孫國華 李秀領(lǐng)
(山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,山東省土木結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)協(xié)同創(chuàng)新中心,濟南250101)
火災(zāi)會影響框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布,改變破壞機制,降低框架的抗震性能,因此研究框架結(jié)構(gòu)火災(zāi)后的抗震性能具有重要意義。肖建莊等[6]對1 榀未受火和3 榀火災(zāi)后的高性能混凝土框架進行了低周反復(fù)加載試驗,分析了火災(zāi)、混凝土強度等因素對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響規(guī)律,研究表明:火災(zāi)后混凝土框架的承載力、剛度及耗能能力均明顯下降。趙國章[7]利用考慮軸向力二階效應(yīng)的高精度梁單元對火災(zāi)后混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能進行了分析,結(jié)果表明:火災(zāi)后的框架結(jié)構(gòu)由于剛度的降低,導(dǎo)致在地震作用下的動力特性有較大的改變。張麗娜等[8]采用SAP2000 有限元軟件分析了不同受火區(qū)域?qū)蚣芙Y(jié)構(gòu)抗震性能的影響,結(jié)果表明:受火層越往下對結(jié)構(gòu)的抗震性能影響越大。張磊[9]對1 榀未受火和1 榀火災(zāi)后的型鋼混凝土框架進行了擬靜力試驗,研究表明:經(jīng)歷火災(zāi)后的框架結(jié)構(gòu),承載力及延性比未受火框架明顯下降。徐振博[10]對5 榀框架進行了低周反復(fù)加載試驗,研究了不同受火工況、GHPFRCC 新型材料對框架抗震性能的影響。
綠色高性能纖維增強水泥基復(fù)合材料(Green High-Performance Fiber-Reinforced Cementitious Composites),是在水泥基復(fù)合材料的基礎(chǔ)上,摻入粉煤灰以替代水泥,制備而成的新型環(huán)保材料。其主要原料有水泥、水、粉煤灰、精制石英砂、聚乙烯醇纖維及高效減水劑。與普通混凝土相比,GHPFRCC 具有更高的抗拉、韌性、致密性等優(yōu)質(zhì)力學(xué)性能[11-12]。
本文以文獻(xiàn)[10]的試驗為基礎(chǔ),利用OpenSees 軟件,選用3 種不同的鋼筋本構(gòu)模型,對火災(zāi)后GHPFRCC 框架進行了低周反復(fù)加載的數(shù)值模擬,分析不同的鋼筋本構(gòu)模型對模擬結(jié)果的影響。由模擬和試驗結(jié)果可知,有限元模擬具有較高的精確度,在此基礎(chǔ)上,研究了軸壓比和不同受火工況對火損GHPFRCC框架抗震性能的影響規(guī)律。
試驗構(gòu)件為2榀兩層兩跨的框架,采取1:2的縮尺模型??v筋為HRB400 鋼筋,箍筋為HPB300鋼筋。構(gòu)件詳情見表1,GHPFRCC 配合比見表2。構(gòu)件尺寸及配筋圖見圖1。GHPFRCC 框架為節(jié)點區(qū)域澆筑新材料,節(jié)點邊緣向外延伸300 mm,如圖2所示。
表1 構(gòu)件詳情Table 1 Parameters of specimens
表2 GHPFRCC配合比Table 2 Mixture ratio of GHPFRCC
框架采取雙腔受火,具體受火位置為框架一層的梁柱及節(jié)點,底層中柱為四面受火,邊柱和梁為三面受火。以標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線ISO-834 為升溫制度,受火時間為60 min。
名物化研究始于20世紀(jì)初[4],至今仍然是語言學(xué)界關(guān)注的熱門話題。研究的視角包括早期的結(jié)構(gòu)主義語言學(xué)、行為主義語言學(xué),到后來的轉(zhuǎn)換生成語言學(xué)、系統(tǒng)功能語言學(xué)、認(rèn)知語言學(xué)等,應(yīng)用領(lǐng)域遍及二語習(xí)得、語言教學(xué)、翻譯、語言對比等。國內(nèi)關(guān)于英語名物化的研究起步較晚,直至80年代才有重要文獻(xiàn)發(fā)表,但30多年來發(fā)展迅速[1]56。
擬靜力試驗時,先施加豎向荷載,然后在上層梁端施加水平荷載,水平加載采用位移控制,每級加載往復(fù)循環(huán)兩次,擬靜力試驗示意圖如圖3所示。
OpenSees 是應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域地震反應(yīng)模擬的一個較為全面且有影響力的軟件。它基于腳本語言,擁有領(lǐng)先且不斷豐富發(fā)展的數(shù)據(jù)模型庫,具有強大的分析及求解功能,在線性及非線性地震反應(yīng)模擬方面均具有較高的模擬精度。
圖1 構(gòu)件尺寸及配筋圖(單位:mm)Fig.1 Cross section and reinforcement of frame(Unit:mm)
圖2 GHPFRCC澆筑區(qū)域詳圖Fig.2 Pouring area of GHPFRCC
在建立模型前,對各種不同材料選取相應(yīng)的單軸材料本構(gòu)模型。數(shù)值模擬需做以下假設(shè):
(1)框架截面應(yīng)變線性分布,滿足平截面假定;
(2)假定火災(zāi)后溫度分布沿構(gòu)件長度方向相同,根據(jù)等溫曲線的位置將截面化整為不同溫度的矩形。
圖3 試驗示意圖Fig.3 Schematic diagram of test
2.2.1 混凝土本構(gòu)關(guān)系
混凝土本構(gòu)采用Concrete02 模型,該模型基于修正的 Kent-Park 模型[13],不僅考慮了混凝土受壓卸載過程中的剛度退化,而且考慮了加卸載過程的滯回耗能,能夠較好地模擬混凝土在低周反復(fù)加載下的性能。箍筋對混凝土的橫向約束作用,通過修正峰值應(yīng)力應(yīng)變和軟化段的斜率來考慮,其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖4所示。
2.2.2 GHPFRCC本構(gòu)
GHPFRCC 本構(gòu)關(guān)系采用 ECC01 模型[14],其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系見圖5。該模型的控制參數(shù)較為全面,主要有拉伸開裂應(yīng)力應(yīng)變、極限拉應(yīng)變、抗壓強度、峰值應(yīng)變、極限壓應(yīng)變以及軟化段的卸載系數(shù)等,可以較好地模擬高性能纖維增強水泥基復(fù)合材料的滯回特性。
圖4 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.4 Stress-strain curve for concrete
圖5 ECC應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.5 Stress-strain curve for ECC
2.2.3 鋼筋本構(gòu)
Steel02 本構(gòu)模型[15],它是基于帶初始應(yīng)力屬性的Giuffre-Menegotto-Pinto 的鋼筋本構(gòu),其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系見圖6。該模型骨架為雙折線,有彈性階段,較為貼合實際。通過調(diào)整參數(shù),可以適當(dāng)考慮鋼材的Bauschinger 效應(yīng),但是定義的參數(shù)較少,未能考慮鋼筋的屈曲和疲勞損傷效應(yīng)。
圖6 鋼筋本構(gòu)Fig.6 Steel stress-strain curve
Reinforcing Steel 本構(gòu)模型[16]是鋼筋模型中較為精準(zhǔn)的一個,其骨架曲線可分為彈性、屈服、硬化和軟化四個階段,如圖7 所示。該模型考慮了鋼筋的受壓屈曲和強度退化,能較好地模擬鋼筋循環(huán)荷載作用下的性能。該模型計算參數(shù)多而復(fù)雜,容易出現(xiàn)不收斂情況。
圖7 鋼筋本構(gòu)Fig.7 Steel stress-strain curve
Hysteretic 本構(gòu)模型可設(shè)置3 個應(yīng)力應(yīng)變點,如圖8 所示。通過引入再加載時應(yīng)力和應(yīng)變的縮放系數(shù)來考慮捏攏效應(yīng),該模型考慮了能量損傷因子和卸載剛度退化,計算參數(shù)設(shè)置靈活,應(yīng)用面廣,且計算收斂性較好。
圖8 鋼筋本構(gòu)Fig.8 Steel stress-strain curve
對于受火災(zāi)作用的下層梁柱構(gòu)件,根據(jù)火災(zāi)后不同受火區(qū)域的溫度,選取200 ℃、400 ℃、600 ℃為分界線,將構(gòu)件截面劃分為 4 個區(qū)域[17]。各區(qū)域內(nèi)采用相同的彈性模量和強度進行簡化計算。吳波[18]對高溫后混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進行了詳細(xì)研究,給出了高溫后混凝土強度、峰值應(yīng)變、彈性模量與溫度的關(guān)系。
李秀領(lǐng)等[19]對 GHPFRCC 試件高溫后的力學(xué)性能進行了試驗研究,給出了高溫后GHPFRCC抗壓強度和彈性模量等與溫度的關(guān)系。根據(jù)截面不同區(qū)域內(nèi)的溫度大小,對GHPFRCC 材料參數(shù)進行相應(yīng)的折減,以考慮火災(zāi)的作用。
呂彤光[20]給出了高溫后鋼筋的屈服強度和彈性模量與溫度的關(guān)系式,火災(zāi)作用后鋼筋強度和彈性模量可依此進行計算。研究表明,600 ℃以下鋼筋的屈服強度與溫度之間的關(guān)系,與常溫下的基本相同。高溫后鋼筋的彈性模量,隨溫度近似線性下降,可用下式計算:
上述式中的Es為常溫下鋼筋的彈性模量。
選用基于位移的非線性梁柱單元(Displacement-Based Beam-Column Element),并在柱底附加零長度單元,以考慮縱筋粘結(jié)滑移的影響。截面劃分時采用每20 mm×20 mm劃分一條纖維束。柱子考慮P-Delta效應(yīng),選用5個積分點。采用RCM編號自由度。迭代計算采用KrylovNewton法,若有迭代步不收斂,選用Broyden 法或NewtonLineSearch法進行計算。
采用 Hysteretic、Reinforcing Steel 和 Steel02 鋼筋本構(gòu)模型,對火損GHPFRCC框架進行有限元分析,數(shù)值模擬和試驗的滯回曲線和骨架曲線的對比結(jié)果如圖9所示。采用Hysteretic鋼筋本構(gòu)模型對火損C30框架模擬所得的滯回曲線和骨架曲線如圖10所示。由骨架曲線所得的各個特征階段的荷載和位移數(shù)據(jù)列于表3。通過對比可以看出:
(1)由試驗數(shù)據(jù)可知,火損C30 框架的極限承載力為107.01 kN,極限位移為173 mm,火損GHPFRCC 框架的極限承載力為113.40 kN,極限位移為179 mm。火損GHPFRCC框架滯回環(huán)的面積比火損C30 框架更加飽滿。 火災(zāi)后的GHPFRCC 框架的極限承載力、延性和耗能能力等均高于火災(zāi)后的普通混凝土框架。
圖9 GHPFRCC框架滯回曲線和骨架曲線對比Fig.9 Comparison of hysteretic curve and skeleton curve for GHPFRCC frame
(2)由圖9 和圖10 可以看出,鋼筋選用Hysteretic模型,模擬結(jié)果要優(yōu)于Reinforcing Steel模型和Steel02 模型。Hysteretic 鋼筋模型考慮了加載后期的剛度退化和捏縮效應(yīng),模擬所得曲線與試驗吻合較好。Reinforcing Steel模型加載后期強度退化與試驗較為吻合,但是模擬所得滯回曲線的捏縮性不充分。Steel02 模型未能考慮循環(huán)荷載下鋼筋的強度退化,峰值荷載較小且加載后期承載力降低緩慢。無論哪種鋼筋模型,模擬所得的初始剛度均比試驗偏大一些。試驗所得滯回曲線的捏縮性比模擬滯回曲線要更明顯,這主要是因為本文所建的模型未能很好地考慮框架梁柱節(jié)點區(qū)的剪切變形。
(3)由表3 可知,模擬所得屈服荷載、極限荷載和破壞荷載及其對應(yīng)的位移,與試驗數(shù)據(jù)相比,誤差基本都在10%以內(nèi),數(shù)值模擬與試驗結(jié)果吻合比較好。
(4)對比模擬與試驗的滯回曲線,可知數(shù)值模擬和試驗結(jié)果之間還存在一定的誤差,主要原因有:①材料本構(gòu)模型的參數(shù)定義存在一定的誤差;②不能完全準(zhǔn)確地確定火災(zāi)后框架結(jié)構(gòu)的強度和彈性模量等參數(shù);③火災(zāi)后梁柱構(gòu)件等溫線的確定存在一定誤差,因而劃分截面時不夠精準(zhǔn);④對于箍筋,建模時并沒有建立模型,僅考慮了箍筋對核心區(qū)混凝土的橫向約束作用。
圖10 C30框架滯回曲線和骨架曲線對比Fig.10 Comparison of hysteretic curve and skeleton curve for C30 frame
表3 模擬值與試驗值的特征值Table 3 Characteristic points of calculation results and test results
為了研究軸壓比對火損GHPFRCC 框架抗震性能的影響,分別對軸壓比為0.15、0.3、0.5 和0.7的框架結(jié)構(gòu)進行低周往復(fù)加載的數(shù)值模擬。不同軸壓比下火損GHPFRCC 框架的骨架曲線如圖11所示。結(jié)果表明,軸壓比較小時,對初始剛度影響較??;軸壓比較大時,初始剛度有所降低。隨著軸壓比的增大,火損GHPFRCC 框架的極限承載力呈現(xiàn)出下降趨勢,極限位移減小,剛度退化更加明顯,延性越差。
為了研究不同受火工況對火損GHPFRCC 框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,在下層受火的基礎(chǔ)上,改變模擬工況,分別進行上層受火和雙層受火后GHPFRCC 框架的低周往復(fù)加載數(shù)值模擬。模擬骨架曲線如圖12 所示,骨架曲線特征值點的數(shù)據(jù)列于表4。
圖11 不同軸壓比下GHPFRCC框架的骨架曲線Fig.11 Skeleton curves of GHPFRCC frame under different axial compression ratios
圖12 不同受火工況下GHPFRCC框架的骨架曲線Fig.12 Skeleton curves of GHPFRCC frame under different fire conditions
由圖12 和表4 可以看出,不同受火工況對GHPFRCC 框架結(jié)構(gòu)抗震性能有不同的影響。相比于下層受火框架,雙層受火框架的極限承載力和位移有所減小,上層受火框架的極限位移和延性有所增大;上層受火框架的極限承載力增大了2.73%,雙層受火框架的極限承載力減小了6.89%;上層受火框架的初始剛度最大,雙層受火框架的初始剛度最小,這說明不同火災(zāi)作用位置對框架的初始剛度有較為顯著的影響。
表4模擬的特征值Table 4 Characteristic points of calculation results
(1)火災(zāi)后的GHPFRCC 框架的極限承載力、極限位移、延性和耗能能力等均高于火災(zāi)后的C30框架,將GHPFRCC 材料應(yīng)用于框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點區(qū)域,可以有效地提高普通混凝土框架火災(zāi)后的抗震性能。
(2)利用OpenSees 軟件,采用非線性梁柱單元,根據(jù)等溫線將纖維截面劃分為不同區(qū)域,簡化計算火災(zāi)對混凝土強度和剛度的損傷,可以較好地模擬火災(zāi)后框架結(jié)構(gòu)低周反復(fù)加載作用下的滯回特性。
(3)選用不同的鋼筋本構(gòu)模型,對模擬的結(jié)果具有不同的影響。Hysteretic 本構(gòu)模型通過再加載時應(yīng)力和應(yīng)變的縮放系數(shù)來考慮捏攏效應(yīng),考慮了能量損傷因子和卸載剛度退化,計算易于收斂,模擬結(jié)果要優(yōu)于Reinforcing Steel 和Steel02本構(gòu)模型。
(4)隨著軸壓比的增大,火損GHPFRCC 框架結(jié)構(gòu)的初始剛度有所降低,極限承載力和極限位移減小,剛度退化更加明顯。軸壓比越大,對框架結(jié)構(gòu)的延性越不利。
(5)不同受火工況對GHPFRCC 框架結(jié)構(gòu)的初始剛度、極限承載力和延性有不同的影響。相比于下層受火框架,雙層受火框架的極限承載力和位移有所減小,上層受火框架的極限承載力、位移和延性有所增大。