豎向荷載對(duì)梁鉸耗能性能的影響

原　媛，石瓊輝，劉清清

(1．中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司，深圳 518000；

2．深圳建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，深圳 518000)

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豎向荷載對(duì)梁鉸耗能性能的影響

原媛1，石瓊輝2，劉清清2

(1．中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司，深圳 518000；

2．深圳建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，深圳 518000)

摘要：該文通過(guò)對(duì)某超高層的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，考察了豎向荷載對(duì)框架梁端塑性鉸的耗能能力的影響。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析；滯回曲線；耗能能力；塑性鉸

結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)中，框架梁和連梁都是主要的耗能構(gòu)件[1]，而兩者的主要區(qū)別在于框架梁需要承擔(dān)豎向荷載而連梁不需承擔(dān)。由于建筑功能對(duì)空間的要求，框架的跨高比一般較大[2]，截面越小，配筋率越大，豎向荷載影響越大；而框架梁通過(guò)產(chǎn)生塑性鉸來(lái)消耗地震和豎向荷載產(chǎn)生的能量。

該文通過(guò)對(duì)比某一結(jié)構(gòu)在同一地震作用下的兩種不同的初始工況，分別為考慮豎向荷載作用和不考慮豎向荷載作用，分析考察框架梁鉸的耗能能力。

1框架梁的概況

該工程是超高層酒店建筑，共50層，總高度為202 m。采用混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)，其動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析的初始工況為恒載加0.5倍的活載。初始工況的平均作用為15 kN/m2，常規(guī)設(shè)計(jì)的配筋率為2.5%左右。

層間位移較大的層其構(gòu)件的損傷較大。為考察梁鉸的耗能，選取Y向?qū)娱g位移角較大的30層的Y向框架梁進(jìn)行分析，各梁鉸位置見(jiàn)圖1。

2地震作用與梁鉸滯回模型

地震作用的地震波是指安評(píng)單位提供的人工場(chǎng)地?cái)M合波。場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期為0.35，其時(shí)程曲線如圖2所示。

彈塑性時(shí)程分析時(shí)非線性梁柱單元采用彎矩-旋轉(zhuǎn)角類型單元，滯回曲線采用武田三折線模型，是根據(jù)構(gòu)件試驗(yàn)結(jié)果整理的恢復(fù)力模型。第一屈服為截面外側(cè)受彎開(kāi)裂時(shí)模擬開(kāi)裂強(qiáng)度，第二屈服默認(rèn)為受壓一側(cè)最外端的混凝土達(dá)到極限應(yīng)變時(shí)模擬屈服強(qiáng)度。對(duì)于型鋼混凝土截面對(duì)屈服判定方法與鋼筋混凝土截面相同。圖3為武田三折線模型滯回曲線[3]。

動(dòng)力時(shí)程采用有限元分析軟件Midas building。將剪力墻分割成一定數(shù)量的豎向和水平向的纖維單元來(lái)考慮墻體的非線性。纖維單元的本構(gòu)關(guān)系如下：混凝土的本構(gòu)模型采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄中的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型；鋼筋采用雙折線模型，屈服后剛度使用0.1倍的屈服前的彈性剛度，無(wú)論屈服與否，卸載和重新加載時(shí)均使用彈性剛度；墻單元剪切本構(gòu)模型，由程序提供理想彈塑性模型，屈服后剛度為0，屈服前卸載和重新加載時(shí)使用彈性剛度，屈服后卸載時(shí)指向原點(diǎn)，重新加載時(shí)使用卸載剛度重新加載。

3滯回曲線與耗能分析

分析豎向荷載作用時(shí)，以梁鉸5 549為例進(jìn)行滯回曲線與耗能分析。

考慮初始工況時(shí)的滯回曲線見(jiàn)圖4。

旋轉(zhuǎn)角時(shí)程曲線見(jiàn)圖5：從圖5中可以看出，考慮初始工況時(shí)，由于豎向荷載作用，有初始的旋轉(zhuǎn)角。

其彎矩時(shí)程曲線比較見(jiàn)圖6：從圖6中可以看出，考慮初始工況時(shí)，由于豎向荷載作用，在時(shí)程開(kāi)始和結(jié)束都存在的彎矩。其絕對(duì)最大彎矩分別為：考慮初始工況時(shí)在10.6 s為-2 640 kN·m；不考慮初始工況時(shí)在8.2 s為1 590 kN·m。

采用彎矩與旋轉(zhuǎn)角的乘積的積分作為鉸的累計(jì)能量，其時(shí)程曲線如圖7：從圖7中可以看出，考慮初始工況的地震耗能小于不考慮初始工況的耗能。

4結(jié)論

從以上分析得知，主要結(jié)論如下：

a.彈塑性時(shí)程分析考慮初始工況對(duì)計(jì)算結(jié)果有重大影響。

b.框架梁鉸在豎向荷載作用下，可能出現(xiàn)負(fù)筋一側(cè)耗能的情況，其耗能能力下降。

從第二點(diǎn)結(jié)論出發(fā)，規(guī)范可知連梁其上如搭有主梁，其耗能能力會(huì)下降，不利于抗震；大跨度框架的豎向荷載作用大，為提高安全度規(guī)范提高抗戰(zhàn)等級(jí)[4]，并不是最有效的做法，建議大跨度框架提高其抗力從而提高其安全度；豎向荷載大的框架節(jié)點(diǎn)，宜根據(jù)其底筋可能不屈服這一特征，進(jìn)行延性設(shè)計(jì)的改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范管理組. 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[M]. 北京：地震出版社，2010.

[4]北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司. Midas building技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2012.

Vertical Load’s Influence on Beam end Plastic

Hinges’ Energy Dissipation

YUANYuan1,SHIQiong-hui2,LIUQing-qing2

(1.China Triumph International Engineering Group Co, Ltd，Shenzhen 518000，China；

2.Shenzhen General Institute of Architectural Design and Research，Shenzhen 518000，China)

Abstract:This paper explores the vertical load’s influence on beam end plastic hinges’ energy dissipation through the elastic-plastic dynamic analysis of a super-high building.

Key words:elastic-plastic dynamic analysis;hysteretic curves;energy dissipation;plastic hinges

作者簡(jiǎn)介：原媛(1981-)，工程師.E-mail:13632692358@139.com

收稿日期：2015-08-09.

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.06.013