SRC-RC豎向混合框架靜力非線性分析

伍 凱,薛建陽,曹平周,趙鴻鐵

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京 210098;2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西西安 710055)

混合結(jié)構(gòu)與組合結(jié)構(gòu)是有著密切聯(lián)系的不同概念:2種不同性質(zhì)的材料組合成整體共同工作的構(gòu)件稱為組合構(gòu)件,混合結(jié)構(gòu)是由不同材料的構(gòu)件共同組成的結(jié)構(gòu).型鋼混凝土(SRC)構(gòu)件由于配置有型鋼,不僅強度、剛度明顯增加,而且延性獲得很大的提高,從而組成了抗震性能很好的SRC組合結(jié)構(gòu)[1-6].廣義的混合結(jié)構(gòu)是指組合不同材料構(gòu)成的構(gòu)件,且由該類構(gòu)件形成的至少2種不同類型的結(jié)構(gòu)(或子結(jié)構(gòu))復(fù)合而成的結(jié)構(gòu)體系.目前的混合結(jié)構(gòu)大多是指平面內(nèi)并聯(lián)而成的結(jié)構(gòu)體系,更準(zhǔn)確的應(yīng)該稱為平面混合結(jié)構(gòu).隨著建筑科技的發(fā)展以及市場需求,出現(xiàn)了豎向串連的結(jié)構(gòu)形式.由于豎向串連的結(jié)構(gòu)形式在上部和下部樓層采用不同的結(jié)構(gòu)體系,因此稱之為豎向混合結(jié)構(gòu).下部采用SRC結(jié)構(gòu)、上部為鋼筋混凝土(RC)結(jié)構(gòu)的框架結(jié)構(gòu)稱為SRC-RC豎向混合框架.本文對SRC-RC豎向混合框架進(jìn)行了靜力非線性分析,給出了基底剪力與頂點側(cè)移曲線、極限層間側(cè)移角及塑性鉸分布.通過計算與分析,獲得了SRC-RC豎向混合框架的基本抗震行為,研究了各種因素對抗震性能的影響,為其應(yīng)用與推廣提供理論基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)結(jié)果.

1 SRC-RC豎向混合框架的震害與設(shè)計研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代,SRC-RC豎向混合結(jié)構(gòu)開始應(yīng)用于日本的多層住宅,而近年來在國內(nèi)部分高層和超高層建筑中也得到了應(yīng)用,如1998年建成的廣州汽車大廈的主樓[7].在SRC-RC豎向混合結(jié)構(gòu)中,最常見的結(jié)構(gòu)形式是SRC-RC豎向混合框架.SRC-RC豎向混合框架充分利用了SRC結(jié)構(gòu)和RC結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)點,綜合考慮了工程的實際需要和客觀經(jīng)濟(jì)因素的影響,對當(dāng)代高層建筑的發(fā)展具有較強的適應(yīng)性[8-12].

20世紀(jì)中期的SRC-RC豎向混合結(jié)構(gòu)采用的過渡方式為整層過渡,如圖1所示,型鋼的截斷位置選擇在梁柱的節(jié)點處.1954年日本建設(shè)省編輯了《高層公營住宅設(shè)計資料匯編》,將3層以下為SRC結(jié)構(gòu)、3層以上為RC結(jié)構(gòu)的12層高層住宅作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計刊出.在對混合結(jié)構(gòu)的基本受力行為和抗震性能缺乏認(rèn)識、尚未形成一套完善設(shè)計方法的情況下,SRC-RC豎向混合結(jié)構(gòu)開始應(yīng)用于實際工程.在這樣的歷史背景下,采用SRC-RC豎向混合結(jié)構(gòu)的建筑物在阪神地震中破壞較為嚴(yán)重.圖2為具有代表性的破壞形態(tài),破壞集中發(fā)生在RC結(jié)構(gòu)和SRC結(jié)構(gòu)的交接位置,強度和剛度的突變導(dǎo)致轉(zhuǎn)換層坍塌、建筑物上下兩部分產(chǎn)生相對側(cè)移.

圖1 SRC-RC整層過渡混合框架Fig.1 Transition of SRC-RC hybrid frame

圖2 SRC-RC豎向混合結(jié)構(gòu)的震害Fig.2 Seism ic damage of SRC-RC hybrid frame

2 SRC-RC豎向混合框架的靜力非線性分析

靜力非線性分析是基于性能評估現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和設(shè)計新結(jié)構(gòu)的一種方法.Pushover方法是對結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下進(jìn)行靜力非線性分析的一種簡化方法,本質(zhì)上是一種靜力方法.具體說,就是在結(jié)構(gòu)計算模型上施加按某種規(guī)則分布的水平側(cè)向力,單調(diào)加載并逐漸增大;一旦有構(gòu)件開裂或屈服即修正其剛度(或使其退出工作),進(jìn)而修改結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣,再進(jìn)行下一步計算,依次循環(huán)直到結(jié)構(gòu)計算達(dá)到預(yù)想的效果,從而確定該結(jié)構(gòu)是否滿足相應(yīng)的抗震能力要求.

Pushover分析使用水平側(cè)向力分布代表在地震設(shè)計值作用下結(jié)構(gòu)層慣性力的分布,其分布模式直接影響Pushover分析的結(jié)果,因此水平側(cè)向力分布模式的選取是Pushover分析中的一個關(guān)鍵問題.常用的慣性力分布有倒三角分布、均勻分布、彈性反應(yīng)譜多振型組合分布、考慮高度影響的等效側(cè)向力分布,以及鄭正昌博士提出的下部幾層采用三角形分布、上部各層采用均勻分布的水平側(cè)向力分布模式[13].這些水平側(cè)向力分布在整個加載過程中保持不變,被稱為固定式側(cè)向力模式.

2.1 模型的建立

應(yīng)用分析軟件SAP2000對一榀3跨、8層SRC-RC豎向混合框架進(jìn)行了靜力非線性分析,并利用截面設(shè)計軟件SECTION BUILDER進(jìn)行截面設(shè)計及校核.該框架層高3m,柱距6m,柱截面尺寸500mm×500mm,梁截面尺寸為400mm×300mm,結(jié)構(gòu)布置如圖3所示.梁采用統(tǒng)一截面形式;柱的截面根據(jù)不同工況略有調(diào)整,底部數(shù)層采用SRC柱,上部樓層采用RC柱.對于梁單元,僅考慮梁端受彎屈服產(chǎn)生的塑性鉸(M3鉸);柱單元考慮軸力與彎矩的相關(guān)作用產(chǎn)生的PMM塑性鉸.SAP2000提供了3種內(nèi)力重分配的方式:卸載整個結(jié)構(gòu)、施加局部重分布、使用割線剛度重新開始.本次分析采用卸載整個結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分配方式,水平側(cè)向力采用倒三角形模式,整個計算過程考慮P-Δ效應(yīng),P為結(jié)構(gòu)承擔(dān)的軸向壓力,Δ為結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移.

圖3 SRC-RC豎向混合平面框架模型Fig.3 Plane model of SRC-RC hybrid frame

2.2 靜力非線性分析

為了分析SRC-RC豎向混合框架抗震性能以及影響其抗震性能的主要因素,共進(jìn)行了7個工況的計算.變化參數(shù)包括底部SRC結(jié)構(gòu)層數(shù)、SRC柱的型鋼配鋼率以及RC柱縱筋配筋率,具體參數(shù)見表1.

表1 工況參數(shù)Tab le 1 Parameters for conditions

2.2.1 SRC結(jié)構(gòu)層數(shù)的影響

工況G1～G4分析了SRC-RC豎向混合框架在倒三角形側(cè)向力分布模式下的工作性能,并與純RC框架(工況RC)進(jìn)行對比,用于分析SRC結(jié)構(gòu)層數(shù)對SRC-RC豎向混合框架抗震性能的影響.圖4為工況RC,G1,G2的底部剪力與頂點側(cè)移的關(guān)系曲線:在框架處于彈性階段時,型鋼的作用尚沒有得到發(fā)揮,因此3條曲線基本重合;隨著框架各構(gòu)件逐步進(jìn)入屈服階段,型鋼對底部樓層的加強作用逐步得到發(fā)揮,延緩了底部樓層構(gòu)件的屈服,更好地發(fā)揮了上部樓層各構(gòu)件的強度和變形能力,一定程度上提高了框架的承載能力并延長了屈服平臺,使結(jié)構(gòu)的整體工作性能得到改善.SRC-RC豎向混合框架工作性能優(yōu)于RC框架,承載力與極限頂點側(cè)移均有所提高,提高的幅度隨著SRC結(jié)構(gòu)層數(shù)的增多而增大(表1),SRC結(jié)構(gòu)層數(shù)達(dá)到3層以后框架的承載力與極限頂點側(cè)移趨于穩(wěn)定.

雖然在底部樓層設(shè)置SRC柱延緩了PMM塑性鉸的出現(xiàn),改善了框架的抗震性能,但由于SRC柱與RC柱在強度和剛度兩方面均存在較大的差異,因此容易導(dǎo)致薄弱層的出現(xiàn).對于SRC-RC豎向混合框架,研究層間側(cè)移角分布有助于確定結(jié)構(gòu)是否存在薄弱層以及薄弱層出現(xiàn)的位置,圖5為層間側(cè)移角的分布情況.RC框架的薄弱層出現(xiàn)在底層,底層柱的失效最終導(dǎo)致框架破壞;對于僅在底層設(shè)置SRC柱的工況G1,雖然底層得到了加強,但SRC柱和RC柱的差異導(dǎo)致薄弱層上移,薄弱層出現(xiàn)在第2層;隨著SRC結(jié)構(gòu)樓層數(shù)的繼續(xù)增加,底部樓層逐一得到加強,框架的破壞形式逐漸由柱鉸失效過渡到梁鉸側(cè)移機(jī)制,工況G3已經(jīng)沒有明顯的薄弱層,圖6為工況RC和G3的塑性鉸分布.

圖4 底部剪力與頂點側(cè)移關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between bottom shear force and displacement at top of frame

圖5 SRC結(jié)構(gòu)層數(shù)對極限層間側(cè)移角分布的影響Fig.5 Effect of SRC story number on ultimate story displacement angle

值得注意的是,工況G3與G4具有相似的極限層間側(cè)移角分布曲線,并且極限承載力與極限頂點側(cè)移也相差不大,說明底部3層采用SRC柱能夠使該8層SRC-RC豎向混合框架的性能趨于穩(wěn)定,實現(xiàn)了梁鉸側(cè)移機(jī)制,繼續(xù)增加SRC結(jié)構(gòu)層數(shù)對混合框架的抗震性能影響不大.因此對于SRC-RC豎向混合框架,SRC結(jié)構(gòu)層數(shù)與豎向混合結(jié)構(gòu)的總層數(shù)應(yīng)該存在一個合理的比值,本文分析得到的合理比值約為1/3,略高于《高層公營住宅設(shè)計資料匯編》的1/4.

圖6 塑性鉸分布Fig.6 Plastic hinge distribution

2.2.2 RC柱縱筋配筋率的影響

除了規(guī)定合理的SRC結(jié)構(gòu)層數(shù),還可以考慮通過降低SRC柱與RC柱性能差異的方式避免在SRC-RC豎向混合框架中出現(xiàn)明顯的薄弱層.由于SRC柱與RC柱的性能存在差異,混合框架的薄弱層往往出現(xiàn)在RC結(jié)構(gòu)部分受力最不利的底層.為了緩解SRC柱與RC柱的性能差異,應(yīng)適當(dāng)增加RC結(jié)構(gòu)部分底層或底部數(shù)層的縱筋數(shù)量,對可能出現(xiàn)薄弱層的位置適當(dāng)加強,逐步實現(xiàn)截面強度和剛度從SRC結(jié)構(gòu)到RC結(jié)構(gòu)的分級遞減.工況G5將RC柱配筋率增加到2%,是工況G2的2倍.工況G5的極限承載力和極限頂點側(cè)移由工況G2的348 kN,330mm分別提高到了380kN,397mm.圖7(a)為工況G5與G2的極限層間側(cè)移角分布曲線.由于RC柱縱筋數(shù)量的增加,SRC-RC混合框架沿豎向承載力和剛度的突變問題得到緩解,原本出現(xiàn)薄弱層的位置得到加強并延緩了塑性鉸的出現(xiàn),使SRC結(jié)構(gòu)層更多地參與到整個結(jié)構(gòu)的抗震工作中,混合框架沒有出現(xiàn)明顯的薄弱層.

圖7 極限層間側(cè)移角分布Fig.7 Distribution of u ltimate story displacement angle

2.2.3 SRC柱型鋼配鋼率的影響

工況G5的SRC柱采用了更小的型鋼截面,配鋼率由工況G2的4.3%降低到了1.7%,其極限頂點側(cè)移較工況G2提升了約10%,2個工況的極限層間側(cè)移角分布如圖7(b)所示.樓層在水平力作用下的層間側(cè)移為樓層的剪切位移與結(jié)構(gòu)總體彎曲變形產(chǎn)生的側(cè)移之和,即:

式中:δ——樓層的層間側(cè)移;δs——由構(gòu)件彎曲和剪切變形產(chǎn)生的層間側(cè)移;θ——下層樓面由于結(jié)構(gòu)整體彎曲變形產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角;h——樓層的層高.

雖然結(jié)構(gòu)的整體彎曲增大了結(jié)構(gòu)的P-Δ效應(yīng),是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的一個重要因素,但構(gòu)件的破壞主要由δs引起,可將其稱為有害層間側(cè)移.雖然工況G6第3層層間側(cè)移角與工況G2相差無幾,但由于型鋼配鋼率的降低,其第2層的極限側(cè)移角明顯增大,這在一定程度上減小了第3層的有害層間側(cè)移,SRC-RC混合框架此時并不存在明顯的薄弱層.為了實現(xiàn)從SRC柱到RC柱的合理過渡,與RC柱鄰接的SRC柱的型鋼配鋼率應(yīng)適當(dāng)降低.美國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會規(guī)定SRC結(jié)構(gòu)的型鋼配鋼率不得低于4%;日本規(guī)范以型鋼配鋼率8%作為用鋼量的上限,下限為0.8%;中國臺灣規(guī)范要求不低于2%;JGJ138—2001《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[14]規(guī)定配鋼率不宜低于4%,且不宜高于10%.本文綜合考慮不同規(guī)程、規(guī)范的要求,并能夠使SRC柱到RC柱的過渡易于實現(xiàn),建議與RC柱鄰接的SRC柱的合理配鋼率區(qū)間為2%～4%.

3 結(jié) 論

a.保證底部具有一定數(shù)量的設(shè)置SRC柱的樓層,其層數(shù)與結(jié)構(gòu)總層數(shù)的比值根據(jù)實際計算確定,但不應(yīng)小于1/3,使梁鉸側(cè)移機(jī)制得以實現(xiàn).

b.應(yīng)適當(dāng)增加RC結(jié)構(gòu)部分底層或底部數(shù)層的縱筋數(shù)量,對可能出現(xiàn)薄弱層的位置適當(dāng)加強并實現(xiàn)截面強度和剛度從SRC結(jié)構(gòu)截面到RC結(jié)構(gòu)截面的分級遞減.

c.適當(dāng)減小與RC柱鄰接的SRC柱的配鋼率,使SRC柱到RC柱的過渡易于實現(xiàn),建議其合理配鋼率區(qū)間為2%～4%.

[1]薛建陽.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

[2]趙鴻鐵.組合結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].北京:高等教育出版社,2005.

[3]李俊華,王新堂,薛建陽,等.低周反復(fù)荷載下型鋼高強混凝土柱受力性能試驗研究[J].土木工程學(xué)報,2007,40(7):11-18.(LI Jun-hua,WANG Xin-tang,XUE Jian-yang,et al.Experimental study on the performance of steel reinforced high-strength concrete columns under low cyclic reversed loading[J].China Civil Engineering Journal,2007,40(7):11-18.(in Chinese))

[4]伍凱,薛建陽,趙鴻鐵,等.SRC-RC轉(zhuǎn)換柱抗震性能及型鋼最小延伸長度分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008,40(2):170-175.(WU Kai,XUEJian-yang,ZHAO Hong-tie,et al.Analysison seismic performance of SRC-RC transfer column and the anchoring length of shape steel[J].Journal of Xi'an University of Architecture and Technology:Natural Science Edition,2008,40(2):170-175.(in Chinese))

[5]LI Jun-hua,XUE Jian-yang,ZHAO Hong-tie.Experimental study on slip behavior between shaped steel and concrete in SRC columns under cyclic reversed loading[J].Journal of Xi'an University of Architecture and Technology:Natural Science Edition,2008,40(3):348-353.

[6]XUE Jian-yang,ZHAO Hong-tie,YANG Yong,et al.Analysis on the behaviors of bond-slip between the shape steel and the concrete by push-out test[J].Journal of Xi'an University of Architecture and Technology:Natural Science Edition,2007,39(4):320-326.

[7]劉大海,楊翠如.型鋼、鋼管混凝土高樓計算和構(gòu)造[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[8]楊勇,郭子雄,聶建國,等.SRC-RC豎向混合結(jié)構(gòu)過渡層抗震設(shè)計方法探討[J].世界地震工程,2005,21(4):60-65.(YANG Yong,GUO Zi-xiong,NIE Jian-guo,et al.Study on seismic design of transmission story of SRC-RC vertical hybrid structures[J].World Earthquake Engineering,2005,21(4):60-65.(in Chinese))

[9]楊勇,郭子雄,聶建國.型鋼混凝土豎向混合結(jié)構(gòu)過渡層抗震性能研究綜述[J].工程抗震與加固改造,2006,28(5):78-86.(YANG Yong,GUO Zi-xiong,NIE Jian-guo.Review of studies on seismic design of transition story of steel reinforced concrete(SRC)vertical hybrid structures[J].Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting,2006,28(5):78-86.(in Chinese))

[10]戴國亮,蔣永生,傅傳國,等.高層型鋼混凝土底部大空間轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)性能研究[J].土木工程學(xué)報,2003,36(4):24-32.(DAI Guo-liang,JIANG Yong-sheng,FU Chuan-guo,et al.Experimental study on aseism ic behaviors of transfer story with steel reinforced concrete in low stories of large space[J].China Civil Engineering Journal,2003,36(4):24-32.(in Chinese))

[11]今野修,今泉隆之,山本憲一郎,等.超高層建筑物における下層階へのSRC構(gòu)造適用に閿する宓驄的研究,その1SRC柱の性性能に閿する宓驄計畫[C]//日本建筑學(xué)大會學(xué)術(shù)講演梗概集.九州:日本建筑學(xué)會,1998:1029-1030.

[12]木村潤一,新宮義信.繰返しせん斷を受ける混合部材の構(gòu)造性能[C]//日本建筑學(xué)會大會學(xué)術(shù)講演梗概集.九州:日本建筑學(xué)會,1998:1067-1068.

[13]戴國瑩,王亞勇.房屋建筑抗震設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[14]JGJ138—2001 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].