型鋼延伸長度對(duì)SRC-RC豎向混合結(jié)構(gòu)抗震性能影響

閆麗娟

(青島理工大學(xué)琴島學(xué)院土木工程系，青島，266106)

框架柱是框架結(jié)構(gòu)中非常重要的承重構(gòu)件，建筑物在地震作用下是否發(fā)生破壞很大程度上取決于柱的設(shè)計(jì)，尤其在高層建筑中，底部柱承受的荷載較大，為了滿足軸壓比的要求，往往需要設(shè)計(jì)較大的柱截面尺寸，而這樣一方面會(huì)使材料用量增加，造價(jià)較高；另一方面會(huì)減小建筑凈面積。型鋼混凝土(SRC)柱較鋼筋混凝土(RC)柱具有較高的承載力，所以將SRC柱應(yīng)用到框架結(jié)構(gòu)底部樓層，可以有效減小柱截面尺寸，進(jìn)而提高建筑物使用面積，同時(shí)SRC柱具有較好的變形能力，可以改善結(jié)構(gòu)的抗震性能，防止結(jié)構(gòu)在大震作用下倒塌[1-2]。

為了使高層建筑具有更好的經(jīng)濟(jì)性和安全性，可采用底部SRC柱、上部RC柱的SRC-RC豎向混合結(jié)構(gòu)。SRC-RC豎向混合結(jié)構(gòu)中過渡層柱的設(shè)計(jì)是保證建筑結(jié)構(gòu)抗震安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。我國的兩部行業(yè)規(guī)程[3-4]中均采用整層過渡法[5]進(jìn)行SRC柱到RC柱的轉(zhuǎn)換，這種增加一層或二層的SRC柱的方法在增加成本的同時(shí)使梁柱節(jié)點(diǎn)施工變得復(fù)雜，而且還可能導(dǎo)致過渡層的上移，無法從根本上解決過渡層剛度和承載力突變的問題，此種過渡形式在日本阪神地震中破壞較為嚴(yán)重[2]。隨著建筑科技的進(jìn)步，更多的高層建筑開始采用中間過渡法即進(jìn)行過渡層柱的設(shè)計(jì)，即將SRC柱中的型鋼延伸到一定高度(此高度小于層高)形成SRCRC轉(zhuǎn)換柱。目前，日本的此種結(jié)構(gòu)多采用中間過渡法進(jìn)行SRC柱到RC柱的轉(zhuǎn)換。

本文針對(duì)中間過渡法中型鋼延伸長度進(jìn)行分析研究，運(yùn)用PKPM軟件對(duì)8組具有不同型鋼延伸長度的SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元分析及動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，進(jìn)而確定具有較好抗震性能的型鋼延伸長度。

1 動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

我國現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，對(duì)于豎向不規(guī)則的結(jié)構(gòu)宜進(jìn)行薄弱部位的彈塑性位移驗(yàn)算，而彈塑性時(shí)程分析是進(jìn)行此位移驗(yàn)算的較好方法。彈塑性時(shí)程分析方法將結(jié)構(gòu)作為彈塑性振動(dòng)體系加以分析，直接按照地震波數(shù)據(jù)輸入地面運(yùn)動(dòng)，通過積分運(yùn)算，求得在地面加速度隨時(shí)間變化期間內(nèi)，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形隨時(shí)間變化的全過程，也稱為彈塑性直接動(dòng)力法。彈塑性動(dòng)力分析包括以下幾個(gè)步驟：(1)建立結(jié)構(gòu)的幾何模型并劃分網(wǎng)格；(2)定義材料的本構(gòu)關(guān)系，通過對(duì)各個(gè)構(gòu)件指定相應(yīng)的單元類型和材料類型確定結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和阻尼矩陣；(3)輸入適合本場地的地震波并定義模型的邊界條件，開始計(jì)算；(4)計(jì)算完成后，對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)結(jié)構(gòu)整體的可靠度做出評(píng)估。

2 不同型鋼延伸長度的SRC-RC豎向混合結(jié)構(gòu)模型建立

采用8個(gè)12層的SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)模型M4-1～M4-4、M5-1～M5-4進(jìn)行計(jì)算分析，8個(gè)結(jié)構(gòu)模型的底層層高均為3.9 m，其余層層高均為3.3 m，縱向和橫向框架柱距均為6 m，過渡層位置均選在第5層。其中，模型M4-1～M4-4的型鋼混凝土柱截面尺寸為800 mm×800 mm，內(nèi)部型鋼采用Ι50b，其含鋼率為4.03%，框架主梁截面尺寸為250 mm×500 mm，梁內(nèi)部型鋼采用Ι36c，次梁截面尺寸為250 mm×400 mm，次梁內(nèi)部型鋼采用Ι 25b；模型M5-1～M5-4的型鋼混凝土柱截面尺寸為800 mm×800 mm，內(nèi)部型鋼采用Ι56c，其含鋼率為5.63%，框架主、次梁截面同M4-1～M4-4。

所有模型梁柱節(jié)點(diǎn)均為剛接，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，抗震設(shè)防烈度7度(0.1g)，基本風(fēng)壓0.6 kN/m2，抗震等級(jí)為一級(jí)。模型數(shù)據(jù)如表1所示，M4-2模型過渡層如圖1所示。

表1 模型數(shù)據(jù)

圖1 模型M4-2過渡層示意圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

為了得到不同型鋼延伸長度下SRC-RC數(shù)豎向混合框架結(jié)構(gòu)在多遇地震和罕遇地震作用下的反應(yīng)，運(yùn)用PKPM軟件中的SATWE有限元分析模塊和EPDA＆PUSH彈塑性分析模塊對(duì)8個(gè)模型分別進(jìn)行了計(jì)算分析。在對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)Y方向輸入加速度值為220 cm/s2的10條地震波進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析。

3.1 多遇地震作用下各模型的計(jì)算結(jié)果分析

運(yùn)用SATWE有限元分析模塊，采用振型分解反應(yīng)譜法來計(jì)算多遇地震作用下的水平地震作用，其結(jié)果見表2。

表2 多遇地震作用下模型計(jì)算結(jié)果

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在相同含鋼率的條件下，基底剪力隨過渡層處型鋼延伸長度的增加而增加，型鋼延伸長度從0.3倍柱高增大到0.8倍柱高，基底剪力最大增加1.12 kN，增幅為0.064%；頂層最大位移基本無變化；第6層的層間位移隨著型鋼延伸長度的增加漸降低，最大差值為1.14 mm，說明型鋼延伸長度越長，過渡層處的層間側(cè)移越小。為了進(jìn)一步確定在多遇地震作用下不同型鋼延伸長度對(duì)結(jié)構(gòu)過渡層處水平抗剪承載力的影響，需對(duì)過渡層處的剪力差值進(jìn)行分析，具體結(jié)果見表3。

表3 過渡層處層間剪力差值(k N)

從表3可知，在含鋼率為4.03%、型鋼延伸長度從0.3倍柱高增加到0.8倍柱高時(shí)，第6層層間剪力與第5層層間剪力差值從104.16增加到115.92，增幅為11.29%；在含鋼率為5.36%、型鋼延伸長度從0.3倍柱高增加到0.8倍柱高時(shí)，第6層層間剪力與第5層層間剪力差值從104.82增加到116.8，增幅為11.43%，說明在相同含鋼率下，過渡層相鄰兩層的層間剪力差值隨著型鋼延伸長度的在增加而增加，即型鋼延伸長度的增加會(huì)加大過渡層處水平承載力的突變。

3.2 罕遇地震作用下各模型的計(jì)算結(jié)果分析

運(yùn)用EPDA＆PUSH彈塑性分析軟件對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)Y方向輸入加速度值為220 cm/s2的10條地震波，分別進(jìn)行了10組動(dòng)力時(shí)程分析，經(jīng)過對(duì)比分析，選出具有最大時(shí)程響應(yīng)的剪力與位移，并運(yùn)用靜力彈塑性分析方法計(jì)算結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)，具體計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 罕遇地震作用下模型計(jì)算結(jié)果

由表4可以看出，含鋼率為4.03%、型鋼延伸長度從0.3倍柱高增加到0.8倍柱高時(shí)，基底剪力減小54 kN，含鋼率為5.36%、型鋼延伸長度從0.3倍柱高增加到0.8倍柱高時(shí)，基底剪力減小27 kN，說明在罕遇地震作用下，隨著型鋼延伸長度的增加，結(jié)構(gòu)的水平抗剪能力有所提高。

第6層的層間位移隨著型鋼延伸長度的增加而降低，最大差值為7.9 mm，減幅為4.43%，而位移延性系數(shù)[6]則隨著型鋼延伸長度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，詳細(xì)情況見圖2。

圖2 模型延性系數(shù)變化曲線

從圖2可以看出，兩種含鋼率下模型的延性系數(shù)表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，均隨著型鋼延伸長度增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，型鋼延伸長度為0.6倍柱高時(shí)延性系數(shù)最大，延伸長度為0.8倍柱高時(shí)延性系數(shù)減小，說明型鋼延伸長度取0.6倍柱高時(shí)結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的延性最好，具有較好的抗倒塌能力。

4 結(jié)論

(1)在多遇地震作用下，基底剪力隨型鋼延伸長度的增加而增加，過渡層處層間位移隨型鋼延伸長度的增加而減小，說明隨著型鋼延伸長度的增加，結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力隨之提高。

(2)在罕遇地震作用下，基底剪力和過渡層處層間位移隨型鋼延伸長度的增加而減小，位移延性系數(shù)隨型鋼延伸長度的增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，并且當(dāng)型鋼延伸長度為0.6倍柱高時(shí)，位移延性系數(shù)達(dá)到最大值，表明此時(shí)結(jié)構(gòu)具有較好的抗倒塌能力，即0.6倍柱高為型鋼較為合理的延伸長度。

(3)含鋼率分別為4.03%和5.36%兩種情況下，隨著型鋼延伸長度增加而引起的結(jié)構(gòu)反應(yīng)表現(xiàn)出較一致的變化規(guī)律。