用一種新方法提高梁端塑性鉸的耗能能力

尹新生 劉松鑫

（吉林建筑大學寒地綠色建筑技術(shù)工程研究中心，長春 130118）

用一種新方法提高梁端塑性鉸的耗能能力

尹新生 劉松鑫

（吉林建筑大學寒地綠色建筑技術(shù)工程研究中心，長春 130118）

通過在梁端加入鋼筋網(wǎng)片來提供側(cè)向約束，更好地提高對混凝土的約束作用，充分利用結(jié)構(gòu)的延性來降低外荷載的作用，使結(jié)構(gòu)在屈服后有較大的變形能力，從而提高梁端塑性鉸的耗能能力，更易實現(xiàn)“強剪弱彎”的設計理念，又提高了鋼筋的利用率，還有利于對塑性鉸區(qū)域的震后修復工作。

鋼筋網(wǎng)片；塑性鉸；延性；耗能能力

從上個世紀起，世界各國都在進行大量的抗震研究，特別是利用結(jié)構(gòu)延性的抗震研究。人們發(fā)現(xiàn)對震后建筑物的維修費用非常昂貴，修復所需的時間有的也讓人們難以接受。在通常的結(jié)構(gòu)抗震設計中，大部分研究人員都推薦框架結(jié)構(gòu)體系應當采用“強柱弱梁”的設計理念，這樣可以將地震能量分散耗散在結(jié)構(gòu)的梁端，并降低柱端的延性要求。因此，在設計強柱弱梁體系時，通常可以采用較低的設計地震力而靠梁端塑性鉸來耗散地震能量。但是這樣卻導致結(jié)構(gòu)即使在中等強度的地震作用下，這些預期的塑性鉸也破壞，使得修復費用很昂貴。[1]

1 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)梁端破壞機理

圖1 懸臂梁

以最簡單的懸臂梁為例，受力情況如圖1所示，在配筋合理的情況下框架結(jié)構(gòu)梁端破壞大致分為以下四個階段[2]：

（1）彈性工作階段

外力作用下，直至梁端先出現(xiàn)第一條裂縫前，剪力主要由核心區(qū)混凝土承擔，構(gòu)件處于彈性階段。

（2）帶裂縫工作階段

梁端在外荷載不斷增大的情況下，從受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)第一條裂縫后會陸續(xù)出現(xiàn)多條裂縫，直至受拉鋼筋即將屈服，在這個階段中，箍筋主要承擔梁端剪力，箍筋應力快速增大，梁端剛度明顯下降。

（3）彈塑性工作階段

荷載繼續(xù)增加，梁端剪切變形加大，橫向箍筋大部分達到屈服，混凝土逐漸脫落，此時抗剪承載力達到最大。

（4）破壞階段

當外荷載不斷增大，混凝土達到極限承載力后開始大面積脫落，梁端變形嚴重而破壞。

2 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)梁端加入鋼筋網(wǎng)片的思想

一般的抗震設計思路是加大梁端受力鋼筋的配筋率，推遲構(gòu)件屈服，但是震害研究表明，在梁端并不是配有越多的受力鋼筋越好，如果超過一定量值則更易形成柱鉸機制，如圖2所示。這樣不僅造價上造成了浪費，而且對結(jié)構(gòu)的屈服利用的不夠合理也不利于抗震。因此我們提出一種新的方法——在梁端加入鋼筋網(wǎng)片，加大對混凝土的約束作用，提高結(jié)構(gòu)的變形能力，利用結(jié)構(gòu)屈服后的延性來提高抗震效果，真正形成梁鉸機制，如圖3所示。

圖2 柱鉸機制

圖3 梁鉸機制

圖4 Mander約束和無約束混凝土模型

加入鋼筋網(wǎng)片的基本思路：受Mander約束和無約束混凝土模型[3]的啟發(fā)，用鋼筋網(wǎng)片提供側(cè)向約束，約束效果比只用箍筋約束效果好，又進一步避免構(gòu)件剪力較大的部位在達塑性變形能力極限之前發(fā)生非延性破壞，充分利用結(jié)構(gòu)的延性來降低外荷載的作用。這樣結(jié)構(gòu)在較低的地震作用下屈服前保持彈性工作狀態(tài)，在較大的地震作用下，通過結(jié)構(gòu)的非彈性變形來耗散地震能量。

布置鋼筋網(wǎng)片的帶來的益處：（1）更容易實現(xiàn)“強減弱彎”的延性設計理念，實現(xiàn)梁鉸機制，在框架結(jié)構(gòu)梁端形成塑性鉸將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為排架結(jié)構(gòu)，避免在柱端形成塑性鉸更易造成倒塌；（2）提高了框架結(jié)構(gòu)的耗能能力，使塑性鉸區(qū)域的損傷相對減小，有利于震后的修復工作；（3）利用結(jié)構(gòu)屈服后的變形，可以適當降低配筋面積，提高了鋼筋的利用率，更加有利于資源的合理利用。

3 梁端加入鋼筋網(wǎng)片有限元初步模擬

3.1 有限元軟件計算結(jié)構(gòu)位移

通過有限元軟件ABAQUS建立模型，模擬結(jié)構(gòu)在外荷載作用在懸臂端的位移情況，反映結(jié)構(gòu)的延性。梁截面尺寸選用bxh=300mmx600mm，受力鋼筋選用HRB400級直徑16mm的鋼筋，架立鋼筋選用HRB400級直徑12mm的鋼筋，箍筋選用HRB400級直徑8mm的鋼筋，間距為100mm，鋼筋網(wǎng)片選用直徑8mm的鋼筋。梁截面配筋情況如圖5所示，有限元模型如圖6所示。

圖5 梁截面配筋

圖6 有限元模型

在懸臂端施加集中力，荷載施加至結(jié)構(gòu)達到屈服，得出相應的結(jié)構(gòu)位移數(shù)值。對不同的梁端情況分別建立不同的模型，對比其變形能力，有限元ABAQUS計算結(jié)果如表1。

表1 有限元ABAQUS結(jié)構(gòu)位移計算結(jié)果

3.2 有限元軟件模擬結(jié)構(gòu)的荷載位移曲線

通過有限元軟件ABAQUS建立模型，模擬結(jié)構(gòu)在反復荷載作用下結(jié)構(gòu)的耗能能力。梁截面尺寸選用bxh=300mmx600mm，鋼筋選用HRB400級直徑16mm的鋼筋，上下對稱布置鋼筋，箍筋選用HRB400級直徑8mm的鋼筋，間距為100mm，鋼筋網(wǎng)片選用直徑8mm的鋼筋，間距為100mm。配筋情況如圖7所示，有限元模型如圖8所示。圖9-12為有限元模擬結(jié)果。

圖7 梁截面對稱配筋

圖8 有限元模型

圖9 無鋼筋網(wǎng)片

圖10 4個鋼筋網(wǎng)片

圖11 7個鋼筋網(wǎng)片

圖12 10個鋼筋網(wǎng)片

4 結(jié)語

從有限元軟件初步模擬結(jié)果可以看出，在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)梁端加入鋼筋網(wǎng)片比只用箍筋約束混凝土的效果更好，極限承載力基本相同，但是變形能力增大，耗能能力增大。利用結(jié)構(gòu)屈服后的變形來耗散地震能量，更容易實現(xiàn)“強柱弱梁”、“強剪弱彎”的延性設計理念，降低塑性鉸區(qū)域的損傷。

后續(xù)工作需要進一步研究梁端在不同數(shù)量的鋼筋網(wǎng)片、不同直徑的鋼筋網(wǎng)片、不同間距的鋼筋網(wǎng)片等等情況約束下的變形及耗能能力，提高鋼筋的利用率，實現(xiàn)資源利用的最大化。

[1]張程.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)直接基于位移的抗震設計研究[D].杭州:浙江大學,2006.

[2]東南大學,天津大學,同濟大學.混凝土結(jié)構(gòu)（上冊）[M].北京:中公建筑工業(yè)出版社,2001.

[3]Mander,J.B.,M.J.N.Priestle,and R.park. Theoretieal stress-strain model for confinedconerete[J].Journal of Struetural Engineering,114,1988.

Improving the energy dissipation capacity of the plastic hinge of the beam end by a new method

YIN Xin-sheng,LIU Song-xin
(Green Building Engineering Research Center for Cold Area, Jilin Jianzhu University, Changchun, China 130118)

By adding net reinforcement at the beam end to provide lateral constraint, the constraint effect of concrete is improved. The ducility of the structure is used to reduce the external load, so that the structure has a larger deformation capacity after be yielded. This can improve the energy dissipation capacity of the beam end plastic hinge,more easily achieve the “strong shear weak bending” design concept, and improve the utilization rate of rebar, and is also conducive to the plastic hinge region of the post earthquake restoration work.

net reinforcement; plastic hinge; ductility; energy dissipation capacity

G322

B

1007-6344（2016）02-0026-02