1、后张无粘结预应力装配混凝土联肢抗震墙的连梁组合体抗侧性能第 37 卷第 2 期2007 年 3 月东南大学(自然科学版)JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition)VO1.37No.2Mar.2007后张无粘结预应力装配混凝土联肢抗震墙的连梁组合体抗侧性能孙巍巍孟少平(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 210096)摘要:提出一种新型后张无粘结预应力装配联肢抗震墙体系 ,并研究了其中的连梁组合体在侧向荷载下的性能.建立连梁组合体梁端弯矩同轴线转角的分析模型,并运用DRAIN-2DX 及ABAQUS 等非线性有限元软
2、件进行了验证.分析结果表明 ,连梁组合体在经历较大的反复非线性变形后,除了预制混凝土连梁的保护层会出现脱落外,几乎没有损伤且具有自恢复能力,即最终的残余变形很小.通过针对连梁特性,预应力度等设计参数的分析,给出了实现连梁组合体高延性低超强的设计建议.通过合理的选择参数,新型预应力装配抗震墙的连梁组合体可以获得良好的抗侧能力.关键词:联肢抗震墙;无粘结;后张预应力;预应力;混凝土中图分类号:TU378 文献标识码:A 文章编号:10010505(2007)02-0190-05Lateralloadbehaviorofunbondedpost-tensionedcoupledconcretewal
3、lsubassemblagesSunWeiweiMengShaoping(KeyLaboratoryofConcreteandPrestressedConcreteStructuresofMinistryofEducation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)Abstract:Anewtypeofunbondedpost-tensionedcoupledconcretewallsystemisproposedandlat-eralloadbehaviorofcouplingbeamsubassemblagesinthenewwallsystemi
4、sanalyzed.Amodelisdevelopedtoanalyzethemoment?-rotationbehaviorofcouplingbeamconnectionsofthesubassem?-blages,whichisvalidatedbynonlinearfiniteelementprogramDRAIN-2DXandABAQUS.There-suitsindicatethatapartfromsurfacespallingatthetopandbottomofthecouplingbeam,thesubas-semblagescanbealmostintactoverlar
5、genonlinearcyclicdeformationandarepossessedoftheabili-tyofselfrecovery,inotherwords,theresidualdeformationissmal1.Theeffectofstructuraldesignparameterssuchasbeampropertiesandtheamountofposttensioningonthebehaviorofthesubas-semblagesisinvestigated.Somesuggestionsareputforwardtoachievehighductilityand
6、lowover-strengthofcouplingbeamsubassemblages.Byreasonablychoosingtheseparametersindesign,COU-piingbeamsubassemblagesofnewtypewallsystemcanbemadewithgoodperformancesunderlat-eralload.Keywords:coupledwall;unbonded;posttensioned;prestressed;concrete工业化生产的预制一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,然而由于对其抗震性能了解不足,
7、这种高效率结构体系的应用一直受到制约.美国从 1991 年开始开展了预制收稿日期:2006.1030.基金项目:江苏省自然科学基金资助项目(BK2001011)作者简介:孙巍巍(1979 一),男,博士生;孟少平(联系人),男,博士,教授,博士生导师,spmengseu.edu.ca.结构抗震体系(PRESSS) 的科研计划J,该计划的目的在于开发新型的预制一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(ACIT1.23)L2.通过充分掌握预制一装配式混凝土结构的国内外的最新研究动向,特别是后张无粘结预应力体系在 PRESSS 计划中的出色表现后,本文提出了后张无
8、粘结预应力装配联肢抗震墙结构体系 E3-53.通过理论及非线性有限元方第 2 期孙巍巍,等:后张无粘结预应力装配混凝土联肢抗震墙的连梁组合体抗侧性能 191法对后张无粘结预应力装配联肢抗震墙的连梁组合体进行深入的分析,指出了这种组合体具有不同于传统刚性连结的优越性.1 后张无粘结预应力装配联肢抗震墙的连梁组合体图 1(a),(d)为后张无粘结预应力装配联肢抗震墙结构体系的 2 种具体实现方式,不同的是前者抗震墙仍采用现浇的方法,而后者抗震墙采用预应力钢筋竖向装配预制混凝土块的办法.2 种方式都采用了后张预应力筋拼装预制连梁.所谓连梁组合体包括连梁及于其相连抗震墙的 2 个节段.如图1(b)所示
9、,连梁组合体发生侧向变形后,因预制连梁与抗震墙之间没有非预应力筋相连接,在侧向荷载作用下两者之间将产生缝隙,形成了图 1(C)所示的受力状态.不同于传统整浇刚性连接,因受拉区非预应力筋的去除,预制连梁仅受压力 c 和摩擦力作用,从而在对角线方向形成了斜压杆,这种受力模式对连梁的配筋及构造要求将大大降低.因 c 较大,故连梁及抗震墙接触区应配置箍筋或螺旋筋形成对混凝土的约束.预制混凝土连粱厂:llLJ块,/5(a)装配式抗震墙形式一(d)装配式抗震墙形式二图 1 后张无粘结预应力装配联肢抗震墙结构体系示意图2 连梁组合体中连梁弯矩与轴向转角关系分析侧向荷载作用下组合体中连梁弯矩与轴线转角关系可表
10、示为以下几个极限状态:解压极限状态(DEC); 有效线性极限状态 (ELL);预应力筋屈服极限状态(LLP);约束混凝土压碎极限状态(ccc)161.2.1 解压极限状态(DEC)解压极限状态是指连梁在侧向荷载作用下最外层的混凝土纤维的预压应力变为零.解压极限状态连梁弯矩,轴线转角分别表示为 Md.,0 出.连梁在解压极限状态的受力状态如图 2 所示.解压极限状态所对应的连梁弯矩可表示为1Mdec=Aph(1)式中,厂 n 为预应力筋初始有效应力;A.为预应力筋的面积(位于截面形心处);h 为连梁截面高度.解压极限状态可以认为连梁两端固定,因此轴线转角0 可表示为0d.=0F.de.+0s.d
11、c.(2)F,dec=每0S,dec=七2Mdec:(4)式中,0.出.,0.分别为解压极限状态弯曲变形及剪切变形所产生的轴线转角;E,G 分别为连梁混凝土的弹性模量和剪切模量;L,Aw 分别为连梁长度和有效剪切面积;Ib,k 分别为连梁截面的转动惯量和剪应力不均匀系数.矩形截面 k=1.2.-1图 2 解压极限状态连梁截面受力状态2.2 有效线性极限状态(ELL)有效线性极限状态是指弯矩与转角关系曲线开始偏离最初线性变化的临界状态,即软化点.连梁的软化可能有 2 种情况引起:缝隙的张开;受压区混凝土的应力应变出现明显的非线性变化.l92 东南大学(自然科学版)第 37 卷缝隙的张开及受压区混
12、凝土非线性引起的有效线性极限状态连梁弯矩分别表示为 m.,M.,如图3,图 4 所示.因预应力筋在有效线性极限状态时应力增加十分有限,所以近似地认为预应力筋的应力仍等于初始应力._,101一一一卜|.图 3 缝隙张开引起的有效线性极限状态连梁端部应力应变分布图!一一一一一 J_一一一一图 4 受压区混凝土非线性引起的有效线性极限状态连梁端部应力应变分布图缝隙张开引起的有效线性极限状态根据E1 一 Sheikh 的分析结果显示,应出现在受压区高度小于截面形心高度后,即受压区高度为介于 00.5h.E1 一 Sheikh 最终推荐采用 0.25h 的受压区高度确定缝隙的张开引起的有效线性极限状态_
13、6J.本文同样采用这一假定.M.u.,M.分别为Mel1.1=Aph=2.5Mdec(5)Meu 一 2=LiAp0_5(Iiz 一)(6)式中,为混凝土抗压强度;易为连梁宽度.应取 M.u.,M.中的较小值,即MeIJ=min(Il_1,Mel1.2)(7)有效线性极限状态时仍可假定连梁两端固定,所以连梁轴线转角 0.可表示为0.n=0F.cl】+0s.lJ(8):了 Zb(9)2.,0S,ell(1O)式中,00.分别为有效线性极限状态弯曲变形及剪切变形所产生的轴线转角.对比式(2)(4)及式(8)(1O)可发现解压极限状态和有效线性极限状态的刚度相同,即连梁在达到有效线性极限状态时可以近
14、似认为保持弹性.2.3 预应力筋屈服极限状态(LLP)预应力筋屈服极限状态的受力情况如图 5,图6 所示.预应力筋屈服极限状态连梁弯矩及轴线转角(MIlD0)的确定使用了以下几个假定:连梁端部缝隙张开处受拉区混凝土截面仍保持平面(预应力筋的应变不等于周围受拉区混凝土的应变);混凝土保护层已经脱落;没有发生超筋现象,即预应力筋屈服时约束混凝土没有被压碎;受压区混凝土的曲线应力图形用等效的矩形应力图形来代替,其中=0.9,=1.0.一肘 llp(e_一 r.图 5 预应力筋屈服极限状态连梁端部应力应变分布图M.由下式求得MlIp=,pyAp0.5(h 一 a)(11)以=jpyZ-Xp(12)cc
15、c,式中,cc 为约束混凝土抗压强度,可采用 Mander模型计算;h,b 分别为连梁去除保护层后的高度与宽度;or 为等效混凝土抗压强度与约束混凝土抗压强度的比值;以为等效受压区高度.预应力筋屈服极限状态连梁轴线转角由 2 部分组成:连梁的弹性变形及刚体转动.0.可表示为01Ip=OFIJJp+0s,I】p+0G,IJp(13)OF,llp=Zb(14)0S,iip=足2MIIo(15)=尚,cat(17)式中,0FIl.p,0sIl】p,0GIl】p 分别为预应力筋屈服极限状态弯曲变形,剪切变形及刚体转动所产生的轴线转角;c 为真实的受压区高度;为等效混凝土受压区高度与混凝土实际受压区高度
16、的比值;L 为预应力筋无粘结部分的长度;E.为预应力筋的弹性模量;为连梁缝隙张开的数目,如图 1(b)所示连梁 n=2.2.4 约束混凝土压碎极限状态(ccc)进人预应力筋屈服极限状态后,预应力筋的应力将出现少量的增长,但内力臂也将相应减少,所以近似认为约束混凝土压碎极限状态连梁弯矩M 等于预应力筋屈服极限状态弯矩.,并假设一一第 2 期孙巍巍,等:后张无粘结预应力装配混凝土联肢抗震墙的连梁组合体抗侧性能 1932 种状态下受压区高度相同,即M.=Mllp,c.=c,lp(18)约束混凝土压碎极限状态连梁轴线转角由 2部分组成:连梁的弹性变形及刚体转动.0.可表示如下:0.=0F,.+0s.+
17、0G-cc.(19)=,=足2MnpOS,CCC(21)0G,=丁BcuL,cr(22)式中,0F.c.,0.,0.分别为约束混凝土压碎极限状态弯曲变形,剪切变形及刚体转动所产生的轴线转角;.为约束混凝土的极限压应变.弯曲变形,剪切变形去除了塑性铰长度.范围内的变形.因拼装组合体不同于传统的整浇刚性连结,塑性铰长度.采用 ElSheikh 提出的公式:.cr易 2C,pL2cb2c),.=J为防止过分地夸大连梁的转动能力,式(23)中求得的 L.应以传统公式 0.08L 为上限.为塑性铰至梁反弯点的距离.,3 非线性有限元分析3.1DRAIN-2DX 分析模型用于分析连梁结合体的 DRAIN 一 2DX 分析模型如图 6 所示.模型中使用了 1 号非弹性桁架杆单元及 15 号纤维(条带) 梁一柱单元【.连梁与抗震墙接触区的模拟是通过在连梁端部塑性铰长度.范围内将混凝土的应力应变关系设定为只压不拉的单元,从而将连梁端部缝隙转化为塑性铰长度内?的分散的拉应变 J.通过算例来比较 DRAIN 一 2DX 模型分析结果与前述各极限状态公式结果,验证理论分析的正确性.抗震墙及连梁的长度宽度分别定为=1.5m,t=240m;连梁高度 h=400mm;混凝土抗压强度=26.8MPa; 连梁端部配置了螺旋筋约束
