预制预应力空心芯板在剪切作用下失效的脆弱性

《Journal of Building Engineering》：FRAGILITY OF PRECAST PRE-STRESSED HOLLOW-CORE SLABS FAILING IN SHEAR

基于新西兰建筑实践，研究通过损伤分析和数值模拟建立200mm深预制预应力空心板（PPHC）的抗震脆弱性曲线，确定弯曲开裂、剪切裂纹初始和完全扩展三种损伤状态。结果显示数值模型对剪切裂纹的评估准确，但弯曲开裂低估；同时验证了简化随机变量方法可高效获得可靠脆弱性曲线，为提升PPHC板抗震可靠性评估提供量化依据。

　　

安娜·I·萨基斯（Ana I. Sarkis）| 蒂莫西·J·沙利文（Timothy J. Sullivan）| 埃马努埃莱·布鲁内西（Emanuele Brunesi）| 罗伯托·纳辛贝内（Roberto Nascimbene）

加拿大不列颠哥伦比亚大学奥卡纳根分校土木工程学院

摘要

预制预应力空心芯（PPHC）楼板的评估需要仔细考虑其复杂结构行为所带来的不确定性以及这些混凝土构件的脆性。通过损伤分析，确定了三种损伤状态：弯曲开裂、腹板剪切裂缝起始和完全扩展的剪切裂缝。针对新西兰建筑实践中典型的PPHC构件，利用剪切强度和挠度作为需求参数，建立了数值脆弱性曲线。所得到的中位数剪切承载能力分别为：弯曲开裂时为164 kN（β = 0.34），腹板剪切裂缝起始时为265 kN（β = 0.12）；三种损伤状态下的中位数挠度分别为0.47 mm、1.17 mm和1.74 mm。将数值脆弱性曲线与实验得到的脆弱性结果进行比较，表明这些状态能够被可靠地量化，而弯曲开裂的情况被低估了。此外，还比较了基于多个随机变量的脆弱性曲线与使用较少变量的简化方法，后者在显著减少计算时间的同时得到了可比的结果。这些结果为提高PPHC楼板的可靠性评估提供了定量依据。

引言

在新西兰，使用带有薄层现场浇筑顶层的预制混凝土楼板是一种常见的建筑技术。实际上，在20世纪80年代，由于经济繁荣和施工便利性，预制预应力空心芯（PPHC）楼板的使用量激增，并主导了建筑市场（Park, 2002）。然而，在这一时期，PPHC楼板的设计和施工方式对其抗震性能造成了威胁。主要原因是在20世纪80年代和90年代，缺乏对这些楼板系统的设计和细节要求。新西兰最近的地震事件引发了对PPHC楼板抗震性能的更多关注，因此新建建筑中采用空心芯楼板的案例较少。尽管如此，惠灵顿市建筑库存数据显示，市中心65%的商业建筑仍属于这一类别（Puranam et al., 2019），其他主要城市的状况也可能类似。

新西兰过去的实验研究致力于改进梁与楼板连接件的细节设计，并通过实验测试模拟作用在楼板支撑连接件上的荷载（Bull & Matthews, 2003; Jensen, 2007; Woods, 2008; Matthews, 2004）。这些研究有助于识别PPHC楼板的脆弱性，并改进了能够满足地震要求的连接细节（Fenwick et al., 2010）。然而，2016年的凯库拉地震引发了新的担忧，因为惠灵顿的PPHC楼板受到了严重损坏；在某些情况下，甚至存在局部倒塌的风险。尽管之前的研究已经指出了PPHC楼板的脆弱性，但凯库拉地震凸显了缺乏可靠的评估程序来确定重力荷载支撑可能失效的位移要求（Cubrinovski et al., 2020）。

新西兰的传统建筑做法是将200毫米厚的PPHC构件相邻放置，由钢筋混凝土梁或墙体支撑，顶部浇筑混凝土形成复合楼板系统。顶层楼板通常厚65-75毫米，起到隔板作用，将荷载分布在相邻的板和支撑构件之间（Fenwick et al., 2010）。这些构件通过挤压工艺制造，在新西兰较为常见，没有横向或剪切加固。此外，位于构件底部的预应力筋在构件末端附近无法完全发挥效果，在制造过程中切割构件时可能会产生初始端滑移（Sarkis et al., 2021）。所有这些特点显著影响了构件的剪切承载能力，使其在变形载荷下容易发生横向和腹板裂缝（Fenwick et al., 2010）。事实上，在2016年凯库拉地震后检查的惠灵顿市中心建筑中，22%的PPHC楼板出现了横向裂缝（Henry et al., 2017）。2010/2011年坎特伯雷地震序列中也观察到了靠近支撑部位的横向裂缝（Corney et al., 2014），但在2016年凯库拉地震中更为普遍（Henry et al., 2017）。在某些情况下，横向裂缝伴随着楼板腹板中的明显对角裂缝。在这种情况下，可以认为重力荷载支撑已经失效，因为先前的研究表明，出现横向和对角裂缝的PPHC构件可能接近突然脆性破坏（Jensen, 2007; Woods, 2008）。

PPHC楼板在剪切作用下的破坏行为已通过大量实验研究（Araújo et al., 2020; Hawkins & Ghosh, 2006; Michelini et al., 2020; Pajari, 2005）进行了深入探讨，过去的数值研究也证明了通过有限元（FE）建模来评估PPHC构件行为的可行性（Brunesi et al., 2015; Brunesi & Nascimbene, 2015; Michelini et al., 2020; Nguyen et al., 2019; Sarkis et al., 2021）。然而，关于预制楼板脆弱性的信息似乎很少。脆弱性曲线表示了在特定工程需求参数（如剪切需求）下观察到特定损伤状态的可能性。这类曲线对于概率性能评估至关重要，例如FEMA P58中推荐的评估方法。鉴于复杂结构行为导致的不同可能失效模式（Fenwick et al., 2010），以及为了在风险评估中量化预制楼板的脆弱性，因此需要PPHC楼板的脆弱性曲线。

Rekha和Ravindra（2020）从混凝土的统计特性和构件的截面特性出发分析了PPHC楼板，得出ACI-318（美国混凝土协会，2019）采用的设计方法具有较高的可靠性。同样，Cho等人（2017）也采用可靠性方法研究了ACI-318中规定的PPHC楼板剪切设计方程，并检验了强度折减因子的适用性。他们发现，高度超过315毫米的构件的剪切强度估计过于保守，而一些深度较低的构件则未达到目标可靠性指标。然而，似乎没有研究量化PPHC楼板的脆弱性或观察到的空心芯楼板损伤的风险影响。因此，本研究侧重于为定义的损伤状态开发脆弱性曲线，而不是与设计方程相关的可靠性指标。

本文旨在提供关于200毫米厚PPHC楼板脆弱性的信息，并展示了一种可用于开发其他厚度和配筋布局PPHC楼板脆弱性函数的方法。首先，概述了用于开发不同定义损伤状态数值脆弱性曲线的方法。结果基于两个工程需求参数（EDPs）：剪切强度和挠度进行呈现。这是利用作者最近提出的PPHC楼板数值模型（Sarkis et al., 2022b）中建立的不同建模参数的不确定性信息来完成的。随后，将数值脆弱性曲线与用于校准数值模型的测试数据获得的实验脆弱性结果进行比较（Sarkis et al., 2022a）。最后，研究了简化PPHC楼板脆弱性曲线的方法是否能够在大幅减少计算工作量的同时获得可比的结果。

章节摘录

研究的PPHC楼板和数值建模

本研究关注的是200毫米厚的PPHC楼板，这些楼板基于作者之前的数值和实验研究（Sarkis et al., 2022a; Sarkis et al., 2022b）。选择这种楼板厚度是因为它是新西兰最常用的预制预应力混凝土楼板类型（Puranam et al., 2019）。与脆弱性分析相关的这些研究的关键方面在本节中进行了概述。

脆弱性评估方法

图3展示了量化PPHC楼板脆弱性的程序示意图。不同损伤状态是根据PPHC楼板在剪切作用下发生的损伤进展来定义的。使用针对实验数据校准的非线性静态FE分析来识别损伤状态的超越（DS）。此外，生成了多个模型实例以考虑不同因素的变异性

数值脆弱性曲线

采用最大似然拟合方法，根据定义的随机变量（RVs），计算了每个损伤状态（DS）的脆弱性函数。数值获得的脆弱性结果在图5中绘制，考虑了两个需求参数：楼板的剪切强度和挠度。图例标签对应如下：

• ●
  DS1 – 弯曲开裂
• ●
  DS2 – 腹板剪切裂缝起始
• ●
  DS3 – 完全扩展的剪切裂缝

本文提出的脆弱性曲线对应于

结论

本文基于实验和数值数据提供了PPHC楼板的脆弱性曲线，以表征200毫米厚PPHC楼板的剪切强度和变形能力。研究还表明，基于极值分布（EVD）和单个显著随机变量（SRV）的简化脆弱性方法可以在大幅减少计算工作量的同时再现多随机变量（MRV）框架的结果。

CRediT作者贡献声明

埃马努埃莱·布鲁内西（Emanuele Brunesi）：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念构思。罗伯托·纳辛贝内（Roberto Nascimbene）：撰写 – 审稿与编辑，监督。安娜·伊莎贝尔·萨基斯·费尔南德斯（Ana Isabel Sarkis Fernandez）：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，调查，概念构思。蒂莫西·沙利文（Timothy Sullivan）：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念构思

未引用参考文献

联邦应急管理署（Federal Emergency Management Agency），2012年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢CSP FEA提供的Midas FEA软件支持。本研究部分由BRANZ资助的ReCast Project通过奥克兰大学提供资金支持，对此表示衷心的感谢。此外，该项目还得到了新西兰高等教育委员会资助的QuakeCoRE中心的支持。