【STKO助力科研分享】采用超高强度钢筋的韧性再生骨料架空结构的抗震性能研究

Hi, 大家好。今天给大家带来的是关于STKO助力科研系列，主题是采用超高强度钢筋的韧性再生骨料架空结构的抗震性能研究。首先很荣幸在枯燥的科研之余，能够看到自己的所做的一点努力真的可以帮助同行。尽管所谓人工智能如何发展，我相信在几十年内工程师还是偏爱基于GUI的软件交互，非能力不足，仅仅是便利和形象的理解以及使用者习惯。所以STKO 的助力OS 工程普及潜力很大。

该篇论文提出一种利用超高强度钢筋(UHSB)的韧性再生骨料架空式砖砌体结构。通过拟静力试验和有限元分析来研究其抗震性能，并考虑不同的钢筋类别、加固配置、楼层刚度比和剪力墙分布式钢筋配筋比等参数。研究结果表明，该结构在第一层的再生骨料混凝土（RAC）框架-剪力墙结构和上部的再生砖石结构均表现出良好的变形性能和稳定的承载能力。            

00 引言            

架空式承重墙结构作为刚柔相结合的方案结构，既能满足商业需求，又能满足居住需求，一方面底层混凝土框架(框架-剪力墙)结构可满足大空间的要求，另一方面上层通过承重墙结构来满足居住需求。然而，在以往的地震中，如果底层刚度过低，应力和变形集中会造成较大的塑性损伤，从而导致底层发生较大的侧向位移甚至倒塌。近年来的研究表明: (1)保持钢筋弹性状态或延迟钢筋的屈服是韧性结构的关键，减少纵向钢筋的粘接可以显著提高结构的延性；(2)UHSB的应用可以显著降低混凝土结构的塑性损伤和残余变形，通过传统的施工技术可以较容易地获得混凝土结构的韧性性能；(3)RAC作为一种绿色建筑材料已成为解决建筑垃圾的有效措施；(4)再生砖和砌块的抗压性能与普通砌体相似，采用一定的结构措施可以获得更好的抗震性能。目前对RAC的研究多集中在C40 MPa以下构件，对再生砖砌体结构和高强混凝土RAC框架剪力墙结构的研究较少。

因此，本文试图将RAC和韧性结构的概念引入到架空式砌体结构中，通过将UHSB引入框架和剪力墙中，能够提高框架层的抗震性能。同时，由于再生骨料产品的广泛使用，可以充分利用建筑垃圾。文章通过拟静力试验和数值分析研究了该结构的抗震性能以及相应参数的影响，本次分享着重介绍有限元模拟部分，详细的试验部分请看原文。              

01 试验设计              

试验设计制作了3个底层柱支剪力墙支撑的柱撑式砖砌体结构，分别命名为FS-1、FS-2和FS-3。试件的配筋细节及几何尺寸如图1所示。试件共两层，一层为RAC框架-剪力墙结构，二层为RAC砖砌体结构。第二层与第一层设计侧移层刚度比为1.95。为了研究UHSB对底层框架-剪力墙抗震性能的影响，墙体结构、FS-2框架柱和剪力墙边界柱的纵筋全部替换为UHSB。对于FS-3试件，在UHSB表面涂上弱结合涂层，进一步降低了结合强度。另外，为了增强剪力墙的抗剪能力和回弹能力，在剪力墙中部布置了x形分布的UHSB，如图1(f)所示。UHSB端部螺纹，由穿孔钢板和六角螺母固定，如图1(g)所示。              

02 数值模型            

基于实验数据，用STKO建立FS-1和FS-3试件的有限元模型(FEM)，主要目的如下: (1)验证所提结构的建模方法；(2)分析楼层刚度比对抗震性能的影响；(3)进一步研究底部结构其性能。

模型中材料的基本特性均取自测试值。模型的梁柱采用混凝土材料模型Concrete02。根据Xiao et al.[47]提出的RAC本构模型和Mander模型[48]，分别得到了无约束RAC和有约束RAC的应力应变关系。（热扎带肋钢筋）HRB和UHSB材料模型分别采用Steel02和Hysteretic Material。梁柱采用DispBeamColumn单元和纤维截面。墙体均采用层状壳单元(shell MITC4)建模。剪力墙混凝土材料和钢筋材料分别采用nDMaterial PlateFromPlaneStress和nDMaterial PlateRebar的材料模型。对于砌体结构，本文模型采用拉压CDM (damaget3d)[54]来定义砌体材料的应力-应变关系，采用映射材料模型(正交各向异性材料)[55]，定义各向异性材料与各向同性材料之间的映射关系，预测砌体墙体的破坏荷载和裂缝路径。            

03 模型验证            

图24中对比试验和模拟的滞回曲线，可以看出:有限元法能够较好地预测滞回响应及峰值和荷载-位移值，从表格8中也可以看到具体的数据对比。除此之外STKO的位移云图可以反映模型在整个加载阶段的变形模式特别是最后的失效模式。结合图25和26的位移云图，可以看到FS-1模型底部层位移大于第二层，剪力墙最终发生破坏。但对于FS-3模型，由于其底层结构的损伤控制较好，加载后期，随着砌体损伤的累积，第二层的位移比例增大，上部砌体墙体发生破坏，最终产生较大的不可恢复变形。            

04 楼层刚度比分析              

对于这类结构而言，一二层的楼层刚度比是工程设计中的一个重要控制参数。由于传统的柱式结构允许钢柱和剪力墙发生塑性变形，因此需要控制楼层刚度比，以防止底层结构出现过度的塑性变形或崩溃。通过引入纵向UHSB和在剪力墙中添加x型分布的UHSB，可以降低底层结构的塑性损伤，提高底层结构的变形和韧性性能。FS-3-1.25 K和FS-3-1.5K模型通过增加砌体墙体厚度，将层刚度比分别提高到FS-3的1.25倍和1.5倍。新模型FS-1-1.25 K的层刚度比提高到FS-1的1.25倍。新模型的滞回曲线、骨架和底层位移曲线分别如图27-29所示。图30-32为新模型的位移云图。            

从图中可以看到，对于FS-1-1.25K，底层位移和承载能力都仅略大于相同荷载位移下的FS-1模型。因为FS-1的第一层已经是薄弱层，在初始层刚度比下发生了严重的塑性损伤，所以随着FS-1模型层刚度比的增加，损伤和位移仍然主要集中在第一层。而对于不同层数刚度比的FS-3模型，除承载力增加外，随着层数刚度比的增大，变形性能均有显著改善。加载初期，由于砌体刚度退化较小，位移主要集中在底层，FS-3、FS-31.25K和FS-3-1.5K的底层位移相似。在较大的荷载位移下，随着层刚度比的增大，底层结构的优异变形性能得到了明显的发挥。FS-3-1.5K模型在各层刚度模型中整体变形性能最好，其层底破坏位移达到2.0%左右。加载完成后，FS-3-1.5K模型的底部剪力墙和上部砌体墙均存在明显的不可恢复变形，反映了整体损伤较为均匀，而FS-3-1.25K模型的不可恢复变形仍主要集中在上部砌体墙，因此，创新的柱式结构可以在更高的层刚度比下发挥底层结构的变形能力和韧性，同时在底层获得更大的空间。            

参考文献：              

[39] GB50010-2010, Code for design of concrete structures, Beijing: China Ministry of Construction;2010 (in Chinese).

[40] GB50003-2011, Code for design of masonry structures, Beijing: China Ministry of Construction;2011 (in Chinese).

[47]Xiao J, Li J, Zhang C. Mechanical properties of recycled aggregate concreteunder uniaxialloading. Cement Concrete Res 2005;35(6):1187–94.

[48]Mander J, Priestley M, Park R. Theoretical stress-strain model for confined concrete.J Struct Eng 1988;114(8):1804–26.

[54]Petracca M, Camata G. A mixed implicit tension-compression plastic-damage model.Pescara Italy: ASDEA Software Technology; 2019.

[55]Pel`a L, Cervera M, Oller S, et al. A localized mapped damage model fororthotropic materials.Eng Fract Mech 2014;124–125:196–216.