過渡層形式對SRC-RC混合框架結(jié)構(gòu)抗震性能影響

閆麗娟，馬亞楠

（青島理工大學(xué)琴島學(xué)院 土木工程系，山東青島266106）

0 引言

在結(jié)構(gòu)豎直方向由型鋼混凝土 SRC（Steel Reinforced Concrete）框架和鋼筋混凝土 RC（Reinforced Concrete）框架組合而成的結(jié)構(gòu)體系稱為SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)兩者的位置關(guān)系，可以形成下部混凝土—上部型鋼混凝土豎向混合框架結(jié)構(gòu)和下部型鋼混凝土—上部混凝土豎向混合框架結(jié)構(gòu)2種類型。這種豎向混合框架結(jié)構(gòu)在日本應(yīng)用較早且發(fā)展較好［1－3］，目前我國高層建筑中也有所應(yīng)用，但主要采用下部型鋼混凝土—上部混凝土豎向混合框架結(jié)構(gòu)類型，底部樓層采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)［2］，其強度顯著提高，減小了框架柱的截面尺寸和結(jié)構(gòu)自重，加大了建筑物的使用面積［1］。

SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)因其良好的經(jīng)濟性和抗震性而得到了一定應(yīng)用，但對其過渡層的理論研究并不成熟，一直滯后于工程實踐。過渡層是指型鋼混凝土結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換部位，兩者在強度和剛度上存在比較大的差異，在地震作用下，過渡層位置處容易形成薄弱層，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，所以過渡層的合理設(shè)計是 SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。20世紀中期，今野修等通過對13個試件進行低周期反復(fù)加載研究，分析了過渡層柱在拉、壓反復(fù)軸向荷載作用下的受力性能［3－4］；山口美有希等對3個SRC-RC過渡層柱試件進行低周反復(fù)加載試驗，結(jié)果表明：過渡層柱具有介于鋼筋混凝土柱和型鋼混凝土柱之間的變形能力［5］；木村潤一等考察了過渡層柱中型鋼的加強鋼筋和型鋼延伸高度對柱抗震性能的影響［6］。

目前，國內(nèi)工程界對SRC-RC豎向混合結(jié)構(gòu)過渡層的抗震性能的研究亦較多。薛建陽等對過渡層位置的確定和過渡層形式設(shè)計進行了一系列試驗分析，結(jié)果表明：SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)的過渡層位置宜設(shè)置在結(jié)構(gòu)中部，過渡層柱的設(shè)計宜采用中間過渡法，而且過渡層柱中型鋼的延伸長度會影響其抗震性能［7－8］。上述研究局限于過渡層柱單個構(gòu)件的研究，但是對于整個SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)如何設(shè)計過渡層形式研究很少。在行業(yè)規(guī)程《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》《鋼骨混凝土設(shè)計規(guī)程》中對SRC柱和RC柱上、下層的連接（即過渡層）提出了簡明的設(shè)計要求，但對于過渡層形式并未作出詳細規(guī)定［2］?；诖?，文章從結(jié)構(gòu)的整體角度對不同過渡形式的SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)模型進行了靜力彈塑性Pushover分析，通過對比各結(jié)構(gòu)模型的水平承載力、延性系數(shù)、基底剪力—頂點位移關(guān)系曲線、塑性鉸出現(xiàn)順序及其分布形式，得出了不同過渡形式對結(jié)構(gòu)抵抗地震作用能力的影響，進而確定了具有較好抗震性能的過渡層形式。

1 靜力彈塑性Pushover分析法簡述

靜力彈塑性分析的基本原理是將多自由度結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)化成單自由度結(jié)構(gòu)體系，然后計算此體系在地震作用下的最大位移，并將其作為目標位移［9］；Pushover分析是在此基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)施加逐步增大的側(cè)向荷載，直到結(jié)構(gòu)頂點位移達到預(yù)定的目標位移，將分析所得的結(jié)果如基底水平剪力、層間位移等與相關(guān)規(guī)范進行對比，進而評估結(jié)構(gòu)的抗震性能。

Pushover分析方法的主要步驟如下：（1）建立結(jié)構(gòu)模型；（2）在結(jié)構(gòu)上施加側(cè)向荷載并對其進行推覆分析；（3）推覆分析直到結(jié)構(gòu)達到目標位移；（4）得出Pushover曲線、塑性鉸出現(xiàn)順序及其分布情況。

進行SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)的Pushover分析時需要解決2個問題：（1）確定結(jié)構(gòu)的目標位移，采用能力譜法確定目標位移；（2）自定義塑性鉸，鋼筋混凝土框架梁梁端塑性鉸采用軟件指定的M3鉸，鋼筋混凝土框架柱端采用PMM鉸［10－12］，均采用其默認屬性，型鋼混凝土柱端根據(jù)軸力和雙向彎矩相關(guān)作用確定塑性鉸屬性。

2 SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)模型建立

采用12個12層的SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)模型M2～M13和1個12層的RC框架結(jié)構(gòu)模型M1進行計算分析。所有結(jié)構(gòu)模型的層高均取3 m，結(jié)構(gòu)模型縱、橫向框架柱的間距均取6 m，RC框架柱和 SRC框架柱均采用正方形截面，其邊長為700 mm，所有框架梁截面尺寸為 300 mm×600 mm［9］，M2～M5中下部型鋼混凝土柱中型鋼延伸到整個過渡層高度，型鋼采用焊接H型鋼，型鋼型號為H450×400×25×30，材料級別為Q345?？蚣苤c框架梁的混凝土級別分別為C40和C35，而縱向受力鋼筋和箍筋則分別采用HRB400和HPB300。結(jié)構(gòu)中框架梁采用SAP2000默認配筋方式，框架柱配置20根直徑為20 mm的縱向受力鋼筋，箍筋采用10＠100，經(jīng)計算可知其配筋和強度等指標均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)模型布置如圖1所示，各模型參數(shù)見表1，其中Ai為x方向第i排過渡層柱所處的樓層位置，i為 1、2、3、4、5；Vu為基底剪力峰值，kN；Δy、Δu分別為屈服位移和極限位移，mm；μ為延性系數(shù)。

圖1 模型M4的結(jié)構(gòu)布置圖

表1 各模型參數(shù)

3 結(jié)果與分析

采用SAP2000建立M1～M13結(jié)構(gòu)模型，進行Pushover分析時，采用能力譜法確定結(jié)構(gòu)模型的目標位移，以位移控制作為Pushover分析的控制方法，并對結(jié)構(gòu)模型進行逐級施加側(cè)向力的加載方式進行計算，得到結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的基底剪力、位移及塑性鉸分布情況。

此外，在進行Pushover分析時，框架梁梁端塑性鉸采用軟件指定的M3鉸，鋼筋混凝土框架柱端采用PMM鉸，均采用系統(tǒng)默認屬性。型鋼混凝土柱端采用的是軸向力和雙向彎矩相互作用而產(chǎn)生的自定義塑性鉸［1］。

3.1 水平承載力對比分析

經(jīng)過計算分析，得到各結(jié)構(gòu)模型的基底剪力，根據(jù)基底剪力繪得結(jié)構(gòu)的水平承載力曲線，如圖2所示。

由圖2可知，M2～M13基底剪力峰值明顯高于M1的基底剪力峰值，其中，M4的基底剪力峰值最大，較M1提高了398 kN，可見，SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的水平承載力比鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的水平承載力高；比較M2～M7的基底剪力，可知M4模型的最大；比較M8～M13的基底剪力，可以發(fā)現(xiàn)M10模型的最大，說明SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)中，當結(jié)構(gòu)兩側(cè)過渡層柱所處樓層最高，中部過渡層柱所處樓層次之時，結(jié)構(gòu)y方向的水平承載力最高。

圖2 結(jié)構(gòu)模型水平承載力曲線圖

3.2 變形能力對比分析

表1中各結(jié)構(gòu)模型的延性系數(shù)μ＝Δu／Δy，其中，屈服位移Δy和極限位移Δu是運用能量法［13］計算得出，模型M1～M13的延性系數(shù)變化如圖3所示。通過表1和圖3可知，13個模型結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)均大于3.75，說明這些結(jié)構(gòu)均屬于延性結(jié)構(gòu)，其在罕遇地震作用下均具有較好的變形能力。其中，模型M2～M7的延性系數(shù)平均值與模型M1相比，降低5.91%，而且延性系數(shù)最大的模型為M6；模型M8～M13的延性系數(shù)平均值與模型M1相比，降低3.47%，其中延性系數(shù)最大的模型為M8。由此可知，在地震作用下，SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)的變形能力比鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的低；模型M8～M13的延性系數(shù)平均值比模型M2～M7的延性系數(shù)平均值高2.44%，說明在SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)中，當過渡層柱的位置由3～5層提高到4～6層時，結(jié)構(gòu)的變形能力有所提高。

圖3 模型延性系數(shù)曲線圖

3.3 結(jié)構(gòu)基底剪力—頂點位移關(guān)系曲線（Pushover曲線）對比分析

對前5組結(jié)構(gòu)模型進行Pushover分析，可分別得到各個模型的基底剪力—頂點位移關(guān)系曲線，如圖4所示，M1～M5的基底剪力—頂點位移關(guān)系曲線形式一致，尤其在彈性階段，5條曲線基本重合。進入塑性后，模型M1的曲線斜率較其他曲線斜率平緩，且最大頂點位移值最小，說明普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在進入塑性后，變形能力較SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)的差。

圖4 結(jié)構(gòu)模型基底剪力—頂點位移關(guān)系曲線圖

3.4 塑性鉸分布情況對比分析

模型M1的Pushover推覆結(jié)果［14］如圖5所示，模型側(cè)向最大位移達到95.54 mm時，結(jié)構(gòu)首先在4～5層梁端出現(xiàn)塑性鉸，說明首先進入屈服狀態(tài)的是框架梁，隨著水平位移的增加，越來越多的框架梁出現(xiàn)塑性鉸［15］，隨著水平側(cè)向力的繼續(xù)增加，塑性鉸開始在底層柱端出現(xiàn)，表明底層柱達到屈服，繼續(xù)增加推覆位移，越來越多的塑性鉸出現(xiàn)在柱底且不斷發(fā)展；直至模型M1頂點側(cè)移達到398.22 mm時，結(jié)構(gòu)的塑性鉸基本出齊，很快變成機動體系，發(fā)生破壞。

結(jié)構(gòu)模型M4的塑性鉸分布如圖6所示，模型M4的頂點側(cè)向最大位移達到101.45 mm時，結(jié)構(gòu)首先在4層梁端出現(xiàn)塑性鉸，并且向上向下發(fā)展，2～12層的梁端均出現(xiàn)塑性鉸。隨著水平推覆位移增加，結(jié)構(gòu)4層柱端出現(xiàn)塑性鉸，說明過渡層的框架柱首先屈服，推覆繼續(xù)進行，當模型側(cè)向最大位移達到387.70 mm時，結(jié)構(gòu)3～4層的柱端均出現(xiàn)塑性鉸，同時過渡層中的柱端塑性鉸不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)中上層梁的塑性鉸進入極限狀態(tài)。由此可見，與鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)相比，SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)由于在結(jié)構(gòu)下部一定范圍內(nèi)配置了型鋼［15］，所以在結(jié)構(gòu)破壞之前，此種結(jié)構(gòu)可以出現(xiàn)較多的塑性鉸來消耗地震所釋放出的能量，從而提高了SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)的變形能力，而且結(jié)構(gòu)破壞屬于梁鉸機制，符合“強柱弱梁”的設(shè)計準則，增加了結(jié)構(gòu)的安全儲備。

圖5 結(jié)構(gòu)模型M1的塑性鉸分布圖

圖6 結(jié)構(gòu)模型M4的塑性鉸分布圖

模型M10的Pushover推覆結(jié)果與模型M4的相似，只是當模型M10的側(cè)向最大位移達到103.9 mm時，4層梁端開始出現(xiàn)塑性鉸，模型側(cè)向最大位移達到404.55 mm時，梁柱塑性鉸全部出齊，整個結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，

說明SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)過渡層柱位置從3～5層均勻地升至4～6層時，結(jié)構(gòu)的變形性能略有改善。

4 結(jié)論

通過上述分析可知：

（1）SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)模型M2～M13的水平承載力均高于M1的水平承載力，其中，M4的水平承載力最大，較M1的提高了398 kN。說明采用底部配置型鋼的SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)可以提高結(jié)構(gòu)的水平承載能力。SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)兩側(cè)過渡層柱所處樓層最高、中部過渡層柱所處樓層次之時，結(jié)構(gòu)的水平承載力最高，建議在實際工程中采用此種過渡形式。

（2）SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)過渡層柱的位置由3～5層升至4～6層時，結(jié)構(gòu)的平均延性系數(shù)提高2.44%，表明結(jié)構(gòu)的變形能力有所提高。

（3）在整個框架結(jié)構(gòu)破壞前，SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)的梁端、柱端能夠形成比RC框架結(jié)構(gòu)更多的塑性鉸，這些塑性鉸可以吸收地震所釋放的能量，且大部分的塑性鉸出現(xiàn)在梁端，符合“強柱弱梁”的設(shè)計準則，使結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)受罕遇地震作用而不倒塌，具有較好的延性和安全性。

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