摘要：钢筋混凝土框架结构体系在遭受较大地震动作用后会产生一定的残余变形，结构存在不可修复的塑性损伤。本文针对现浇框架体系与新型自复位装配式体系在罕遇地震动作用下，通过通用有限元软件进行显式分析，对比结构变形特征，包括最大层间位移角、残余变形。分析结果表明，在同等强度的地震动作用下，基于性能化设计理念的新型自复位装配式体系与钢筋混凝土框架结构体系相比，具有更强的韧性，且能够有效减小地震作用造成的残余层间变形。
关键词：自复位装配式体系；长周期地震动；层间位移角；残余变形
0 引言
随着我国建筑工业化进程的推进，对施工进度和劳动成本提出了更高的要求，传统的现浇钢筋混凝土结构与发展需求已经无法相适应。与此同时，装配式结构的出现解决了现浇结构适应性不足的难题，避免了现浇结构的不足，并以其提高质量、缩短工期、节约能源、减少排放[1]得到广泛的推广。
Cheok等[1]通过对只有预应力筋连接、普通钢筋和混合连接梁柱节点进行低周反复加载试验，发现只有预应力筋连接的节点残余变形小但耗能特性差，而混合连接节点表现出更好的耗能特性。该混合结点由预应力钢筋和普通钢筋组成，其中，普通钢筋发挥屈服耗能作用，预应力钢筋承受梁柱界面处剪力。20世纪90年代，由美国与日本合作的预制抗震结构体系（PRESSS）项目通过对韧性连接的研究发现：采用混合连接的PRESSS体系，震后梁柱、墙体基本没有破坏，预应力筋始终保持弹性，节点能回复到初始位置，具有良好的自恢复性和较小的残余变形等特点[2-4]。
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图1 预应力梁横截面
Fig 1 Prestressed beam cross section
新型自复位装配式体系是一种基于性能设计的新型自复位装配式体系，采用混合结点的方式减小地震作用造成的残余变形，并结合PRESSS体系预应力干连接技术等。新型自复位装配式体系是结合我国现阶段装配式结构特点，研发的一种预制构件易于标准化、自动化流水生产，工序少，采用干连接的快速装配体系。
长周期地震动是一种地震动持续时间较长的地震动，对高层结构破坏影响显著。2008年汶川地震，震源超500km的范围内高层结构破坏异常严重。因此，长周期地震动对高层建筑的破坏性不容小觑。
本文利用ABAQUS有限元软件，通过对新型自复位装配式体系和普通现浇体系进行建模以及不同强度等级的长周期地震动作用下进行受力分析，得到结构变形、受力等性能，研究结构在长周期下抗震性能。
1 模拟概况
1.1 模型概况
以七层预应力装配式钢筋混凝土框架结构为分析模型，其中，梁柱均为预制构件。梁内预应力钢筋为直线型，且在跨中处采用有粘结预应力筋方式，在梁柱节点处采用无粘结预应力的方式；梁上端设置普通钢筋以提高节点耗能能力。
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图2 梁柱混合连接节点受力变形
Fig 2 Deformation by force of beam-column joint
1.2 材料属性与建模
混凝土本构采用ABAQUS软件自有的塑性损伤模型，预应力钢筋、普通钢筋以及纵筋、箍筋采用三折线模型。混凝土实体模型采用C3D8R减缩模型，钢筋模型采用T3D2桁架单元。
建模时，梁内有粘结预应力钢筋和无粘结预应力钢筋与混凝土接触采用不同单元模拟，跨中有粘结部分与混凝土接触采用普通钢筋相同的连接方式，无粘结预应力钢筋与混凝土接触采用添加弹簧连接，不同连接方式通过对构件分区来实现。预应力钢筋采用降温法模拟，需在ABAQUS中预
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图4 七层新型自复位装配式体系有限元模型
Fig 4 The finite element model of
the seven-layer 新型自复位装配式 system
2 地震动的选取
模型弹塑性分析采用动力时程分析，地震动来自太平洋地震中心（PEER）。PEER中Ⅱ类场地剪切波速输入 ，并按照《建筑抗震设计规范》[5]中对地震作用的有效持时在 之间的要求筛选出符合要求的长周期地震动。长周期地震动选取特征如下：地震动速度峰值PGV与加速度峰值PGA比值小于0.2，主要频率分布在 之间，且频率分布特征满足集中分布在低频的要求。按照以上要求，筛选结果如下：
表1 长周期地震动特征
Table 1 Long-period ground motion characteristics
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按照《建筑抗震设计规范》[5]要求，进行地震动双向分析时，主方向与次方向地震动以1：0.85的比例进行设置，同时，按照分析地震动强度进行调幅，并进行地震作用分析。
3 大震下数值分析结果
3.1 最大层间位移角
在双向地震动作用下，新型自复位装配式体系与现浇框架的最大层间位移角较接近。两种体系X、Y最大层间位移角均发生在第二层，第一层到第三层最大层间位移角较大。在七条长周期地震动作用下，现浇框架X、Y方向最大层间位移角分为0.0183、0.0159，新型自复位装配式体系X、Y方向最大层间位移角分为0.0189、0.0165，均满足我国《建筑抗震设计规范》[5]对钢筋混凝土框架结构体系弹塑性层间位移角限制[1/50]。结合国内外理论分析与实验结果可知，自复位结构体系较现浇结构能够在更大的层间位移角下保持良好的稳定性，具有更好的韧性。新型自复位装配式体系采用混合连接的方式，构件基本处于弹性状态，而耗能主要依靠普通钢筋。因此，自复位结构梁柱节点将形成更大的转角以满足耗能钢筋的变形需求。
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（a）现浇结构 （b）新型自复位装配式结构
图5 X向层间位移角分布
Fig 5 X-direction story drift distribution
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（a）现浇结构 （b）新型自复位装配式结构
图6 Y向层间位移角分布
Fig 6 Y-direction story drift distribution
3.2 残余变形
通过对新型自复位装配式体系与现浇框架进行时程分析，可得到结构在七条长周期地震动作用下的残余变形，并对每一层做平均值，进一步求得残余变形降低率，结果如表1所示。
表2 新型自复位装配式体系与现浇框架残余变形平均值（mm）
Table 2 Average residual deformation of
新型自复位装配式 system and cast-in-plane frame（mm）
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两种结构时程分析得到的残余变形集中于结构第一层到第三层，与最大层间位移角相一致，较大的层间位移角会造成残余变形较大。显然，新型自复位装配式体系各层残余变形均远小于现浇框架的残余变形。残余变形结果表明新型自复位装配式体系能够减小震后残余变形，一定程度上能够实现结构的自复位效果，符合混合结点变性特点。
4 结语
本文通过ABAQUS有限元分析软件对新型自复位装配式体系与现浇框架体系进行长周期地震动作用下动力时程分析，并对最大层间位移角以及残余变形进行对比，得出以下结论：
1）对最大层间位移角进行了对比。由于新型自复位装配式体系耗能主要集中于梁柱节点处耗能钢筋。在同等强度的作用下，将产生较现浇框架体系更大的层间变形达到耗能需求。
2）对参与位移进行了对比。结果表明：新型自复位装配式体系各层残余变形明显小于现浇框架体系层间变形，新型自复位装配式体系具有良好的自恢复能力。
参考文献：
[1]Stone W C，Cheek G S，Stanton J F.Performance of Hybrid Moment-Resisting Precast Beam-Column Concrete Connections Subjected to Cyclic Loading[J].Aci Structural Journal，1995，92（2）.
[2]Priestley M.Overview of PRESSS Research Program[J].Pci Journal，1991，36（4）：50-57.
[3]D.N.Nakaki，J.F.Stanton，S.Sritharan.An overview of the PRESSS five-story precast test building[J].PCI Journal，1999，2（42）：26-39
[4]Rahman M A，Sritharan S.Performance-Based Seismic Evaluation of Two Five-Story Precast Concrete Hybrid Frame Buildings[J].Journal of Structural Engineering，2007，133（11）：1489-1500.
[5]中华人民共和国原城乡建筑环境保护部.建筑抗震设计规范[M].中国建筑工业出版社，1991.
论文作者:刘旭
论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期
论文发表时间:2020/1/6
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