新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的抗震性能分析*

楊 磊，申 波*，周世明，何 智 謝宗言

(1 貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550003；2貴州省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,貴州 貴陽(yáng) 550003)

新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的抗震性能分析*

楊 磊1，申 波1*，周世明2，何 智1謝宗言1

(1 貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550003；2貴州省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,貴州 貴陽(yáng) 550003)

為了研究新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的抗震性能影響，對(duì)五榀不同肢厚比的新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向荷載和水平低周期反復(fù)荷載共同作用下的受力性能分析，分析試件的破壞形態(tài)、滯回曲線、骨架曲線、承載能力、位移延性及剛度退化。研究結(jié)果表明：當(dāng)肢厚比控制在8.5～9.5之間，能取得良好的耗能性能，下部框架梁主要受拉，建議設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)配筋并通長(zhǎng)布置。

新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；肢厚比；破壞形態(tài)；滯回曲線；位移延性

近年來鋼筋混凝土斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展迅速，文獻(xiàn)[1-5]對(duì)其進(jìn)行了一系列的理論分析和試驗(yàn)研究，研究表明合適的肢厚比可以使結(jié)構(gòu)有較好的抵抗水平荷載的能力，更容易實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎”的抗震設(shè)計(jì)原則。然而該傳統(tǒng)斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的延性及耗能均低于鋼筋混凝土梁式轉(zhuǎn)換，斜柱間轉(zhuǎn)換梁凈跨段損傷較嚴(yán)重。鑒于此，文獻(xiàn)[6]提出了帶型鋼的新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其由型鋼混凝土斜柱、部分型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁、鋼筋混凝土框支柱組成。本文結(jié)合實(shí)際工程通過5榀不同肢厚比的新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平低周期反復(fù)加載理論分析，研究不同肢厚比對(duì)新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的抗震性能影響，為新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 模型建立

1.1 有限元分析模型來源

為研究不同肢厚比對(duì)新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的抗震性能影響，選取了貴州某地區(qū)帶核心筒的框支剪力墻結(jié)構(gòu)為有限元分析模型來源。選取型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁與型鋼混凝土斜柱匹配的剛度值，確定實(shí)際工程中型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁和型鋼混凝土斜柱的截面尺寸。該實(shí)際工程采用PKPM軟件整體建模分析，然后用PKPMSAP對(duì)計(jì)算結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核。最終選取一榀轉(zhuǎn)換層及其上下層的單跨模型，建立不同肢厚比的新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的有限元模型。試件ZHB8尺寸如圖1。

圖1 有限元分析模型試件ZHB8尺寸圖

按照模型ZHB8為基準(zhǔn)建立其它四榀肢厚比有限元分析模型，保持參數(shù)不變，只改變上部剪力墻墻肢厚度并保持其它參數(shù)不變，如表1所示。

表1 不同肢厚比模型試件情況

注：匹配剛度比表示型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁與型鋼混凝土斜柱線剛度的比值[6]。

1.2 ABAQUS有限元模型

鋼筋的本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，模型的混凝土本構(gòu)關(guān)系來源于我國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)附錄C.2條所規(guī)定的混凝土單軸應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系[7]。 混凝土損傷因子分別按式(1)，(2)計(jì)算[9-11]：

受拉損傷因子Dt：

(1)

受壓損傷因子Dc：

(2)

膨脹角、偏心率、Kc、fbo/fco和粘性系數(shù)的參數(shù)選取見下表2

表2 混凝土損傷塑性模型相關(guān)參數(shù)

1.3 模型建立過程

混凝土采用三維實(shí)體單元C3D8R，鋼筋采用三維線性桁架單元T3D2，型鋼采用實(shí)體單元C3D10。根據(jù)混凝土、鋼筋，以及型鋼的不同特征建立相應(yīng)的部件，定義材料屬性，混凝土采用C55，密度取2400kg/m3，彈性模量取為3.55×104MPa，泊松比取為0.2，塑性的取值按照表2取值，損傷部分參數(shù)選取見表3。 鋼筋采用HRB400，鋼材HRB400，密度取為7800kg/m3，彈性模型2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服應(yīng)力235MPa。

表3 ABAQUS中混凝土損傷塑性受壓受拉應(yīng)力—應(yīng)變損傷參數(shù)

把各個(gè)部件按著模型中不同的坐標(biāo)進(jìn)行裝配定位，然后把鋼筋和型鋼嵌入到混凝土中，然后建立一個(gè)參考點(diǎn)RP-1耦合到連梁梁端，用以施加低周期水平往復(fù)荷載。裝配完成之后以ZHB8為例示意圖如圖2：

(a) 試件ZHB8整體模型 (b) 試件ZHB8混凝土模型 (c)試件ZHB8鋼筋骨架模型 (d) 試件ZHB8型鋼骨架模型圖2 試件ZHB8有限元模型

分析模型創(chuàng)立之后，對(duì)其進(jìn)行創(chuàng)建分析步，添加邊界條件，施加荷載，對(duì)基座梁添加固定約束，豎向荷載由上部剪力墻的0.3軸壓比計(jì)算得出荷載為1.065×107N/m2。水平荷載在參考點(diǎn)RP-1出施加，采用位移控制施加水平往復(fù)荷載，直到試件破壞的水平位移加載曲線見下圖3。

圖3 加載曲線

2 不同肢厚比有限元結(jié)果分析

2.1 新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的加載過程分析

新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)各試件的應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)和破壞形態(tài)，和試件ZHB8大體一致?，F(xiàn)以試件ZHB8為例，簡(jiǎn)要分析各試件的有限元模擬過程。

試件ZHB8豎向荷載加載完成后，豎向荷載施加完畢之后豎向變形符合預(yù)期，壓縮變形從剪力墻到基座梁逐漸變小。剪力墻底部外側(cè)混凝土壓應(yīng)力最大，框架梁和斜柱與框支柱之間的轉(zhuǎn)換梁下部受拉較嚴(yán)重，型鋼的應(yīng)力分布左右對(duì)稱且應(yīng)力值較小，最大Mises應(yīng)力值為52.31 MPa，分布在型鋼的左右斜柱柱腳處。當(dāng)豎向荷載施加完后，對(duì)試件施加水平低周期往復(fù)荷載。在水平荷載的加載前期，框架梁混凝土塑性應(yīng)變較大并首先屈服，接著連梁兩端的混凝土屈服，隨后斜柱與轉(zhuǎn)換梁連接處轉(zhuǎn)換梁的底部混凝土屈服，此后試件ZHB8的框支柱與轉(zhuǎn)換梁的連接部位混凝土塑性應(yīng)變逐漸增大。水平位移增大到一定階段，試件達(dá)到最大承載力，此時(shí)框架梁梁端混凝土裂縫較多并逐漸增大向跨中發(fā)展；連梁梁端出現(xiàn)裂縫，且連梁受壓區(qū)混凝土塑性變形較大；框支柱和轉(zhuǎn)換梁連接部位轉(zhuǎn)換梁混凝土裂縫發(fā)展較多；斜柱與轉(zhuǎn)換梁連接部位、斜柱和框支柱連接部位以及框支柱柱底混凝土塑性應(yīng)變迅速增大，開始出現(xiàn)裂縫；剪力墻底部混凝土塑性應(yīng)變較大，且逐漸向剪力墻中間部位發(fā)展。水平位移加載的后期，當(dāng)承載力下降到最大承載力的85%時(shí)，認(rèn)為試件已經(jīng)破壞。試件破壞時(shí)，轉(zhuǎn)換梁上裂縫較多，轉(zhuǎn)換梁和框支柱連接部位混凝土裂縫發(fā)展豐富；斜柱與轉(zhuǎn)換梁、斜柱與框支柱出現(xiàn)少量裂縫，框支柱柱底外側(cè)裂縫發(fā)展豐富，框支柱與框架梁連接部位框支柱的外側(cè)裂縫也較多，剪力墻裂縫相對(duì)較少。剪力墻、轉(zhuǎn)換梁與框支柱連接部位、框支柱柱底外側(cè)的混凝土壓縮損傷很嚴(yán)重，損傷因子都在0.9以上。從損傷程度來看，轉(zhuǎn)換梁出現(xiàn)塑性鉸早于柱鉸，試件破壞主要是由于轉(zhuǎn)換梁與框支柱連接部位出現(xiàn)梁鉸后，試件承載力下降，最后框支柱出現(xiàn)塑性鉸，導(dǎo)致試件破壞。

2.2 滯回曲線及骨架曲線

2.2.1 滯回曲線

各試件模型計(jì)算完成后，在ABAQUS后處理中，提取各模型試件里耦合點(diǎn)RP-1的力與位移值，并將力與位移擬合在同一坐標(biāo)中，得到試件的滯回曲線。6個(gè)模型試件的滯回曲線如圖4所示。

圖4 不同肢厚比試件滯回曲線

由圖可知，試件的滯回曲線有如下特點(diǎn)：

(1)加載初期，各試件均處于彈性階段，加載與卸載過程中滯回曲線基本呈直線，殘余變形較小，滯回環(huán)包絡(luò)的面積較小。隨著位移的增大，材料受力開始進(jìn)入塑性階段，滯回曲線出現(xiàn)彎曲狀態(tài)，且剛度隨位移加載的增加而降低；材料進(jìn)入塑性后，卸載后試件殘余變形較大，其滯回環(huán)所圍面積逐漸增大。隨著推覆位移的進(jìn)一步增加，試件達(dá)到極限承載力，隨后，承載力開始下降直到破壞。當(dāng)試件承載力下降到極限承載力的一定值時(shí)，認(rèn)為模型試件破壞，本次有限元模擬結(jié)束。

(2)試件的滯回曲線正反方向加載時(shí)基本對(duì)稱，曲線呈梭形且都比較飽滿，有較好的抗震性能。試件ZHB8、ZHB10的滯回曲線反向加載時(shí)滯回曲線的荷載峰值下降比正向快，說明反向加載時(shí)剛度退化較快。

(3)比較這5個(gè)試件可知，試件ZHB8.5的滯回環(huán)最為飽滿，而試件ZHB8和ZHB10比較差.

2.2.2 骨架曲線

各試件的骨架曲線如下圖5所示：

圖5 不同肢厚比試件骨架曲線

試件的骨架曲線特點(diǎn)如下：

(1)各試件骨架曲線的正反方向形狀基本相同。當(dāng)位移增大到一定值后，由于試件材料損傷累積，承載力下降，骨架曲線出現(xiàn)下降段。由于試件是由混凝土、鋼筋和型鋼等不同性質(zhì)材料構(gòu)成，宏觀上試件是各向異性，故試件沒有明顯的屈服點(diǎn)。

(2)隨著上部剪力墻肢厚比的增大，試件的承載力也相應(yīng)增大，但承載力增幅不大；試件的正向加載骨架曲線更為平緩，說明試件的正向延性系數(shù)比反向延性系數(shù)大。比較5個(gè)肢厚比不同的試件，試件ZHB9骨架曲線的下降段最平緩，故試件ZHB9的延性相對(duì)較好。

3 結(jié)論

綜合上述分析可以得出以下結(jié)論：

(1)新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上部剪力墻的肢厚比越大，試件的初始剛度就越大；肢厚比控制在8.5～9.5之間，能取得良好的耗能性能。

(2)所有試件轉(zhuǎn)換梁下層的框架梁主要受拉，容易開裂，建議設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)配筋并通長(zhǎng)布置。

[1] 盧挺. 框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中斜柱式與梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的抗震試驗(yàn)研究[D]. 重慶大學(xué), 2006.

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(責(zé)任編輯：王先桃)

Different Limb Thickness Ratio on Seismic Performance of New Type Inclined Column Transferring Structure

YANG Lei1，SHEN Bo1*，ZHOU Shiming2，HE Zhi1，XIE Zongyan1

(1. Space Structure Research Center, Guizhou University, Guiyang 550003, China；2. Guizhou Architectural Design & Research Institute Co.,Ltd, Guiyang 550003,China)

To study seismic behavior of the new type inclines column transfer structure, the five different limb thick ratio of the new type inclines column transfer structure vertical load and horizontal cycle quasi static analysis under the action of repeated loading, the analysis of the specimen failure pattern, hysteresis curves and skeleton curve, bearing capacity, displacement ductility, stiffness degradation were conducted. Research results show Limb thickness ratio control between 8.5 ～ 9.5, can obtain better performance of energy consumption. Frame beam mainly tensile, suggested strengthening the reinforcement design and all long arrangement.

seismic performance of new type inclined column transferring structure； limb thickness ratio； failure mode；hysteresis curve；displacement ductility

1000-5269(2016)06-0067-04

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.06.16

2016-00-00

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51468007);貴州省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(社會(huì)發(fā)展攻關(guān))(黔科合SY 字(2012)3067)

楊磊(1991-)，男，在讀碩士，研究方向：高層混凝土新型斜柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，Email:qaz7251998@163.com

*通訊作者： 申波，Email: gy- shenbo@sohu.com.

TU352.1+1

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