套筒灌漿連接裝配式消能減震結(jié)構(gòu)抗震性能研究

房 良 秦保靜

（青建集團(tuán)股份公司，山東 青島 266000）

在建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)濟(jì)、綠色和高效的時(shí)代背景下，預(yù)制裝配式建筑通過將整體結(jié)構(gòu)拆分為若干構(gòu)件，并在工廠內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)后運(yùn)輸至現(xiàn)場進(jìn)行拼接和安裝，這種生產(chǎn)模式與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)最大的區(qū)別就是產(chǎn)品質(zhì)量可控、施工效率高、施工周期短、環(huán)境污染小。因此，預(yù)制裝配式建筑在我國逐步發(fā)展應(yīng)用，受到國家和各地政府的大力推行，國內(nèi)有關(guān)裝配式建筑的研究也日益受到關(guān)注[1]。與現(xiàn)澆裝配式建筑不同，預(yù)制裝配式建筑需要在現(xiàn)場通過各種不同形式的節(jié)點(diǎn)連接方式將各個(gè)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行整體拼接，這些節(jié)點(diǎn)成為建筑抗震的薄弱環(huán)節(jié)，無法為建筑物提供有效的梁柱剪切剛度和水平側(cè)向剛度[2-3]。

在裝配式建筑結(jié)構(gòu)中，套筒灌漿連接的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用最為廣泛，為了提高這類連接方式的建筑抗震抗震性能，往往在節(jié)點(diǎn)中加入不同的消能減震結(jié)構(gòu)，以提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，其中，結(jié)構(gòu)的層間位移角和剪應(yīng)力是評價(jià)預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)最為重要的2個(gè)指標(biāo)，前者為變形剛度指標(biāo)，后者則為強(qiáng)度指標(biāo)[4]。基于此，研究以山東省青島市某裝配式多層辦公樓為研究對象，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法建立套筒灌漿連接裝配式屈曲約束支撐計(jì)算模型，考慮了不同地震波輸入的影響，分析結(jié)構(gòu)的層間位移角、層間剪力等抗震性能參數(shù)，研究成果可應(yīng)用于多層套筒灌漿連接裝配結(jié)構(gòu)的消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 工程概況

山東省青島市某裝配式多層辦公樓為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)按8 度抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，建筑結(jié)構(gòu)層高均為4m，共10 層，總建筑高度為40m。建筑平面大致呈長方形，平面長度為80m，寬度為15m，建筑所在場地類別為二類場地，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。建筑裝配化率達(dá)到75%，屬于高裝配化建筑，設(shè)計(jì)使用年限為50年，預(yù)制構(gòu)件承重形式分為預(yù)制豎向構(gòu)件、預(yù)制水平向構(gòu)件，預(yù)制豎向構(gòu)件包括預(yù)制混凝土柱、預(yù)制混凝土墻板，預(yù)制水平向構(gòu)件包括預(yù)制混凝土樓板、預(yù)制混凝土梁，所有預(yù)制構(gòu)件的豎向接縫和水平接縫均采用套筒灌漿連接。為了滿足建筑在多遇地震條件下，裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的層間位移角小于1/550，罕遇地震條件下，層間位移角小于1/50，采用屈曲約束作為消能減震阻尼器，并在建筑中按照抗震不利節(jié)點(diǎn)（薄弱層）進(jìn)行合理優(yōu)化布置，以保證設(shè)置的屈曲約束支撐能夠在結(jié)構(gòu)損傷前發(fā)生屈曲破壞。如圖1所示，消能減震器為BRB1型屈曲約束支撐，屈曲約束支撐加連接節(jié)點(diǎn)總長度為3.8m，芯材牌號為Q235，屈服段長度為2.4mm，屈曲承載力為400kN，設(shè)計(jì)承載力為448kN，設(shè)計(jì)位移為35mm，極限位移為42mm。

圖1 屈曲約束支撐連接節(jié)點(diǎn)

2 套筒灌漿連接裝配式消能減震結(jié)構(gòu)有限元模型

為了研究套筒灌漿連接裝配式建筑在安裝屈曲約束支撐阻尼器條件下的減震抗震性能，以有限元分析軟件ABAQUS 為研究手段，套筒灌漿連接裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖2所示。在建立的混凝土框架梁柱和樓板的基礎(chǔ)上，采用桿件單元模擬屈曲約束支撐，裝配式混凝土的梁柱的彈性模量為31.5GPa，泊松比為0.25，實(shí)測立方體抗壓強(qiáng)度為43.7MPa，樓板的彈性模量為32.5GPa，泊松比為0.2，實(shí)測立方體抗壓強(qiáng)度為38.9MPa，均采用混凝土塑性損傷模型（CDP 損傷模型）對混凝土材料性能進(jìn)行模擬[5-6]。

圖2 套筒灌漿連接裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)及屈曲約束支撐數(shù)值計(jì)算模型

地震波的特征表現(xiàn)在持續(xù)時(shí)間和最大地震動(dòng)加速度上[7]，仿真計(jì)算考慮了不同地震荷載作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能，選取了2 條實(shí)際地震波和1 條人工合成地震波，2 條實(shí)際地震波分別為1994 年的美國好萊塢地震波（工況A），地震動(dòng)時(shí)長為34.81s，最大地震動(dòng)加速度為0.17m/s2；1997 年意大利貝伐納地震波（工況B），地震波時(shí)長為50.18s，最大地震動(dòng)加速度為0.29m/s2；人工合成波（工況C）時(shí)長為32s，最大地震動(dòng)加速度為0.23m/s2。3條地震波的時(shí)程曲線如圖3所示。

圖3 數(shù)值計(jì)算選取的3條地震波時(shí)程曲線

3 安裝屈曲約束支撐的套筒灌漿連接裝配式結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析

層間位移角反映了結(jié)構(gòu)在地震波作用下的抗變形能力[8]。圖4為安裝屈曲約束支撐的套筒灌漿連接裝配式結(jié)構(gòu)在不同地震荷載作用下的層間位移角。從圖4中可以看出，3 種不同地震波作用下，裝配式結(jié)構(gòu)X 向的層間位移角隨著樓層高度的增加呈現(xiàn)一致的變化趨勢，均表現(xiàn)為非線性單調(diào)增加后減小的規(guī)律，層間位移角峰值出現(xiàn)在約12m 高度處；由于工況A 的最大地震動(dòng)加速度小于工況B 和工況C，工況B 和工況C 的最大地震動(dòng)加速度相近，由此得到的裝配式X 向的層間位移角在高度為8m 以下相近，而在高度8m 以上，工況B和工況C的層間位移角相近，但均大于工況A的層間位移角，工況A的層間位移角峰值為0.0013rad，工況B的層間位移角峰值為0.00142rad，工況C的層間位移角峰值為0.00163rad；與X 方向的層間位移角變化規(guī)律相比，裝配式結(jié)構(gòu)Y 方向的層間位移角隨著樓層高度的變化明顯不同，但地震波的形式對層間位移角的變化規(guī)律影響不明顯；隨著樓層高度的增加，裝配式結(jié)構(gòu)Y方向的層間位移角曲線 “雙峰” 特征，在樓層高度約為12m和31m的位置出現(xiàn)極大值，而在24m的位置出現(xiàn)極小值；在12m 位置處，工況A 的層間位移角極大值為0.001rad，工況B的層間位移角極大值為0.00136rad，工況C的層間位移角極大值為0.00144；在31m位置處，工況A的層間位移角極大值為0.00124rad，工況B的層間位移角極大值為0.0013rad，工況C 的層間位移角極大值為0.00141rad；在24m 位置處，工況A 的層間位移角極小值為0.00089rad，工況B 的層間位移角極大值為0.00125rad，工況C的層間位移角極大值為0.00136rad；3種不同地震波作用下，裝配式結(jié)構(gòu)Y向的層間位移角在36m以上較為接近。

圖4 不同地震荷載作用下裝配式結(jié)構(gòu)的層間位移角變化曲線

綜合裝配式結(jié)構(gòu)X 方向和Y 方向的層間位移角變化曲線可知，在不同地震荷載作用下，結(jié)構(gòu)層間位移角在兩個(gè)方向的變化規(guī)律均不一致，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出顯著的扭曲受彎趨勢，這種扭曲變形差異在31m 位置處顯得尤為明顯。

裝配式結(jié)構(gòu)在地震波作用下主要通過框架柱之間的剪力提供消能[9-11]。圖5為安裝屈曲約束支撐的套筒灌漿連接裝配式結(jié)構(gòu)在不同地震荷載作用下的框架柱層間剪力變化曲線。從圖5中可以看出，隨著樓層高度的增加，裝配式框架柱在X 向、Y 向上的剪力變化規(guī)律均呈現(xiàn)明顯的單調(diào)非線性減小的趨勢，在建筑物第一層的剪應(yīng)力值最大；在相同的建筑高度位置處，框架柱層間剪力按照工況A、工況B 和工況C 的順序逐步增加；在X方向上，工況A、工況B和工況C第一層裝配式框架柱的剪力值分別為4476.7kN、5179.84kN、5906.65kN，在Y方向上，工況A、工況B和工況C第一層裝配式框架柱的剪力值分別為4719.09kN、5572.79kN、5662.90kN。

圖5 不同地震荷載作用下裝配式結(jié)構(gòu)的框架柱層間剪力變化曲線

4 結(jié)語

以山東省青島市某裝配式多層辦公樓為研究對象，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法建立了套筒灌漿連接裝配式屈曲約束支撐計(jì)算模型，考慮了不同地震波輸入的影響，分析結(jié)構(gòu)層間位移角、層間剪力等抗震性能參數(shù)的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）3 種不同地震波作用下，裝配式結(jié)構(gòu)X 向的層間位移角隨著樓層高度的增加均表現(xiàn)為非線性單調(diào)增加后減小的規(guī)律，層間位移角峰值出現(xiàn)在約12m 高度處；工況A的層間位移角峰值為0.0013rad，工況B的層間位移角峰值為0.00142rad，工況C的層間位移角峰值為0.00163rad。

（2）3 種不同地震波作用下，裝配式結(jié)構(gòu)Y 向的層間位移角隨著樓層高度的增加均表現(xiàn)為 “雙峰” 特征，在樓層高度約為12m和31m的位置出現(xiàn)極大值，而在24m的位置出現(xiàn)極小值；結(jié)構(gòu)層間位移角在兩個(gè)方向的不一致性，使得結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出顯著的扭曲受彎趨勢。

（3）隨著樓層高度的增加，裝配式框架柱在X向、Y向上的剪力變化規(guī)律均呈現(xiàn)明顯的單調(diào)非線性減小的趨勢，在建筑物第一層的剪應(yīng)力值最大，在相同的建筑高度位置處，框架柱層間剪力按照工況A、工況B 和工況C的順序逐步增加。