鋼管再生混凝土框架體系抗震性能研究

胡樂樂，李 凡，關(guān) 群

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

關(guān)鍵字：再生混凝土；RCFST框架；時程分析；抗震性能

0 引言

再生混凝土是混凝土中的骨料部分或全部來自廢棄混凝土而成的復(fù)合材料。再生混凝土技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對廢棄混凝土的回收利用，響應(yīng)了國家綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展政策。目前鋼管再生混凝土構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中一般作為軸向承重的柱和拱肋，在結(jié)構(gòu)中的受力特征會受到其他構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)形式的影響，其力學(xué)性能和工作機(jī)理與單個構(gòu)件仍有一定區(qū)別，而國內(nèi)外對鋼管再生混凝土研究主要集中在構(gòu)件性能上的研究，對鋼管再生混凝土整體結(jié)構(gòu)性能研究需深入，尤其是框架結(jié)構(gòu)整體體系的抗震性能研究，從而為形成相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法提供一些參考依據(jù)。

國內(nèi)外研究表明隨著再生骨料取代率的增加，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量[1-3]、耐久性能[4]有所下降。而將再生混凝土應(yīng)用于鋼管混凝土（CFST）組合結(jié)構(gòu)中，能使鋼材和混凝土兩種不同性質(zhì)材料發(fā)揮各自特長，利用鋼管對核心再生混凝土套箍作用，使再生混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而改善再生混凝土強(qiáng)度和變形性能[5]，彌補(bǔ)再生混凝土的不足。

本文通過對比分析CFST、RCFST框架在地震作用下的動力響應(yīng)，研究RCFST框架體系的抗震性能。

1 RCFST框架計(jì)算模型

本文采用的結(jié)構(gòu)模型為鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，為10層的辦公樓，層高3.3 m，總高為33 m。該工程抗震設(shè)防烈度為8度，基本地震加速度為0.2 g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，Ⅱ類場地。鋼管柱、梁采用Q345鋼，L2為H M300×200×8×12，其余梁為H M500×300×11×18，樓板為普通C30混凝土，板厚均為120 mm，鋼管混凝土柱外徑600 mm，壁厚10 mm。結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示。

圖1 模型平面圖

鋼管混凝土柱中再生骨料取代率分別為0%（N C）、100%（R C100），再生混凝土的力學(xué)性能采用文獻(xiàn)[6]的實(shí)測數(shù)據(jù)，見表1所列。

鋼材采用文獻(xiàn)[7]的本構(gòu)模型；鋼管核心混凝土應(yīng)考慮三向約束效應(yīng)，在韓林海[8]提出的核心混凝土本構(gòu)模型基礎(chǔ)之上，對核心再生混凝土本構(gòu)關(guān)系[9]進(jìn)行修正。其表達(dá)式為:

表1 鋼管柱再生混凝土實(shí)測性能

f'c,r為不同取代率下的圓柱體軸心抗壓強(qiáng)度，下標(biāo)r表示取代率，fcu,r為不同取代率下的立方體抗壓強(qiáng)度，fc,r表示棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度。

其修正后的核心再生混凝土三向應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 核心再生混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在S A P2000有限元模型中，通過截面編輯器定義鋼管混凝土組合柱，將前面計(jì)算所得核心混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別輸入各個模型，從而模擬出不同再生骨料取代率下的RCFST框架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的梁、柱選用框架單元來模擬，結(jié)構(gòu)的樓板選用薄殼單元來模擬，模型底層支座設(shè)為嵌固端，考慮剛性樓板假定。有限元模型如圖3所示。

圖3 三維有限元模型

2 模態(tài)分析

提取模型的前12階振型，其周期和振型特征如表2所示。

表2 模型主要振型及周期

由模態(tài)分析結(jié)果可知：

（1）兩種模型同階模態(tài)周期相差不大，RCFST模型相比CFST模型，結(jié)構(gòu)自振周期變大，最大增幅7%。類比單自由度周期計(jì)算公式可知，再生混凝土的M和K均減小，剛度對自振周期影響大于質(zhì)量的影響。

（2）兩種模型各階振型特征基本相同。第一振型都是Y向平動，第二振型X向平動，第三振型為扭轉(zhuǎn)振型。符合規(guī)范中規(guī)定第一、第二振型不能以扭轉(zhuǎn)為主。兩種模型周期比均為0.87，小于0.9，符合規(guī)范相關(guān)規(guī)定[10]。

（3）各階振型特征相同，可以認(rèn)為RCFST和CFST框架體系有著極為相近的動力特性。

（4）選取前12階振型的質(zhì)量參與系數(shù)均大于90%，滿足規(guī)范相關(guān)規(guī)定[11]。

3 動力時程分析

彈性和彈塑性時程分析采用EL-Centro波、Taft波和人工波輸入模型，地震波峰值加速度調(diào)整系數(shù)見表3,地震波加速度時程見圖4。

表3 地震峰值加速度調(diào)整系數(shù)

圖4 地震波加速度時程

3.1 多遇地震下彈性時程分析

多遇地震時阻尼按規(guī)范規(guī)定[12]取0.04，地震波沿Y向（結(jié)構(gòu)剛度弱方向）輸入，并按表3對峰值進(jìn)行調(diào)整，持續(xù)時間設(shè)為20 s，EL-Centro波和Taft波時間步長取0.02 s，人工波取0.01 s。

RCFST和CFST模型在多遇地震下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)指標(biāo)最大絕對值見表4所列。三種地震波作用下，RCFST模型比CFST模型的最大層間位移角和頂層位移稍微增大，而基底剪力有所減小。其中層間位移角最大增幅為3.6%，頂層位移增幅為2.3%，基底剪力減幅16%。RCFST模型最大層間位移角為1/659，CFST模型最大層間位移角為1/673，滿足規(guī)范不大于1/300的規(guī)定[11]。

RCFST和CFST框架體系基底剪力時程如圖5所示，在三條地震波作用下，RCFST比CFST模型基底剪力時程總體上要小，且峰值均小于CFST模型。這是由于RCFST模型的剛度和重力荷載代表值較CFST模型小，地震作用下吸收的地震能量較CFST模型小，基底剪力隨之減小。

3.2 罕遇地震下彈塑性時程分析

罕遇地震時阻尼比按規(guī)范規(guī)定[12]取0.05，時程類型采用直接積分，積分方法選Hiber-Huges-Taytor，采用塑性鉸方法來模擬梁、柱的非線性性能，地震波沿Y向輸入，按表3對峰值進(jìn)行調(diào)整，持續(xù)時間設(shè)為15 s。

圖5 多遇地震Y向基底剪力時程

表4 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)指標(biāo)最大絕對值

RCFST和CFST框架體系罕遇地震下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)指標(biāo)最大絕對值見表5所列，三種地震波作用下，RCFST模型比CFST模型的最大層間位移角和頂層位移有所增大，而所受基底剪力減小，其中層間位移角最大增幅為5.8%，頂層位移增幅為4%，基底剪力減幅3.2%。RCFST模型最大層間位移角為1/135，CFST模型最大層間位移角為1/142，滿足規(guī)范不大于1/50的規(guī)定[11]。

RCFST和CFST框架體系基底剪力時程如圖6所示，三條地震波作用下，基底剪力時程相差不大，RCFST模型基底剪力時程峰值比CFST模型小。

RCFST和CFST框架體系Y向頂層位移時程如圖7所示，在三種地震波作用下，兩種模型位移時程反應(yīng)相近，但RCFST模型頂層位移時程峰值比CFST模型略大，從曲線形狀分析可知，波峰間距隨時間的增加逐漸增大，這表明隨著時間的增加結(jié)構(gòu)塑性損傷增加，結(jié)構(gòu)剛度逐漸下降導(dǎo)致周期增大。

RCFST和CFST框架體系Y向?qū)娱g位移角包絡(luò)線如圖8所示，總體情況下RCFST層間位移角包絡(luò)值要大于CFST模型，沿結(jié)構(gòu)高度變化比較均勻。

表5 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)指標(biāo)最大絕對值

4 結(jié)論

本文通過模態(tài)和動力時程分析，對CFST和RCFST框架體系在多遇及罕遇地震作用下的動力響應(yīng)進(jìn)行了對比分析。得出如下結(jié)論：

（1）RCFST比CFST框架體系自振周期略大，最大增幅7%，各階振型特征相同，RCFST和CFST框架體系的動力特性相似，加入再生混凝土對整體結(jié)構(gòu)動力特性影響不大。

（2）多遇地震下彈性時程分析表明RCFST相比CFST框架體系，最大層間位移角、頂層位移增幅不大，而基底剪力減小16%，加入再生混凝土減小了地震作用，一定程度上改善了結(jié)構(gòu)抗震性能，滿足抗震設(shè)計(jì)要求。

（3）罕遇地震下彈塑性時程分析表明RCFST相比CFST框架體系，最大層間位移角增大5.8%，頂層位移增大4%，基底剪力減小3.2%，最大層間位移角分別為1/135、1/142，符合抗震設(shè)計(jì)中“大震不倒”要求，結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)各項(xiàng)指標(biāo)相近，加入再生混凝土的結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下表現(xiàn)良好。

圖6 罕遇地震Y向基底剪力時程

圖7 Y向頂層位移時程

（4）將再生混凝土應(yīng)用到CFST框架體系中，能夠充分發(fā)揮鋼管套箍作用，彌補(bǔ)再生混凝土的不足，使結(jié)構(gòu)在多遇和罕遇地震作用下仍有較好的抗震性能。

（5）通過本文研究，為RCFST框架體系的抗震設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，推廣再生混凝土在建筑工程中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)廢棄混凝土的循環(huán)利用，從而節(jié)約建設(shè)成本。

圖8 Y向?qū)娱g位移角包絡(luò)線