空间预压装配式结构防连续倒塌性能影响因素研究

瓮 超, 黄慎江,2,3, 陈 宇

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室,安徽 合肥 230009; 3.国家级装配式建筑产业基地,安徽 合肥 230009)

0 引 言

结构连续倒塌是指结构在偶然荷载作用下,由最初的局部破坏失效引起失效构件相连的构件破坏,导致相对于初始局部破坏更大范围的倒塌破坏[1]。1968年伦敦Ronan Point公寓倒塌案例和2001年纽约世贸中心遭受恐怖袭击从而引起连续倒塌案例的发生,促使各国研究者更加关注结构连续倒塌问题。如何避免连续倒塌和减小连续倒塌带来的后果已经成为现今土木工程领域研究的热点之一。

文献[2]运用有限元仿真分析多个装配式框架,对装配式框架连续倒塌中的压拱机制与悬链线机制进行详细分析,并与经典塑性铰理论进行对比,定义2种机制情况下的承载力提高系数,通过Pushdown方法得出拆除不同柱后剩余结构的稳定性从大到小依次为短边中柱、内柱、角柱、长边中柱;文献[3]使用ABAQUS软件对不同工况的钢筋混凝土框架模型进行仿真模拟分析,结果表明,合理施加预应力,可提高结构的防连续倒塌能力,而在考虑悬链线效应的作用下,预应力结构与普通混凝土结构均在抗连续倒塌极限承载力方面有较大提高;文献[4]基于显示动力学仿真模拟分析及试验,认为楼板可提高结构的整体性,从而提升防连续倒塌能力,同时在地震作用下,主要是竖向构件起到抗连续倒塌作用,楼板、梁等在地震作用下几乎没有悬链线机制的作用;文献[5]进行一个12层混凝土框架结构的抗连续倒塌试验,通过分析其失效柱相连构件处的位移与内力,得出楼板对结构抗连续倒塌性能有很大的贡献;文献[6]对1榀两层两跨预压装配式框架进行拆除中柱的试验与仿真研究,探讨该结构抗连续倒塌的性能与机制,得出预应力筋对结构抗连续倒塌能力具有较大的提升作用,同时预应力筋在动荷载作用下对结构抗连续倒塌能力的提升相比于静荷载作用下较低。

目前，国内外对结构防连续倒塌的研究主要集中于现浇混凝土结构和平面结构,对预压装配式结构及空间结构的研究较少。本文在已有研究成果的基础上,研究预应力筋、楼板、柱失效位置等设计因素对结构防连续倒塌能力的影响,为预压装配式结构防连续倒塌设计提供参考。

1 有限元模型的建立与验证

1.1 有限元模型的建立

本文采用分离式建模,混凝土和钢筋采用Embedded进行耦合,钢筋与预应力筋采用T3D2单元,混凝土采用C3D8R单元。在本构模型选取中,非预应力筋选择理想弹塑性双折线模型,其弹性模量Es=200 GPa,泊松比μ=0.2;预应力筋采用双斜线模型,其弹性模量Es=190 GPa,最小抗拉强度fptk=1 860 MPa;混凝土采用塑性损伤模型,其弹性模量Ec=31.9 GPa,泊松比μ=0.2。材料应力-应变关系曲线如图1所示。图1中,α为预应力筋的硬化刚度系数。

关于预应力施加,采用降温法,即定义预应力筋材料的膨胀系数,对预应力筋施加降温,通过预应力筋与混凝土的黏结传递预应力。梁柱界面法向采用硬接触,切向采用库伦摩擦系数为0.6,允许其脱离来模拟环氧树脂作用。在实际加载过程中,预压装配式结构的柱脚与地面固定,因此在模拟过程中,柱脚与地面设置为刚性接触,限制其各方向位移。根据文献[7]试验的实际情况,结构柱整体的轴压比取0.3,模拟过程中荷载施加采用控制位移加载方式。

文献[8]将结构的连续倒塌失效准则定义为梁两端的相对竖向位移超过跨度的1/5;在本文仿真结构中,梁跨度为3 300 mm,依据文献[8]的规定,当失效柱处竖向位移为660 mm时,判定结构到达极限倒塌状态。

图1 材料应力-应变关系曲线

1.2 有限元模型的验证

本文选取文献[7]试验进行有限元模型验证,针对预压装配式混凝土框架结构角柱失效后抗连续倒塌能力进行分析,失效柱竖向位移与荷载的试验结果与模拟结果对比曲线如图2所示。

图2 试验与仿真荷载位-移曲线对比

从图2可以看出,有限元模型的计算结果与试验结果吻合性较高,但是由于在建模时无法模拟试验的真实条件,有部分偏差。总体而言,有限元计算参数合理,可用于后续仿真研究。

2 结构设计信息与仿真模型

由于空间预压装配式结构未广泛应用于实际工程中,本文采用的混凝土框架是以文献[7]中试验所用混凝土框架为基础进行拓展、通过结构设计软件PKPM按照文献[9-10]进行配筋设计的1/2缩尺两层两跨结构,试验框架预制梁、柱均采用C40混凝土,采用的预应力筋为1束7φj15低松弛钢铰线,非预应力筋为HRB400级钢筋。结构的尺寸与配筋如图3所示,其有限元分离式模型如图4所示。

图3 框架尺寸及配筋

图4 ABAQUS有限元分离式模型

3 结构防连续倒塌参数研究

针对本文设计的两层两跨3榀预压装配式混凝土框架结构,使用ABAQUS有限元分析软件进行仿真建模,采用非线性静力分析方法,将主要参数设置为混凝土强度、普通钢筋强度、预应力筋配筋率、预应力筋张拉控制应力、有无楼板、梁柱节点刚性及失效柱位置,对该结构在内柱失效情况下的防连续倒塌性能进行仿真研究。

3.1 混凝土强度的影响

在分析混凝土强度对结构抗连续倒塌能力的影响时,在本文建立的有限元模型基础上,保证其他参数不变,改变混凝土的抗压强度。分别使用C40、C45、C50混凝土的框架结构荷载-位移曲线如图5所示。从图5可以看出:在弹性阶段,混凝土强度增大可以延缓变形;进入弹塑性阶段后,主要依靠梁机制,由于混凝土强度增加,梁端及梁中的抗弯能力增强,此时结构整体抗连续倒塌能力有一定的提高;最后进入悬链线机制阶段,由于只有预应力筋是贯通的,混凝土与普通钢筋退出工作,3种混凝土强度下的极限抗力并无区别,均为211 kN。因此,在进行预压装配式结构设计时,可适当提高混凝土强度来提高结构整体的抗连续倒塌能力,但是也不可过度提高,以免在位移增加的过程中,梁段混凝土还未充分被压碎,就发生梁柱截面分离,即结构裂缝还未充分形成,便进入悬链线机制阶段,突然进入大变形阶段,从而未充分利用材料的强度。此外,混凝土强度过度提高会造成材料浪费、提升造价;同时由于混凝土结构未充分形成裂缝,会使居住的人认为结构还有一定的防连续倒塌强度,对将要发生的倒塌危险没有充足的心理预期,增加危险性。

图5 混凝土强度对荷载-位移曲线的影响

3.2 普通钢筋强度的影响

为了研究普通钢筋强度对结构抗连续倒塌能力的影响,保证其他参数不变,设计3种工况,分别对应普通钢筋的屈服强度335、400、500 MPa。不同钢筋强度下荷载-位移曲线如图6所示。观察仿真情形并结合图6结果分析可知:在前期弹性阶段,3种工况无明显差异;随着位移增加,进入梁机制,此时结构的抗力主要由框架梁端抗弯承载力提供,梁端受拉钢筋屈服,逐渐形成塑性铰,牛腿处受压区混凝土被压碎退出工作,此时钢筋屈服强度为500 MPa的结构承载力较高,相比于钢筋屈服强度为400 MPa的结构,大约提升13%;随着荷载继续施加,到悬链线机制阶段,由于预压装配式结构的普通钢筋并未贯通,只有预应力筋是贯通的,因此提高普通钢筋强度对悬链线阶段的抗力并无明显提高。综上分析可知,提高普通钢筋强度,能在一定范围内提高梁机制阶段的结构抗力、延缓结构变形,但是无法提高结构的最大抗力,因此若结构需要在小位移情况下提供较大抗力,则建议适当提高普通钢筋强度,但也不可过度提高以免导致跨中梁成为超筋梁。

图6 普通钢筋强度对荷载-位移曲线的影响

3.3 预应力筋配筋率的影响

在预压装配式结构中,预应力筋在结构抗连续倒塌的过程中起到至关重要的作用,探讨其对倒塌各机制起到的具体作用可以对预压装配式结构设计提供一定的理论参考。在保证其他参数相同的情况下,设计3种工况,其对应的预应力筋配筋率分别为0.85%、1.14%、1.50%,结构荷载-位移曲线如图7所示。

图7 预应力筋配筋率对荷载-位移曲线的影响

观察仿真情形并结合图7结果分析可知:在最初的弹性阶段,主要由混凝土抵抗变形,普通钢筋与预应力筋贡献较少,两者无明显差距;在位移达到55 mm后,进入弹塑性阶段(梁机制),此时预应力筋延缓了梁端塑性铰的形成,同时在失效柱处增强了压拱作用,从而使结构抗连续倒塌能力有一定的提升,但提升幅度有限;当位移达到205 mm后,结构进入悬链线机制,由于只有预应力筋是贯通结构的,此时只有预应力筋起到防连续倒塌的作用,配筋率为1.50%的工况相对于配筋率为1.14%、0.85%的工况,极限承载力分别提升约30%、100%。

因此,提高预应力筋的配筋率可以有效提高预压装配式结构的抗连续倒塌能力。

3.4 预应力筋张拉控制应力的影响

保证其他参数不变,分别设置预应力筋的张拉控制应力为0.60fptk、0.75fptk、0.90fptk,对应的荷载-位移曲线如图8所示。从图8可以看出:在弹性阶段,3条曲线基本重合,此时主要由混凝土提供弹性变形;随着位移增加,进入梁机制,梁端形成塑性铰,此时张拉控制应力较强工况下的承载力有一定的提升,但很有限;随着位移继续增加,进入悬链线机制,此时主要抗力是由预应力筋受拉产生的抵抗,结构的极限承载力也是由预应力筋的屈服强度与极限抗拉强度决定的,由于预应力筋的配筋率均未发生改变,3种工况下的曲线基本重合。

由此可得,提升预应力筋的张拉控制应力可以在梁机制小范围内提高结构的防连续倒塌能力,对悬链线机制基本无影响。在工程中一般不采用提升预应力筋张拉控制应力方式来提高结构的防连续倒塌能力。

图8 预应力筋张拉控制应力对荷载位-移曲线的影响

3.5 楼板的影响

在实际工程中,作为关键构件的楼板对结构抗连续倒塌有着重大的影响,但是在相关研究中通常会由于繁琐的计算与仿真而被忽略,因此有必要探讨楼板的影响。本文通过设置参数相同但有、无楼板的2种工况进行对比探讨,其荷载-位移曲线如图9所示。框架结构与有楼板结构的混凝土应力-应变云图如图10所示。

由图9可知,有楼板结构在梁机制、悬链线机制中,其结构抗力都有很大提升,与无楼板结构相比,有楼板结构的最大抗力提升2.1倍,由此可见,楼板对提升结构抗连续倒塌能力有重大贡献。

图9 有、无楼板情形下结构荷载-位移曲线

图10 有、无楼板结构的混凝土应力-应变云图

有楼板结构的荷载-位移曲线可分为5个阶段:① 弹性阶段,梁板为框架提供约束,提高了其抗力,但是影响不大;② 梁拱-板压膜机制阶段,在失效柱周围不断产生裂缝;③ 楼板配筋由受压转变为受拉,楼板由压膜机制转化为拉膜机制(②、③对应框架结构的梁机制阶段);④ 随着梁端形成塑性铰,受压区混凝土被压碎,标志着梁机制结束,进入悬链线-板拉膜机制阶段,此时结构进入大变形阶段,梁从局部受压转化成受拉状态,梁截面丧失抗弯能力;⑤ 贯通的预应力筋被拉断的同时,结构进入板拉膜阶段,整体结构的抗力仅由板提供。综上分析可知,板通过最初的压膜作用与后续的拉膜作用,使结构的抗连续倒塌能力有较大幅度提升,同时相对而言,比框架结构多了板作用的拉膜机制阶段,多了一层安全储备。

从图10可以看出,2种结构的最终破坏形态明显不同,有楼板结构由于楼板作用,其防连续倒塌能力有极大提高。

3.6 梁柱节点刚度的影响

为探究梁柱节点刚度对结构防连续倒塌能力的影响,选用文献[11]的研究数据,使用轴压比作为调节节点刚度的参数。文献[11]研究指出,随着轴压比增大,节点刚度逐渐增大,故在保证其他参数不变的情况下,设置轴压比分别为0.2、0.3、0.4共3种工况,结构荷载-位移曲线如图11所示。从图11可以看出:在弹性阶段,梁柱节点刚度对连续倒塌基本无影响,3条曲线基本重合;随着位移增大,进入梁机制,此时刚度较大结构的最大承载力有一定的提高,但很有限,轴压比为0.4的工况相比于轴压比为0.2的工况,最大承载力只提高11%;最后进入悬链线机制,此时梁端混凝土被压碎,抗力完全由预应力筋提供,提高节点刚度无法对预应力筋的材料属性有任何影响,故3种工况的极限荷载基本相同。

图11 不同轴压比下结构的荷载-位移曲线

3.7 不同失效柱位置的影响

建筑结构在偶然荷载作用下,不同部位失效对结构抗连续倒塌有不同的影响,针对该问题,选择框架结构首层的内柱、角柱和边中柱作为失效构件。由于不同失效柱的设计荷载不一致,直接采用承受荷载判断结构抗连续倒塌能力不合适,故采用基于失效跨间的Pushdown方法,设计失效柱为边中柱、内柱、角柱3种工况,其相对承载力系数-位移曲线如图12所示。从图12可以看出:在弹性阶段,结构承载力增大,但位移变形幅度较小;随着结构进入塑性阶段,结构承载力增加较小,位移增幅较大。由于不同部位的连续倒塌机制不同,3个失效柱的曲线也有差异,结构相对承载力系数从大到小的工况依次为边中柱失效、角柱失效、内柱失效。由图12可知,在失效柱位移达到600 mm时,3种工况下结构的相对承载力系数分别为1.89、1.68、1.35,均大于文献[9]中的动力增大系数,这说明该预压装配式框架结构在这3个柱失效后不会发生连续倒塌。上述结果表明,在预压装配式混凝土框架中,由于不同位置框架柱失效后,剩余结构的受力机制不同,从而导致结构抗倒塌极限承载力大小有差异。在角柱失效时,结构防连续倒塌机制只有梁机制阶段,从最初的弹性阶段发展进入梁机制阶段,塑性铰持续发展,梁端受压区混凝土被压碎后进入倒塌阶段;而边中柱失效与内柱失效的连续倒塌机制类似,都是梁机制过渡到悬链线机制后结构破坏。

图12 不同失效柱下结构的相对承载力系数-位移曲线

4 结 论

(1) 混凝土与普通钢筋的材料强度提高均可在梁机制阶段提高结构的最大抗力,但是提升幅度有限,在悬链线机制阶段对结构的抗连续倒塌能力基本上没有影响。

(2) 预应力筋配筋率的提高在梁机制阶段与悬链线机制阶段均可提高结构的抗连续倒塌能力,尤其在悬链线机制阶段提高效果明显,可以提高结构整体的最大抗力,这是提高预压装配式结构抗连续倒塌能力的最有效方法。但预应力筋张拉控制应力对结构防连续倒塌基本无影响。

(3) 楼板由于膜机制的作用,可显著提高结构的抗连续倒塌能力,在最大位移时,有楼板结构的抗力是框架结构的2.1倍;同时，相对于框架结构,有楼板结构多了板拉膜机制,提高了安全储备。

(4) 通过调整轴压比的方式来调整梁柱节点刚度,得出梁柱节点刚度对于结构防连续倒塌,在梁机制阶段有较小影响,但在悬链线机制阶段基本无影响,无法提高结构的防连续倒塌极限荷载。

(5) 利用非线性静力Pushdown方法,对结构进行不同失效柱位置的抗连续倒塌分析,得出不同柱失效工况下，剩余结构的抗连续倒塌承载力从大到小依次为边中柱失效、角柱失效、内柱失效。