258 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 40 卷 对其抗震性能了解不足, 这种高效率结构体系的应用一直受到制约. 美国从 99 年开始开展了预制结构抗震体系 (PRESSS) 的科研计划 [], 其目的在于开发新型预制装配式混凝土结构体系, 并制定了针对新型预制混凝土框架结构体系的 ACI 标
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1 第 40 卷第 6 期 200 年 月 东南大学学报 ( 自然科学版 ) JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition) Vol.40 No.6 Nov.200 doi:0.3969/j.isn 预应力预制混合装配双肢墙弹塑性性能 蔡小宁 孟少平 2 孙巍巍 陈佳佳 吴 京 ( 东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 南京 20096) ( 2 南京理工大学土木工程系, 南京 20094) 摘要 : 提出了新型预应力预制混合装配双肢墙 (PPHCW) 结构, 推导了 PPHCW 的整体性系数和肢强系数的计算公式, 以 DRAIN 2DX 软件为分析平台, 基于自行开发的 5,2 号单元, 对 PPHCW 结构的弹塑性性能进行参数分析, 包括 : 肢强系数 整体性系数 连接钢筋面积 预应力筋面积 有效预应力和墙肢纵筋配筋率. 结果表明 : 增加连接钢筋及预应力筋面积, 减小有效预应力 墙肢纵筋配筋率和整体性系数可延迟连梁中预应力筋的屈服 ; 随整体性系数 预应力筋和连接钢筋的面积 墙肢纵筋配筋率的增大及肢强系数的减小, 结构承载力随之提高 ; 上述参数对结构延性均有影响, 但其影响结果与结构的破坏极限状态相关 ; 与整体性系数相比, 耦联率可综合反映结构几何尺寸 连梁与墙肢配筋对结构弹塑性性能的影响. 关键词 : 预应力 ; 装配 ; 双肢墙 ; 弹塑性性能 ; 耦联率中图分类号 :TU378 8 文献标志码 :A 文章编号 : (200) Elastoplasticperformancesofprestresedprecasthybridcoupledwal CaiXiaoning MengShaoping SunWeiwei 2 ChenJiajia WuJing ( KeylaboratoryofConcreteandPrestresedConcreteStructuresofMinistryofEducation,SoutheastUniversity,Nanjing20096,China) ( 2 DepartmentofCivilEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing20094,China) Abstract:A new kindofprestresedprecasthybridcoupledwal(pphcw)isproposed.limb strengthcoeficientandintegrativecoeficientofpphcw werederived.theefectsoflimbstrength coeficient,integrativecoeficient,areaofconnectingreinforcementandprestresingtendon,efec tiveprestresandlongitudinalreinforcementratioofwalonseismicbehaviorofthestructurewere studiedbasedonthefiniteelementdrain 2DXandthecomputercode5element,2elementde veloped.theresultsindicatethatincreasingareaofprestresingtendonandconnectingreinforcement andreducingefectiveprestres,integrativecoeficientandlongitudinalreinforcementratioofwal candelaytheyieldingofprestresingtendoninthecoupledbeam;thebearingcapacityofthestruc tureincreaseswiththeincreaseofintegrativecoeficient,areaofprestresingtendonandconnecting reinforcement,longitudinalreinforcementratioofwal,andthedecreaseoflimbstrengthcoefi cient;theirefectsontheductilityarerelatedtothelimitstate;comparedwithintegrativecoefi cient,thedegreeofcouplingcansyntheticalyreflectstheefectsofgeometryofthestructure,rein forcementofcouplingbeam andwalontheelastoplasticperformancesofthestructure. Keywords:prestresed;precast;coupledwal;elastoplasiticperformance;degreeofcoupling 工业化生产的预制装配式混凝土结构具有设 计与建造效率高 费用低 周期短等优点, 然而由于 收稿日期 : 作者简介 : 蔡小宁 (985 ), 男, 博士生 ; 孟少平 ( 联系人 ), 男, 博士, 教授, 博士生导师,msp960@vip.sina.com. 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( ) 江苏省建设厅科技基金资助项目 (JS2007ZB04) 引文格式 : 蔡小宁, 孟少平, 孙巍巍, 等. 预应力预制混合装配双肢墙弹塑性性能 [J]. 东南大学学报 : 自然科学版,200,40(6): [doi:0.3969/j.isn ]
2 258 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 40 卷 对其抗震性能了解不足, 这种高效率结构体系的应用一直受到制约. 美国从 99 年开始开展了预制结构抗震体系 (PRESSS) 的科研计划 [], 其目的在于开发新型预制装配式混凝土结构体系, 并制定了针对新型预制混凝土框架结构体系的 ACI 标准 (ACIT 2 03) [2], 无黏结预应力装配体系在该计划中表现出色. 剪力墙作为高层结构中经常采用的结构形式, 针对预应力预制装配剪力墙的研究还相对较少, 文献 [3] 提出一种采用竖向预应力筋装配剪力墙的结构形式 ; 文献 [4] 提出一种用预应力筋和角钢拼装钢连梁和混凝土墙肢的新型剪力墙 ; 文献 [5] 在文献 [4] 的基础上, 采用混凝土连梁替代钢连梁. 本文提出了一种新型预应力预制混合装配双肢墙结构 (PPHCW) 形式, 研究肢强系数 整体性系数 预应力筋面积 连接钢筋面积 预应力筋有效预应力及墙肢纵筋配筋率对 PPHCW 弹塑性性能的影响, 为 PPHCW 的工程应用提供参考. 结构形式 PPHCW 形式采用预应力筋与连接钢筋将现浇墙肢与预制连梁相连, 预应力筋在孔道中不灌浆, 连接钢筋在连接部位设置无黏结段 ( 见图 ). 在地震作用下结构的损伤集中在连接部位与墙肢底部, 震后在预应力筋的回弹作用下结构具有良好的自恢复能力, 结构残余变形小, 易修复, 同时通过连接钢筋的拉压屈服增大了结构的耗能, 有效地减小了结构在罕遇地震下的侧移. 连梁组合体 ( 上下各半层墙肢和连梁 ) 发生侧向变形后, 墙肢与连梁之间将产生缝隙, 形成如图 (c) 所示的受力状态, 即连梁在混凝土压力 C b 摩擦力 V b 连接钢筋拉 压力 T s,c s 作用下形成斜压杆受力机制. 该受力机制对连梁的配筋及构造要求简化. 因 C b 较大, 连梁及墙肢接触区应配置箍筋或螺旋筋形成对混凝土的约束. 2 分析模型 2 参数 ζ,α 表达式的推导 [6] 由相关试验研究及分析可知,PPHCW 的连梁屈服和极限状态, 对应于连接钢筋的屈服及连接钢筋的断裂和预应力筋的屈服 2 种状态较早出现者. 在侧向荷载下, 连梁梁端弯矩转角关系如图 2 所示,M 为连梁端部弯矩 ;θ 为连梁转角 ;DEC 为解压极限状态 ;YCS 为连接钢筋屈服极限状态 ;FCS 为连接钢筋拉断极限状态 ;YPT 为预应力筋屈服极限状态. 整体性系数 α 肢强系数 ζ 只适用于剪力墙在弹性阶段的受力性能, 反映连梁与墙肢刚度之比及几何尺寸之比 [7]. 在解压极限 [8] 状态之前,PPHCW 的连梁组合体中连接钢筋 [8] 及预应力筋均未受力, 与直接装配式连梁组合体转角刚度相同. 解压极限状态时连梁转角刚 [8] 度为 K= 2M DEC = 2E ci b = 2E ci b0 θ DEC L b L b + 2kE ci b0 G c A b L 2 ( ) b () 式中,L b 为连梁长度 ;M DEC 为解压极限状态梁端弯矩 ;θ DEC 为连梁弯曲变形及剪切变形产生的轴线转角之和 ;E c 为混凝土弹性模量 ;G c 为混凝土剪切模量 ;I b0 为连梁截面惯性矩 ;k 为剪应力不均匀系数 ;A b 为连梁有效剪切面积. 图 2 连梁梁端弯矩转角关系 PPHCW 的 ζ 表达式与普通剪力墙相同, 即 图 PPHCW 结构形式 ζ= I-I -I 2 (2) I 式中,I 为组合截面惯性矩 ;I,I 2 为墙肢惯性矩.
3 第 6 期 蔡小宁, 等 : 预应力预制混合装配双肢墙弹塑性性能 259 [9] α 可以表达为 α= α2 槡 ζ = KH 2 (3) 槡 E c h(i +I 2 ) ζ 式中,α 为不考虑剪力墙轴向变形的整体性系数 ; h 为层高 ;H 为剪力墙的总高度. 将式 () 代入式 (3) 可得 PPHCW 的整体性系数为 I b0 α= 2I bh 2 2 槡 L b h(i +I 2 ) ζ = 2H L b h(i +I 2 )ζ + 2kE ci b0 G c A b L 有限元分析模型 槡 b (4) 本文采用 DRAIN 2DX [0] 对结构进行有限元分析, 图 3 给出了连梁组合体模型, 结构整体模型可由连梁组合体模型在竖向扩展得到. 模拟墙肢的纤维单元需输入材料模型, 核心区混凝土采用 Mander 模型 [], 保护层混凝土按 混凝土结构设计规范 GB [2] 选取, 墙肢纵筋采用常规的双线性强化本构模型. 值和转角值, 可采用条带法编制程序确定. 连梁组合体在侧向荷载下的变形如图 5 所示, 条带法计算流程如图 6 所示,C b 为受压区混凝土的合力 ;T s 为受拉钢筋的合力 ;C s 为受压钢筋的合力 ;T pt 为预应力筋的合力, 即最初有效预应力与受力后预应力筋增力之和. 图 5 连梁受力变形示意图 图 3 连梁组合体模型 本文将连梁端弯矩转角关系近似表示为预应力筋部分与连接钢筋部分的叠加, 方法合理性已得到验证 [3].DRAIN 2DX 是一种开放性的软件, 为新单元开发提供了良好的接口, 鉴于 DRAIN 2DX 中 4 号简单连接单元提供的滞回规则有限, 本文在 4 号单元的基础上开发了 5 号连接单元及 2 号连接单元,5 号单元用于模拟预应力筋部分的滞回特性 [4],2 号单元用于模拟连接钢筋部分的滞回特性 [3].2 个单元的滞回规则如图 4 所示. 图 4 预应力筋及连接钢筋滞回规则 5 号单元 2 号单元需输入各状态对应的弯矩 图 6 连梁梁端弯矩转角计算框图 预应力筋应变增量为 ε pt = 2Δ pt (5) l unp 式中,Δ pt =θ b (h/2-c) 为梁端转角 θ b 引起的预应力伸长值 ;h 为连梁高 ;l unp 为预应力筋无黏结长度 ; c 为梁端中和轴高度. 计算连接钢筋应变须考虑黏结滑移引起的连 [3] 接钢筋无黏结长度的增长, 连接钢筋应变为 ε s = Δ (6) l unm +2Δ sp 式中,Δ 为连接钢筋的伸长 ;l unm 为连接钢筋无黏结长度 ;Δ sp 为连接钢筋因黏结滑移引起的无黏结长度额外增长, 取为 0d [2] b,d b 为连接钢筋的直径. 由于在连梁 墙肢结合面处平截面假定已不适
4 260 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 40 卷 用, 需引入梁的整体变形协调的概念 [3], 从而建立局部变量 ( 中和轴高度 c 梁端截面受压区边缘混 凝土应变 ε c ) 与整体位移之间的换算关系, 即 ( ) ε c = θ bl cant L cant -L p /2 +φ c (7) y 式中,L cant 为连梁墙肢结合面到连梁反弯点的距离 ;L p 为对应的普通剪力墙连梁塑性铰的长度 ;φ y 为对应的普通剪力墙连梁梁端屈服曲率 [3]. 连梁核心区混凝土材料采用 Mander 模型, 保护层混凝土按 混凝土结构设计规范 GB [2] 规定的选取, 连接钢筋采用常规的双线性 强化本构模型, 预应力筋采用双折线模型. 2 3 模型验证为验证上述分析模型, 将 2 榀 /7 缩尺 PPHCW 试件的有限元分析结果与低周往复加载试验结果进行比较. 试件共 8 层, 每层高 400mm, 截面几何尺寸及配筋如图 7 所示. 试件 W 在连梁与墙肢结合面上有预应力筋及连接钢筋连接, 而 W 2 在结合面上仅有预应力筋相连. 为防止连接钢筋的拉断,W 的连接钢筋设置无黏结段长 20mm. 预应力筋采用 7mm 钢丝, 锚具为镦头锚, 初始张拉应力为 0 55f ptk. 图 7 截面尺寸及配筋示意图 ( 单位 :mm) 试件竖向加载位置在墙肢顶面, 墙肢顶部轴压比试验值为 0. 水平加载制度先采用力控制加载, 墙肢底部纵筋屈服后改为位移控制 [5]. 对试件有限元模型进行单调加载, 由图 8 可知, 分析所得顶点位移侧向荷载曲线与试验所得骨架曲线吻合较好, 证明有限元建模方法的可行性. 3 参数分析 结构形式为 PPHCW, 混凝土为 C40, 共 2 层, 每层 3m, 墙肢厚 b w =240mm, 肢长 l w =500 mm, 连梁长 l b =500mm, 宽 b =240mm, 高 h b = 400mm. 由式 (2),(4) 可得 α=5 428,ζ= 预应力筋面积 A p =420mm 2, 有效预应力 f pe = 0 60f ptk =6MPa. 连接钢筋对称配置 2 6 mm,a s =A s =402mm 2, 在墙肢与连梁连接部位设置无黏结段 00mm. 截面配筋如图 9 所示. 轴压比为 0 6. 图 9 墙肢及连梁配筋 ( 单位 :mm) 以上述结构参数为基准, 研究整体性系数 α 图 8 有限元分析结果与试验结果比较 肢强系数 ζ 预应力筋面积 A p 连接钢筋面积 A s
5 第 6 期 蔡小宁, 等 : 预应力预制混合装配双肢墙弹塑性性能 26 (A s =A s ) 有效预应力 f pe 及墙肢纵筋配筋率 ρ s 对结构弹塑性性能的影响, 每次只改变一个参数, 对结构采用倒三角形加载模式进行单调加载. 基于文献 [6] 的研究成果, 结合 PPHCW 试验过程中的破坏特点, 可将结构破坏过程分为以下几个状态 : 受拉墙肢软化, 受拉墙肢底部截面中和轴发展到截面形心处 ;2 墙肢底部纵筋屈服, 受拉墙肢最外侧纵筋出现屈服 ;3 受压墙肢软化, 受压墙肢底部截面中和轴发展到截面形心处 ;4 连梁软化, 各层连梁梁端弯矩的平均值等于连梁屈服时梁端弯矩 ;5 连梁预应力筋出现屈服, 连梁预应力筋开始屈服 ( 预应力筋应力达到 58GPa); 6 墙肢底部混凝土被压碎, 受压墙肢底部核心区混凝土应变达到极限压应变. 状态 5 表示连梁的破坏, 状态 6 表示墙肢的破坏, 以 2 种状态中较早出现者作为结构的破坏极限状态, 状态 2 为结构的屈服状态. 连接钢筋设置了无黏结段且极限拉应变较大, 在下述参数分析中均未被拉断, 故不考察连接钢筋被拉断的状态. 连梁采用螺旋筋约束混凝土, 提高了混凝土的极限压应变, 在极限状态 5 6 出现时, 连梁梁端约束混凝土均未被压碎. 3 整体性系数 α 肢强系数 ζ 由图 0(a) 可知 ( 其中 μ 为位移延性系数 ), 算例中结构破坏极限状态均为状态 5, 当 α 增大时, 结构的承载力提高, 延性降低, 状态 2 5 提早出现, 状态 3 4 延迟. 当 α 及肢距 2l w +l b 一定时 [7], 随 ζ 减小, 连梁梁端屈服弯矩及极限弯矩增大, 屈服转角及极限转角减小. 由图 0(b) 可知, 随 ζ 减小, 结构的承载力提高, 延性增大, 结构破坏极限状态由 5 过渡到 6, 状态 2 较早出现, 状态 4 延迟. 除整体性系数 α, 耦联率 D 也可表示连梁对墙肢的约束程度, 即 Nl D= (8) M tw +M cw +Nl 式中,M tw 为受拉墙肢底部弯矩 ;M cw 为受压墙肢底部弯矩 ;l 为墙肢形心距离 ;N 为各层连梁剪力之和. 由图 知耦联率在加载初期有微小波动, 但在位移较大时, 耦联率基本保持不变.ζ 一定, 则耦联率随 α 增大而增大 ; 肢矩及 α 一定,ζ 改变, 耦联率基本不变. 3 2 预应力筋面积 A p 连接钢筋面积 A s 图 2 表明随 A p,a s 的增大, 结构的承载力提高, 状态 2 提早出现, 状态 3 ~5 延迟, 状态 基 本不变, 破坏极限状态由 5 逐渐转为 6. 破坏极限状态为 5 时, 随 A p 或 A s 增大, 结构的延性增大 ; 破坏极限状态为 6 时, 则反之. 图 0 α,ζ 对结构各状态的影响 图 α,ζ 对耦联率的影响 图 3 表明随 A p,a s 的增大, 结构的耦联率增大. 3 3 预应力筋有效预应力 f pe 墙肢纵筋配筋率 ρ s 图 4(a) 表明, 随 f pe 的增大, 状态 3 4 延迟,
6 262 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 40 卷 图 2 A s,a p 对结构各状态的影响 图 4 f pe,ρ s 对结构各状态的影响 图 3 A s,a p 对耦联率的影响状态 2 5 提早出现, 状态 基本不变, 结构的承载力提高, 延性降低. 由图 4(b) 可知, 算例中结构破坏极限状态均为 5, 随 ρ s 增大, 结构的承载力提高, 延性减小, 状态 4 5 较早出现, 状态 2 3 延迟, 状态 基本不变. 由图 5 知, 随 ρ s 的减小及 f pe 的增大, 结构的耦联率增大. 4 结论 图 5 f pe,ρ s 对耦联率的影响 ) 减小 α,f pe,ρ s 及增大 A p,a s 可延迟连梁中预应力筋的屈服, 其中 f pe 对连梁中预应力筋屈服状态影响最大, 对结构的延性影响也最为明显. 2) 随 α,a p,a s,ρ s 的增大及 ζ 的减小, 结构的承载力提高 ;f pe 的增大对结构承载力提高不显著. 随各参数的变化, 结构的破坏极限状态为 5 或 6.
7 第 6 期 蔡小宁, 等 : 预应力预制混合装配双肢墙弹塑性性能 263 参数的变化对结构延性的影响与破坏极限状态相关. 3) 合理的设计是结构优良抗震性能实现的保证. 在工程设计中应适当增加 A p,a s, 控制预应力筋张拉应力, 以减小 f pe, 延迟连梁中预应力筋的屈服 ;A p 应保证结构具有足够的 自恢复 的能力, 卸载后结构的残余变形小 ; 预应力筋应能提供足够的预压力抵抗梁端剪力 ;A s 应使结构具有足够的耗能能力, 减小结构在罕遇地震下的侧移 ; 连接钢筋的无黏结长度应足够长, 保证连接钢筋在罕遇地震下不断裂 ; 适当提高连梁梁端约束混凝土的螺旋筋的配筋率以提高约束混凝土的极限压应变, 防止梁端约束混凝土过早被压碎. 4) 与整体性系数 α 相比, 耦联率可综合反映结构的几何尺寸 连梁与墙肢的配筋对 PPHCW 的弹塑性性能的影响. 随 α,a p,a s,f pe 增大及 ρ s 减小, PPHCW 的耦联率增大 ;ζ 的改变对其无影响. 参考文献 (References) [] PriestleyM JN.ThePRESSSprogram curentstatus andproposedplansforphaseⅢ [J].PCIJournal, 996,4(2): [2] ACIInnovationTaskGroupandColaborators.Spe cialhybridmomentframescomposedofdiscretelyjoint ed precast and post tensioned concrete members (T 2M 03) andcommentary(t 2RM 03) [R]. FarmingtonHils,MI,USA:AmericanConcreteInsti tute,993. [3] KuramaY,PesikiS,SauseR,etal.Seismicbehavior anddesignofunbondedpost tensionedprecastconcrete wals[j].pcijournal,999,44(3): [4]ShenQ,KuramaY,WeldonB.Seismicdesignandan alyticalmodelingofpost tensionedhybridcoupledwal subasemblages[j].journalofstructuralengineering, 2006,32(7): [5]WeldonBD,KuramaYC.Nonlinearbehaviorofpre castconcretecouplingbeamsunderlateralloads[j]. JournalofStructuralEngineering,2007,33(): [6] CheokG,StoneW.Performanceof/3 scalemodel precastconcretebeam columnconnectionsubjectedto cyclicinelasticloads reportno.4,nistit5436[r]. Gaithersburg,MD,USA:NIST,994. [7] 陈云涛, 吕西林. 联肢剪力墙抗震性能研究 试验与理论分析 [J]. 建筑结构学报,2003,23(4): ChenYuntao,LvXilin.Seismicbehaviorofcoupled shearwals experimentandtheoreticalanalysis[j]. JournalofBuildingStructures,2003,23(4): (inchinese) [8] 孙巍巍, 孟少平. 后张无黏结预应力装配混凝土联肢抗震墙的连梁组合体抗震性能 [J]. 东南大学学报 : 自然科学版,2007,37(2): SunWeiwei,MengShaoping.Lateralloadbehaviorof unboundedpost tensionedcoupledconcretewalsubas semblages[j].journalofsoutheastuniversity:natu ralscienceedition,2007,37(2):90 94.(inChi nese) [9] 陈忠范. 高层建筑结构 [M]. 南京 : 东南大学出版社, 2008: [0] PrakashV,PowelG H,CampbelS.DRAIN 2DX baseprogram descriptionanduserguide,version 0, UCB/SEMM 93/7[R].Berkeley,CA,USA:De partmentofciviluniversityofcalifornia,993. [] ManderJB,PriestleyM JN,ParkR.Theoretical stres strainmodelforconfinedconcrete[j].journal ofthestructuraldivision,asce,988,4(8): [2] 中华人民共和国建设部.GB 混凝土结构设计规范 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2005. [3] PampaninS,PriestleyM JN,SritharanS.Analytical modeling of seismic behavior of precastconcrete framesdesignedwithductileconnections[j].journal ofearthquakeengineering,200,5(3): [4]EI SheikhM,PesikiS,SauseR,etal.Momentrota tionbehaviorofunboundedpost tensionedrecastcon cretebeam columnconnections[j].acistructural Journal,2000,97(): [5] 孙巍巍. 后张无黏结预应力装配式短肢剪力墙抗震能力及设计方法研究 [D]. 南京 : 东南大学土木工程学院,2007. [6] KuramaY,ShenQ.Postensionedhybridcoupled walsunderlateralloads[j].journalofstructural Engineering,2004,30(2): [7] 黄东升, 程文韍, 彭飞. 短肢剪力墙的弹塑性性能研究 [J]. 东南大学学报 : 自然科学版,2003,33(2): HuangDongsheng,ChengWenrang,PengFei.Study onelastoplasticperformancesofshearwalswithshort piers[j].journalofsoutheastuniversity:natural ScienceEdition,2003,33(2):64 67.(inChi nese)
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