現(xiàn)澆樓板對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響分析

李 睿 郭靳時(shí)

(吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長春 130118)

0 引言

2008年的汶川地震其震后破壞為我國工程設(shè)計(jì)研究人員提供了很多可反思的問題.根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)的強(qiáng)柱弱梁破壞體系并沒有如愿出現(xiàn)在震后房屋上,更多的是發(fā)生了“強(qiáng)梁弱柱”破壞,這樣就導(dǎo)致了在破壞時(shí)柱先于梁屈服,從而造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失.我國抗震規(guī)范提出了“三水準(zhǔn)”的設(shè)防要求,即“小震不壞,中震可修,大震不倒”[1],同時(shí),抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對建筑結(jié)構(gòu)還提出了“強(qiáng)柱弱梁,強(qiáng)剪弱彎,強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的要求[1].所謂強(qiáng)柱弱梁,就是控制在框架結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)塑性鉸出現(xiàn)在梁端,在設(shè)計(jì)上給柱端乘以彎矩增大系數(shù),保證在框架節(jié)點(diǎn)處柱端的承載力大于兩側(cè)梁端的承載力之和,發(fā)生屈服時(shí),可以使梁先于柱屈服,結(jié)構(gòu)整體不倒塌.

框架結(jié)構(gòu)中的現(xiàn)澆樓板結(jié)構(gòu)的整體性與剛度較好,能夠有效地保證結(jié)構(gòu)整體的抗震性能,現(xiàn)澆樓板是眾多影響框架結(jié)構(gòu)是否能達(dá)到強(qiáng)柱弱梁破壞機(jī)制的因素之一[2],是因?yàn)楝F(xiàn)澆樓板對與其一起整澆的框架梁有不可忽視的增強(qiáng)作用,是框架梁產(chǎn)生“超強(qiáng)”的主要原因[7].由于現(xiàn)澆樓板中鋼筋是要伸入梁柱節(jié)點(diǎn)的,所以現(xiàn)澆樓板的鋼筋配置還會對梁柱有影響,樓板在平面內(nèi)作為梁的翼緣,提升梁的剛度,在一定范圍內(nèi)提高了梁的抗彎承載力,會影響梁端塑性鉸的如期出現(xiàn).本文主要針對現(xiàn)澆樓板的板厚、節(jié)點(diǎn)類型、樓板有效翼緣寬度等因素，對框架結(jié)構(gòu)能否滿足“強(qiáng)柱弱梁”屈服機(jī)制的影響程度進(jìn)行分析.

1 模型建立

1.1 PKPM模型建立

使用PKPM軟件建立模型,計(jì)算實(shí)配鋼筋,考慮模型的普遍代表性,建立一個(gè)三層的框架,層高3 600mm,縱向3跨,跨度7 200mm,橫向2跨,跨度6 000mm,橫向布置次梁.

首先建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型,然后改變板厚,建立對比模型①,各模型構(gòu)件尺寸見表1.

表1 各構(gòu)件尺寸Table 1 The size of components

1.2 ABAQUS模型建立

隨著時(shí)代的進(jìn)步,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,有限元模擬技術(shù)受到越來越多的重視,在諸多有限元軟件中,例如ABAQUS,ANSYS,NASTRAN,ADINA,MARC,MAGSOFT等,其中ABAQUS是一款大型的高端CAE軟件,在非線性有限元分析方面處理的非常優(yōu)秀,可以計(jì)算分析復(fù)雜的結(jié)構(gòu)力學(xué)體系,ABAQUS不但可以分析某一獨(dú)立構(gòu)件的力學(xué)變形,同時(shí)還可以做系統(tǒng)級的分析研究計(jì)算,其獨(dú)特的系統(tǒng)分析使其在眾多有限元分析軟件中被首選.

應(yīng)用ABAQUS中的Part(部件)模塊建立各構(gòu)件,Property(特性)模塊賦予各構(gòu)件材料屬性、本構(gòu)關(guān)系,Assembly(裝配)模塊將各個(gè)構(gòu)件組裝到一起,然后通過Step(分析步)模塊、Interaction(相互作用)模塊、Load(載荷)模塊、Mesh(網(wǎng)格)模塊賦予各構(gòu)件間的關(guān)系連接約束作用、施加荷載、布置種子、劃分網(wǎng)格,最后通過Job(分析作業(yè))模塊進(jìn)行作業(yè)提交,然后系統(tǒng)會自動進(jìn)入Visualization(可視化)模塊進(jìn)行后處理,得到變形圖、應(yīng)力云圖等結(jié)果.

1.3 材料參數(shù)

圖1 雙折線模型Fig.1 Double fold line model

整個(gè)結(jié)構(gòu)采用C30混凝土,框架梁柱受力鋼筋采用HRB400級鋼筋,箍筋采用HPB300級鋼筋,現(xiàn)澆樓板采用HPB300級鋼筋.在ABAQUS軟件模擬中,混凝土的本構(gòu)關(guān)系模型采取混凝土損傷塑性模型,相比其它的混凝土模型,損傷塑性模型可以更好地描述混凝土的非彈性行為[5],鋼筋選用熱軋鋼筋,所以鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變模型采用完全彈塑性的雙折線模型進(jìn)行描述[6],雙折線模型見圖1.

2 現(xiàn)澆樓板板厚

在設(shè)計(jì)時(shí),單向板的板厚不小于1/30L(L為跨度),雙向板的板厚不小于1/35L(L為跨度),且樓面板最小厚度不小于90mm,屋面板的最小厚度不小于100mm,相鄰現(xiàn)澆板的板厚不應(yīng)相差30mm以上,所以在標(biāo)準(zhǔn)模型中板厚取值100mm，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求.

將模型①的有限元模擬結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型的有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對比,然后對比兩個(gè)模型的荷載-應(yīng)變曲線[3](見圖2).

(a)Standard Model (b)Model①圖2 荷載-應(yīng)變曲線Fig.2 Load-strain curve

由圖2可以得出，荷載值和鋼筋的屈服應(yīng)變值會隨著板厚的增大而隨之相應(yīng)地增大和減小,從而進(jìn)一步說明了樓板厚度的增加可適當(dāng)提高梁端承載力,同時(shí)還有效地遏制了構(gòu)件的變形.

3 節(jié)點(diǎn)類型

在框架結(jié)構(gòu)中將節(jié)點(diǎn)分為框架邊節(jié)點(diǎn)和框架中節(jié)點(diǎn),框架邊節(jié)點(diǎn)處的橫向框架梁由于只有一側(cè)接觸樓板,產(chǎn)生作用的樓板鋼筋對橫向框架梁產(chǎn)生的拉力只能靠橫向框架梁承擔(dān),因而邊節(jié)點(diǎn)處橫向梁的彎矩、扭矩比中節(jié)點(diǎn)處橫向梁的彎矩扭矩要更大,所以框架邊節(jié)點(diǎn)處的橫向框架梁更容易產(chǎn)生彎曲扭轉(zhuǎn)變形,現(xiàn)澆樓板對橫向框架梁的影響要比在框架中節(jié)點(diǎn)處的影響小很多.

框架中節(jié)點(diǎn)處的框架梁在兩個(gè)方向上都有樓板,樓板鋼筋對框架梁內(nèi)鋼筋產(chǎn)生不容忽視的影響,在框架梁兩側(cè)的樓板產(chǎn)生的拉力可以得到部分的抵消,剩余的部分才由框架梁承受,故橫向框架梁上產(chǎn)生的扭矩和彎矩都較小,現(xiàn)澆樓板參與作用的影響較大.

在標(biāo)準(zhǔn)模型中分兩種節(jié)點(diǎn)類型分別模擬,有效翼緣寬度相同時(shí),邊節(jié)點(diǎn)和中節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力云圖[3]見圖3所示,荷載-應(yīng)變曲線[3]見圖4所示.

(a)Exterior joint (b)Interior joint圖3 等效應(yīng)力云圖Fig.3 Von Mises stress

(a)Exterior joint (b)Interior joint圖4 荷載-應(yīng)力曲線Fig.4 Load-strain curve

在比較了兩種類型框架節(jié)點(diǎn)下的荷載-應(yīng)變曲線可以得知,在相同模型條件下,梁板柱邊節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的荷載-應(yīng)變值比梁板柱中節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的荷載-應(yīng)變值的變化幅度大,從而進(jìn)一步說明現(xiàn)澆樓板參與抗震的程度與框架節(jié)點(diǎn)類型息息相關(guān).

4 樓板有效翼緣寬度

我國現(xiàn)行規(guī)范對有效翼緣如何取值沒有明確規(guī)定,說明我國規(guī)范中不考慮樓板鋼筋對梁端截面抗負(fù)彎矩的影響[4].為了更好地對比有效翼緣寬度的取值對框架結(jié)構(gòu)抗震效果的影響,取6種有效翼緣寬度進(jìn)行對比分析,分別為2h,3h,4h,5h,6h,7h(h為板厚),在有限元模擬結(jié)果中得到如圖5所示的荷載-應(yīng)變曲線[3].

(a)Exterior joint (b)Interior joint圖5 荷載-應(yīng)變曲線Fig.5 Load-strain curve

從圖5可以看出,隨著樓板有效翼緣寬度的增加,荷載-應(yīng)變曲線也在趨于重合,每次改變不明顯,表明當(dāng)樓板翼緣有效寬度增大到一定程度的時(shí)候,再提高樓板有效翼緣寬度幾乎對抗震性能沒有影響.經(jīng)過多種模型的建立對比,逐漸發(fā)現(xiàn)了當(dāng)樓板有效翼緣寬度取值在6h以上時(shí),樓板幾乎不參與工作了,也就是說在樓板的有效翼緣寬度取在6h以上時(shí)樓板就退出抗震工作了,不參與結(jié)構(gòu)的抗震.

5 結(jié)論

近十年,地震等自然災(zāi)害讓人們發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)人員按照規(guī)范設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)并沒有實(shí)現(xiàn),之前只是想當(dāng)然的認(rèn)為達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo),經(jīng)過汶川地震的檢驗(yàn)才發(fā)現(xiàn)按照“強(qiáng)柱弱梁”標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的房屋在地震作用下并沒有真

的實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的破壞標(biāo)準(zhǔn),在框架結(jié)構(gòu)中,現(xiàn)澆樓板是影響整個(gè)結(jié)構(gòu)是否能達(dá)到“強(qiáng)柱弱梁”破壞標(biāo)準(zhǔn)的主要因素,增大現(xiàn)澆樓板的板厚可以提高整體框架的抗震性能.同時(shí),現(xiàn)澆樓板的有效翼緣寬度也是影響框架結(jié)構(gòu)抗震性能的因素之一,在樓板有效翼緣寬度取6倍的板厚時(shí),對整體框架的抗震性能影響最好,在不同的框架節(jié)點(diǎn)中,樓板參與抗震的程度以及對整體框架結(jié)構(gòu)的影響程度也不同,所以在設(shè)計(jì)框架邊節(jié)點(diǎn)和框架中節(jié)點(diǎn)時(shí)應(yīng)分開考慮.

參 考 文 獻(xiàn)

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