我国地震频发, 装配式建筑的抗震性能受到工程与设计人员的关注。与普通现浇结构相比, 装配式建筑的标准化、工业化程度更高, 对其抗震性能的改善, 有利于整体上推动相关结构体系抗震能力的提升。文献[1]提出了装配式先张预应力混凝土框架 (简称装配式框架) 结构的概念, 并通过弹性分析发现, 该结构特殊的装配施工工艺可达到显著减少框架梁端的负弯矩钢筋数量、提高装配效率的作用。由于目前尚缺乏对该类新型结构形式抗震性能的了解, 本文将在文献[1]基础上对该类结构在地震作用下的表现进行探讨。

　　 结构受力状态与施工方式紧密相关, 装配式框架特有的施工方式除了影响结构的内力、配筋方案, 还会对结构整体的抗震性能产生影响。与普通现浇结构相比, 这种影响有可能是有利的, 也可能是不利的。本文分别建立7度 (0.1g, 0.15g) 和8度 (0.2g) 设防的现浇混凝土框架 (简称现浇框架) 与装配式框架的弹塑性模型, 并先后采用静力弹塑性推覆分析和动力弹塑性时程分析对各结构抗震性能进行评估。以相同设防烈度的现浇钢筋混凝土框架为参照, 对装配式框架的变形能力、承载力与变形模式等关键参数进行考察分析, 为该类型结构体系的设计提供参考。

　　 钢筋混凝土框架的弹塑性行为一般通过在结构模型中引入纤维模型和集中塑性铰模型进行模拟。集中塑性铰模型简单方便, 而纤维模型不用预先指定塑性铰位置, 并可考虑构件在弯矩和轴力共同作用下的力学行为。为充分考虑框架结构的损伤情况, 本文选择纤维模型进行结构分析。整榀平面框架的单元划分情况如图1所示, 单元长度与构件截面高度接近, 所有算例采用完全相同的单元划分形式, 且各算例之间相同位置构件的截面尺寸和长度均相同。

　　 纤维模型截面中钢筋纤维与混凝土纤维的本构模型及参数取值方法详见文献[2], 模型考虑了混凝土的开裂、压溃行为和钢筋的屈服、强化、包辛格效应等行为, 模型的有效性经过了大量构件及框架试验的验证^[3,4]。弹塑性分析采用的等效阻尼比为0.05, 结构模型忽略楼板和填充墙对结构体系刚度与强度的影响, 整个计算过程在MSC.Marc有限元软件中完成。

　　 在装配式框架结构中, 预制的先张预应力混凝土梁、预制混凝土柱采用先铰接后刚接的装配工艺连接而成, 构件关键截面的配筋及应力状态明显区别于现浇框架。为充分考虑装配施工带来的影响, 在现浇框架模型基础上, 提出装配式框架抗震分析的建模方法, 建模要点如下:

　　 (1) 节点区附近梁端截面的建模:该部位受力纵筋由预制混凝土梁的预留外伸钢筋组成, 混凝土强度由后浇混凝土强度决定。在预制混凝土梁上施加全部恒荷载时, 节点区域后浇混凝土尚未发挥强度, 恒荷载并不会对节点附近梁端产生弯矩;当结构施工完成后, 活荷载将作用于整个梁段, 并在梁端产生负弯矩, 恒荷载在施工临时支撑撤去后以剪力的形式作用到梁端上。因此, 在确保梁整跨总荷载不变的前提下, 根据施工过程的特点调整荷载布置形式, 将恒荷载全部集中于梁端, 建模采用的荷载布置形式如图2所示, 计算中将荷载转化为等效质量, 通过质量施加竖向重量和地震产生的惯性力。需要指出的是, 由于节点区的变形和承载力不起控制作用, 建模中忽略节点区的变形, 模型梁和柱通过共用单元节点连接而成。

　　 (2) 预制混凝土梁的建模:预制混凝土梁在节点区混凝土发挥强度之前, 相当于两端铰接, 并可根据其上部作用的恒荷载计算预制混凝土梁内各截面的混凝土、钢筋应力状态。为简化建模过程, 仅对跨中位置的截面的应力状态进行计算, 并在跨中的纤维梁单元中设置等效的钢筋和混凝土强度, 除跨中与梁端的单元外, 预制混凝土梁上其他位置的单元均为弹性。虽然建议模型不考虑预应力对预制混凝土梁的起拱效应, 但这一简化并不影响对结构抗震能力与破坏模式的分析。

　　 上述建模方法, 在满足抗震分析要求前提下, 采用等效的方式在模型中考虑施工过程的影响, 其局限性是并不能准确模拟竖向地震作用下框架的内力。

　　 针对两类框架 (现浇框架与同尺寸装配式框架) 和3类抗震设防烈度 (7度 (0.1g, 0.15g) 和8度 (0.2g) ) , 建立了6个结构分析模型, 具体信息参见表1。针对每一个结构模型, 分别开展静力弹塑性推覆分析和动力弹塑性时程分析。

　　 静力推覆分析统一采用倒三角侧力分布模式, 并通过用户子程序将成比例的水平力的加载过程转化为位移控制, 最终获得基底剪力-顶点位移的全曲线 (推覆至结构完全丧失抗力) ^[5]。

　　 弹塑性动力分析采用经典的El Centro 1940地震动的南北 (NS) 分量, 其加速度时程如图3所示。根据各个框架设防烈度不同, 分析中将地震动PGA调整到抗震规范^[6]规定的特定设防烈度对应的罕遇地震PGA。分析中均考虑P-Δ效应对结构的影响。需要指出的是, 尽管地震动特性复杂且地震具有高度的不确定性, 但是由于分析目标主要是初步考察两类框架的性能差异, 因此本文仅选取该经典地震动记录作为弹塑性时程分析的输入地震动。

　　 分别对6个算例进行静力弹塑性推覆分析, 每个算例的基底剪力-顶点位移曲线如图4所示。与现浇框架相比, 采用相同构件截面的装配式框架具有更高的承载力, 7度 (0.1g) 高出12%, 7度 (0.15g) 高出10%, 8度 (0.2g) 高出6%。随着设防烈度的提高, 现浇框架与装配式框架在峰值强度方面的差异逐渐减小。本研究将承载力下降15%对应的顶点位移作为极限位移。7度 (0.1g) 、7度 (0.15g) 、8度 (0.2g) 现浇混凝土框架的极限位移分别为202.8, 253.8, 296.4mm, 相应设防烈度的装配式框架的极限位移分别为208.4, 247.1, 331.6mm。当设防烈度为7度 (0.1g) 或7度 (0.15g) 时, 装配式框架与现浇混凝土框架的极限位移差异不大, 最大误差在3%以内;当设防烈度为8度 (0.2g) 时, 装配式框架的变形能力明显优于现浇框架, 极限位移比现浇框架大12%。

　　 通过对El Centro 1940地震动记录NS分量的PGA进行调整, 分析了6个框架在对应罕遇地震下的动力弹塑性时程响应和破坏模式。所有算例各楼层最大层间转角见图5, 各个算例的塑性铰分布详见图6。与集中塑性铰模型不同, 纤维模型可以获得截面上各处的应力、应变状态。当纤维模型截面上钢筋纤维进入屈服状态后, 则认为该截面进入塑性铰状态。

　　 整体上来看, 装配式框架与现浇框架各层最大层间转角的大小分布模式接近, 且在大部分情况下, 装配式框架的层间转角稍微偏大。各设防烈度下两类框架的层间转角最大差异均出现在1层, 从7度 (0.1g) 时的24.7%到8度 (0.2g) 时的10.4%。若仅比较整个结构最大层间转角, 装配式框架比现浇框架大1.3%~13.1%。

　　 7度 (0.1g) 现浇框架在所有梁端出现塑性铰, 且仅在梁端出现塑性铰, 是一般框架抗震设计预期的理想破坏模式。7度 (0.1g) 装配式框架并未出现大范围梁铰的情况, 仅在1层梁端产生1个塑性铰, 在3层、4层出现4个柱端的塑性铰。7度 (0.15g) 、8度 (0.2g) 设防的两类框架均以梁端塑性铰为主, 并在上部楼层一些柱端出现塑性铰。可见, 结构破坏模式的差异程度与设防烈度、施工方法均相关, 7度 (0.15g) 与8度 (0.2g) 设防的两类框架均出现类似的破坏模式, 而7度 (0.1g) 的两类框架之间则出现了完全不同的破坏模式。需要指出的是:

　　 (1) 7度 (0.1g) 装配式框架在静力弹塑性推覆分析中的破坏模式仍然以梁端塑性铰为主。

　　 (2) 在弹塑性分析中柱端很难完全避免出铰, 虽然根据弹性分析的内力分布模式, 柱端塑性铰一般不会发生, 但是在弹塑性分析中, 一旦有构件出现塑性铰, 内力分布模式将发生变化, 从而导致柱端出铰。

　　 (3) 在动力弹塑性分析中, 地震动的特性对结构响应影响很大, 高阶效应和已经出现的塑性铰都可能导致后续柱端塑性铰的发生, 结果具有较大离散性。

　　 4结论

　　 本文对装配式先张预应力混凝土框架结构的抗震性能进行了初步探索, 建立了不同设防烈度普通现浇混凝土框架和装配式先张预应力混凝土框架的弹塑性分析模型, 开展了一系列静力弹塑性推覆分析和动力弹塑性时程分析, 得到的主要结论如下:

　　 (1) 静力弹塑性推覆分析表明, 装配式先张预应力混凝土框架结构的承载力比相同设防烈度的现浇混凝土框架高6%~12%。

　　 (2) 设防烈度为7度 (0.1g) 或7度 (0.15g) 时, 装配式先张预应力混凝土框架与现浇混凝土框架的极限位移差异不大, 最大误差在3%以内, 当设防烈度为8度 (0.2g) 时, 装配式先张预应力混凝土框架的变形能力明显优于现浇混凝土框架, 极限位移比现浇混凝土框架大12%。

　　 (3) 动力弹塑性时程分析表明, 装配式先张预应力混凝土框架与现浇混凝土框架的最大层间转角分布大致类似, 且装配式先张预应力混凝土框架的变形整体稍偏大, 其最大层间转角较现浇混凝土框架大1%~13%。

　　 (4) 结构破坏模式随着设防烈度、结构形式不同而不同, 7度 (0.15g) 与8度 (0.2g) 设防的两类框架均出现以梁端塑性铰为主的类似破坏模式, 而7度 (0.1g) 设防的两类框架则出现了完全不同的破坏模式。

　　 (5) 虽然装配式先张预应力混凝土框架与现浇混凝土框架在整体抗震性能指标 (如承载力、极限变形能力、罕遇地震下最大层间转角) 上大致接近, 但在破坏细节、抗震机理上仍体现了明显的差异。因此, 尚需进行更为深入、系统的研究, 建立起专门针对装配式先张预应力混凝土框架的抗震设计方法。