基于人工铰的自适应结构减震性能与恢复力研究

赵晗曦,尹新生

(吉林建筑大学 土木工程学院, 吉林 长春 130000)

0 引言

近年来,阻尼器减震成为建筑结构抗震的主要研究形势[1],即在建筑结构中设置阻尼器减震,通过耗能系统防止建筑破坏。但是在多、高层建筑抗震及超高层、大跨结构中设置阻尼器大幅增加了结构设计成本,并带来一系列问题,如结构设计的不经济、建筑有效利用面积和空间的浪费,甚至在一些高烈度地区,传统结构设计已经无法满足装配式建筑的要求[2]。

基于此,本文跳出建筑中设置阻尼器减震的传统观念,首次提出自适应结构的概念,将装配式梁、柱组合成一种控制系统,使结构具有修正自身刚度的特性以适应地震波的振动变化。自适应结构的控制系统原理和常规的反馈控制及最优控制一样,是一种基于数学模型的控制方法。结构中设置的人工铰会在地震发生过程中不断接收有关地震波的信息,随地震波的不同频率、幅值而发生相应的变化。

与传统预应力钢筋混凝土结构节点建模不同,本文结合ABAQUS有限元分析软件,选取框架结构整体建立有限元模型,模拟现实施工情况,将预应力筋设计成弧形。继而通过对结构整体进行数值分析,求出结构在地震作用下的地震反应(内力和变形),以期更为真实地反映结构整体在地震作用下的动力响应特性,并反映出地震作用时段内结构内力、位移等随时间的变化规律[3]。

1 自适应结构形式的提出

1.1 自适应结构理论概述

汶川地震中钢筋混凝土框架结构的震害现象表明,框架结构在地震作用下会分批产生塑性铰,其中柱端容易先于梁端形成塑性铰,并且在节点处产生应力集中的现象[4]。因此结构会出现薄弱层,并增加残余变形,难以实现“强柱弱梁”的破坏机制。其中梁端、柱端塑性铰的产生是导致钢筋混凝土框架结构整体失稳倒塌的主要原因[5]。

针对上述问题,本文创新性地提出一种结构,根据其具有的控制系统特性,命名为自适应结构。自适应结构是针对地震波随机振动的研究,可以看作是一个能根据地震变化自动调节自身特性的反馈控制系统,以使结构能根据随机地震波的不同频率、幅值自动产生细微调整,过滤具有破坏能力的高频地震波,只接收余下的低频地震波。自适应结构可以广泛应用于多层、高层、大跨度装配式建筑中,能保护建筑结构适应不同程度的地震产生的影响。随着地震过程的不断进行,可以将自适应结构随地震过程的自动控制分为3个阶段:

(1) 闭合阶段

在地震发生初期,由于P波传播速度快,自适应结构首先承受P波引起的竖向颠簸振动,但是破坏力不强。此阶段地震波的幅值较低,地震破坏作用较弱,装配式梁、柱连接处保持闭合,自适应结构人工铰的转动约等于零,自适应结构不产生效果。

此阶段为线弹性阶段,地震应力较小,人工铰连接处不张开。随着地震应力的增大,结构发生弹性变形,其构造如图1所示,图中X0为人工铰从梁根处向外转移长度。

图1 新型人工铰连接形式(跨中无黏结,跨端有黏结)Fig.1 Connection type of the novel artificial hinge (unbonded in the middle of the span,bonded at the end)

(2) 自动控制阶段

因为S波的传播速度约为P波的一半,相对强的S波稍晚才到达,在水平面上发生振动,持续时间较长。随着S波的到达,输入建筑物的地震波逐渐变为P波、S波、勒夫波和瑞利波的混合波,建筑物发生强烈的水平晃动,这是造成建筑结构失稳倒塌的主要原因。

当混合地震波的幅值、地震作用达到一定界限值时,框架梁、柱的装配式连接处出现微小的张开与闭合,构成一种新型的人工铰。强烈的地震作用使人工铰瞬时发生轻微转动,影响地震波在建筑介质中的传播,出现地震波能量衰减和相速度频散的现象,使作用于建筑结构的低频率、高振幅的S波截断成高频率、低振幅的混合波,使地震产生的应力瞬间降低,保护薄弱结构节点不首先发生破坏,从而达到减震的目的。

(3) 恢复阶段

随着地震过程逐渐结束,地震作用开始减弱,地震波的能量逐渐衰减。当地震波的幅值降低到临界值时,通过预应力筋的拉应力和上部建筑结构自重的压应力约束,框架梁、柱的装配式连接处瞬时闭合,人工铰恢复原位。

1.2 新型人工铰的提出

传统框架结构抗震的设计思想是在框架节点处设置梁端塑性铰,使结构在地震作用下形成梁式侧移体系,以保证地震作用的大部分能量消耗于梁端塑性铰上,从而保护建筑结构不出现迅速倒塌的现象。但是传统的塑性铰为单向铰,仅能沿弯矩作用方向产生一定限度的转动,而且破坏后难以修复,耐久性差。

基于此,本文提出一种全新的结构形式和一种新型人工铰(图2)。当自适应结构受到地震作用的影响时,输入结构的高频地震波会使装配式梁、柱连接处发生相应的张开与闭合,因此每个装配式梁、柱截面处可以向任何方向发生微小的转动,形成类似、甚至优于铰的效果;当地震波的幅值降低到临界值时,通过预应力筋的拉应力和上部建筑结构自重的压应力约束,框架梁、柱的装配式连接处瞬时闭合。这种具有恢复力性能的结构形式称为新型人工铰。

图2 自适应结构模型Fig.2 Model of the adaptive structure

相邻的梁和柱通过新型人工铰连接形式,在装配式梁、柱等预制构件中预留孔洞,将预应力筋从中穿入,此部分预应力钢筋与混凝土的接触关系为跨中无黏结、跨端有黏结形式,其构造如图3(a)所示。

图3 自适应结构梁、柱装配形式(单位:mm)Fig.3 Beam and column assembly form of the adaptive structure (Unit:mm)

相邻的装配式框架柱通过榫卯方式连接,在柱的四角分别设置预应力钢筋,把预应力筋穿过混凝土柱中预留的孔洞,然后对预应力筋进行张拉、锚固。这样在混凝土柱中建立起了预压力,使相邻的框架柱在预应力的约束下紧密连接,将多个柱构件拼装组成一个整体。此部分预应力钢筋与混凝土接触关系为无黏结形式,其构造如图3(b)、(c)所示。

在地震作用下框架柱的装配式连接处会轻微张开,与梁端设置的人工铰一起发生轻微转动,降低结构刚度,提高结构延性,有效地减少地震作用对框架结构的破坏。在地震结束时,由于预应力筋的约束,框架柱恢复原位。通过有限元计算结果可知,框架柱连接节点的减震与恢复力性能远大于梁,实现了强柱弱梁的设计思想。

2 数值分析计算

选取一4层装配式框架结构作为建筑实例,建筑高度11.2 m,层高2.8 m,建筑面积为15 m(长)×10.8 m(宽)。基于以上构思,构建了4个有限元模型:模型1为现浇框架结构;模型2～4为自适应结构,区别仅在于调整了人工铰的位置。4个模型的构造尺寸如表1所列。

表1 三维模型尺寸

2.1 材料属性

预应力钢筋采用直径140 mm的钢绞线,梁、柱均采用C40混凝土,柱截面尺寸为700 mm×700 mm,梁截面尺寸为400 mm×900 mm。

模型混凝土强度等级为C40,并采用降温法对模型施加预应力。预应力筋与混凝土的接触方式为跨中无黏结、跨端有黏结,采用Coupling方法将预应力筋与相同位置的混凝土节点在梁高和梁宽方向约束,从而释放了预应力筋节点沿梁长方向的平动自由度。在梁柱连接处同样采用耦合约束方式,在接触面上设置接触类型为表面与表面接触,接触属性为:(1)切向行为采用粗糙摩擦公式,认为当点接触时不会发生滑移;(2)法向行为采用硬接触,允许接触后分离。材料属性如表2所列。

表2 各单元材料属性

对自适应模型与现浇模型输入振幅相同的 El-Centro地震波(图4),采用动力时程分析法计算各模型在地震作用下的力学性能。该地震波的最大峰值加速度为0.342 m/s2,时间间隔为0.01 s,作用时间为55.01 s。

图4 El-Centro波波形图Fig.4 Waveform of El-Centro wave

2.2 相对位移规律

在结构模型1、2上分别选取顶部A点与底部B点,对比两个模型在地震作用下水平方向的相对位移,结果如图5(a)所示。从图5(a)明显可以看出:同现浇框架结构相比,在地震中随着人工铰的张开与闭合,自适应结构的相对位移增大了2倍以上,结构的自振周期提高。这种现象验证了本文提出的变刚度减震思想,即通过新型人工铰的设置,提高结构自振周期,改变结构刚度,从而有效地降低作用于结构的地震作用。

图5 模型1、2分析结果Fig.5 Analysis results of model 1 and 2

2.3 层间剪力分布规律

现浇结构与自适应结构的顶层剪力随地震作用变化情况如图5(b)所示。由图5(b)可知,整个地震响应过程中,自适应结构所承担的剪力随地震波的幅值和频率不断变化,剪力峰值响应时间在46 s,峰值为584 kN,与现浇结构相比,顶层最大剪力降低了2倍。

选取该4层框架结构每层中的一个截面,比较现浇框架结构和自适应结构在主轴方向的剪力大小,结果如图5(c)所示。从图中可以看出自适应结构与现浇框架结构模型相比,地震应力大幅度减小,实现了减震的目的。其中自适应结构模型的底层剪力降低了2倍,顶层剪力降低了3倍,但是第3层剪力大于现浇结构模型。这是因为当结构底层受到地震作用的影响时,为过滤输入结构的高频地震波,结构2～4层柱间连接处瞬时从固结连接转换成铰接连接,人工铰发生轻微转动。其中第2、4层人工铰顺最大地震作用方向发生轻微转动;由于自适应结构特殊的柱间装配连接形式,第3层人工铰向反方向转动,导致结构第3层剪力增大。从结构整体受力分析,本文提出的自适应结构有效降低了地震波作用于结构的层间剪力。

2.4 抗侧刚度研究

对于框架结构,抗侧刚度主要指弯曲变形引起的侧移,是结构抵抗变形的能力。在只考虑线弹性分析的条件下,抗侧刚度是个定值。当地震动比较小时,地震作用对结构刚度的影响较小。

图5(d)、(e)分别为模型1、2的抗侧刚度。同现浇框架结构相比,在地震中随着人工铰的张开与闭合,自适应结构的抗侧刚度降低了20倍,并且结构的自振周期大幅度提升。以上结论验证了本文变刚度减震的思想是可行的。

3 新型人工铰相关理论分析

抗震框架设计的基本思想是要求结构在地震作用下形成梁式侧移机构,使大部分地震能消耗在梁端塑性铰上,保护柱和节点基本处于线弹性工作阶段。本文基于机构控制理论提出的新型人工铰结构可以实现这一设计理念,即在地震发生时通过梁柱连接处的张开与闭合,整体构成可以发生微小转动的人工铰。当框架柱屈服后,人工铰的框架变形机制如图6所示。图中θ为侧移转角,L为梁长,H为柱高,LC为人工铰远离节点处长度。当θ为常数时,LC越长所需的转动能力越大,也就是说人工铰距节点的距离受其转向能力的限制。

图6 人工铰的框架变形机制Fig.6 Yield mechanism of the frame

在地震作用达到一定程度时,人工铰能够瞬时减小整体结构刚度,提高结构延性,从而达到减震的目的。地震后人工铰通过预应力筋的约束复位,使结构具有恢复力性能。将梁端铰从梁根转移出X0,可以使人工铰在地震作用下形成最佳耗能机构。人工铰对提高结构延性、改善结构抗震和恢复力性能有显著的效果。

3.1 转移人工铰位置理论分析

将人工铰从梁根处向外转移,可以增大人工铰转动范围,提高其转动能力。当自适应结构进入自动控制阶段时,结构变形将集中于人工铰区域,结构的刚度、整体变形能力将取决于人工铰的转动能力。人工铰出现轻微转动的现象标志着装配式梁、柱连接处某一截面的曲率达到极限。

(1)

当自适应结构采用新型人工铰构造后,截面C′将首先屈服。由上文可知:

(2)

(3)

假定

A′D′=AD=1

(4)

由式(2)可知

(5)

故有

(6)

由上面的论证可知,为保护节点不发生剪切破坏,并防止纵筋在节点内的锚固破坏,提高人工铰的转动能力,将人工铰从梁根转移出来是有利的。

3.2 人工铰的合理位置

由上文已知,人工铰的位置应从梁根处向外转移,以保护框架节点,但并不是离梁根越远越好,其位置受到转动能力的限制。当自适应结构达到自动控制阶段时,人工铰出现轻微的转动。

地震作用下装配式梁的受力情况如图7(a)所示。由图6、7可得人工铰的转角:

(7)

式中:θZ为人工铰的侧移转角。

图7 人工铰合理位置分析Fig.7 The rational position analysis result of artificial hinge

设[θL]为人工铰的有效转角,[μL]为人工铰转弯延性系数,[μZ]为柱底转弯延性系数,φL为屈服曲率,θYZ为柱下端屈服转角,则人工铰的转角应满足下式:

(8)

故有

(9)

(10)

我们可以发现,X0受多个变量的影响。为了获得相同的整体延性,人工铰离节点的位置越远,所需要的铰的塑性转角就越大。总而言之,当人工铰的转动能力一定时,人工铰距离节点的位置越近可得到的整体延性就越大。

图8为模型1～4的顶点剪力与位移对比图。由图8可知,模型2取X0=450 mm作为人工铰设置的合理位置时,结构的减震效果最好,与理论推导的结论相符合,证明了将人工铰从梁根转移出来是有利的,但并不是离梁根越远越好。

图8 模型1～4的顶点剪力与位移对比图Fig.8 Comparison between shear force and displacement at the top of four models

3.3 人工铰的工作机理

由上文可知,模型2取X0=450 mm作为人工铰设置的合理位置时结构的减震效果最好,因此选取模型2分析地震作用下人工铰的张开尺寸(图9)。由图9可知,新型人工铰的张开与闭合趋势随着地震作用下结构的水平剪力发生变化,当地震作用达到一定程度时人工铰发生轻微转动,人工铰的梁柱连接处出现微小的张开与闭合,减小结构的自身刚度,使结构受到的地震应力瞬间降低。在地震过程中,人工铰的张开与闭合受到3种约束力作用的控制,分别为:装配式柱连接处预应力钢绞线的竖向拉应力,装配式梁、柱连接处预应力钢绞线的水平拉应力,人工铰上部结构自重产生的竖向压应力。当地震结束时,人工铰在这3种约束力作用下恢复到初始位置。

图9 地震作用下人工铰张开尺寸Fig.9 The opening size of artificial hinge under earthquake

与传统梁端塑性铰的设置相比,这种新型人工铰具有良好的耐久性和适应性,可随着不同地震反应的过程相应地发生变化,起到一种卸力装置的作用,化解作用于结构薄弱层的地震应力,从而让梁柱结构节点的薄弱层在强烈的地震作用下不至于瞬间发生破坏。同时它可以使整体结构从预置的预应力钢绞线中获得最大拉力,使钢筋混凝土中的预应力钢筋充分发挥其高强的抗拉性能,有效地保护结构整体,消耗地震作用的能量。

4 结论

钢筋混凝土框架结构节点处应力集中、侧向刚度小,在地震作用下容易导致结构整体失稳倒塌,而传统多、高层建筑抗震及大跨结构中设置阻尼器大幅增加了结构设计成本,并带来了一系列问题。针对以上问题,本文跳出在建筑中设置阻尼器减震的传统观念,提出了自适应结构减震的新思路,得到以下主要结论:

(1) 本文提出的自适应结构具有高效的变刚度和恢复力性能,通过其装配式梁、柱连接处的张开与闭合,构成的人工铰可以随地震作用发生轻微转动,瞬间改变结构自身刚度,并随地震波的变化而自动改变。当地震结束时,人工铰在预应力筋的约束下恢复原位。

(2) 当随机的地震波输入自适应结构系统时,人工铰瞬时发生转动,影响地震波在建筑介质中的传播,从而过滤具有破坏能力的高频地震波,只接收低频地震波。

(3) 计算结果表明人工铰设计的合理位置应从梁根转移出来,这样不仅可以有效保护节点不发生剪切破坏,还能防止纵筋在节点内的锚固破坏,提高人工铰的转动能力,但并不是人工铰离梁根越远越好。

(4) 这种自适应结构表现出的减震与恢复力性能为基于性能的结构抗震设计提供了有效的思路和途径。同时本文建立的自适应结构减震与恢复力模型也可为其他装配式框架结构提供整体抗震性能分析的依据。