拉力變化圖Fig.11 Tension variation of steel strands

EPSCF有控結(jié)構(gòu)擬靜力試驗(yàn)測(cè)得的部分荷載位移曲線如圖12所示。

從圖中可以看出:

(1) 4條荷載位移滯回曲線均十分飽滿,對(duì)比圖9所示無控結(jié)構(gòu)的荷載位移滯回曲線,表明設(shè)置了阻尼器的EPSCF有控結(jié)構(gòu)的耗能能力很強(qiáng);

圖12 EPSCF有控結(jié)構(gòu)荷載位移曲線Fig.12 Load-displacement curves of EPSCF with damper

(2) 結(jié)構(gòu)耗能能力與鋼絞線初始預(yù)拉力差值無必然聯(lián)系,不同鋼絞線初始預(yù)拉力下所得到的試驗(yàn)結(jié)果幾乎一致。

2.3.2骨架曲線

對(duì)EPSCF有控結(jié)構(gòu)的四組荷載位移曲線取平均值,繪制有控結(jié)構(gòu)的骨架曲線,并與無控結(jié)構(gòu)的骨架曲線進(jìn)行對(duì)比,如圖13所示。

圖13 EPSCF結(jié)構(gòu)骨架曲線圖Fig.13 Skeleton curves of EPSCF structure

從圖13可以看出,由于阻尼器發(fā)生屈服,EPSCF有控結(jié)構(gòu)荷載位移曲線上有明顯的屈服點(diǎn),而EPSCF無控結(jié)構(gòu)幾乎呈線性;同時(shí),由于阻尼器本身有一定的剛度,EPSCF有控結(jié)構(gòu)的屈服后剛度大于EPSCF無控結(jié)構(gòu)的剛度。

2.3.3耗能特性

根據(jù)EPSCF有控結(jié)構(gòu)和無控結(jié)構(gòu)的滯回曲線計(jì)算的單圈能量耗散和等效阻尼比如表5所示,表中每個(gè)數(shù)據(jù)均為4次試驗(yàn)的平均值,每個(gè)位移下的單圈能量耗散值及等效阻尼比均取第2圈的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表5能量耗散和等效阻尼系數(shù)

Table 5 Energy dissipating and equivalent damping coefficient

從表中可以看出:

(1) EPSCF無控結(jié)構(gòu)的單圈能量耗散隨位移增加而緩慢增大,90 mm位移時(shí)的單圈能量耗散僅為375.2 J。同時(shí),無控結(jié)構(gòu)的等效阻尼比隨位移增加而迅速減小,20 mm位移時(shí)的等效阻尼比為0.154 7,90 mm位移時(shí)的等效阻尼比僅為0.038 3,減小了75%,說明構(gòu)件間摩擦耗能占比隨結(jié)構(gòu)側(cè)移增大而逐步減小,大位移下的無控EPSCF結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作狀態(tài)。

(2) EPSCF有控結(jié)構(gòu)在90 mm位移時(shí)的能量耗散為6 562.7 J,達(dá)到了EPSCF無控結(jié)構(gòu)耗能的17倍。同時(shí),等效阻尼比呈現(xiàn)先上升后略有下降的趨勢(shì),20 mm位移時(shí)的等效阻尼比為0.191 4,40 mm位移時(shí)的等效阻尼比達(dá)到最大,為0.316 4,之后略有平穩(wěn)降低,90 mm位移時(shí)的等效阻尼比為0.261 9,說明設(shè)置阻尼器后,EPSCF結(jié)構(gòu)的耗能能力顯著提高。

3 有限元模擬

3.1 有限元模擬方法

采用ABAQUS軟件對(duì)EPSCF結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算,梁柱采用B31單元模擬,鉸接節(jié)點(diǎn)采用連接單元Hinge模擬,預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用Axial單元模擬,阻尼器采用連接單元Cartesian模擬。混凝土與鋼筋本構(gòu)采用基于ABAQUS開發(fā)的一組材料單軸滯回本構(gòu)模型——TJ-Fiber[12]模擬。其中,阻尼器的恢復(fù)力模型由阻尼器性能試驗(yàn)得出,屈服位移和屈服荷載分別為12.19 mm和17.50 kN。

3.2 有限元模擬結(jié)果

有限元模型如圖14所示,在梁端輸入的位移值與試驗(yàn)值相等,將有限元計(jì)算得出的有控結(jié)構(gòu)梁端荷載位移曲線與試驗(yàn)結(jié)果繪制于同一張圖,如圖15所示。從圖中可以看出,有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

圖14 EPSCF有控結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.14 Finite element model of EPSCF with damper

圖15 EPSCF有控結(jié)構(gòu)荷載位移曲線對(duì)比Fig.15 Comparison of load-displacement curves of EPSCF with damper between test and analysis

4 結(jié) 論

通過一榀單層單跨EPSCF結(jié)構(gòu)模型的擬靜力試驗(yàn),了解了EPSCF結(jié)構(gòu)的變形能力與耗能能力,得出以下結(jié)論:

(1) 由EPSCF無控結(jié)構(gòu)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的模型側(cè)向剛度,與理論公式計(jì)算結(jié)果較一致,驗(yàn)證了理論側(cè)向剛度公式的正確性。

(2) EPSCF有控結(jié)構(gòu)的荷載位移滯回曲線飽滿,對(duì)比EPSCF無控結(jié)構(gòu)和有控結(jié)構(gòu)的能量耗散和等效黏滯阻尼系數(shù),表明設(shè)置層間阻尼器可顯著提高結(jié)構(gòu)的耗能能力。

(3) 有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了有限元建模的正確性。