采用水泥基復(fù)合材料（ECC）的高層建筑抗震連梁設(shè)計(jì)研究

唐英豐

（廣州珠江外資建筑設(shè)計(jì)院有限公司 廣州 510060）

0 引言

連梁作為一種重要的耗能構(gòu)件在高層剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)中非常常見，用于將不同的墻肢約束起來，具有保護(hù)和調(diào)節(jié)剪力墻剛度和強(qiáng)度的作用。在地震作用時(shí)，連梁是抗震的“第一道防線”，起到重要的耗能作用［1-3］，大大減少剪力墻內(nèi)力，延緩剪力墻屈服。工程用水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious Composites，簡(jiǎn)稱ECC）是一種具有應(yīng)變硬化特性和多縫開裂特征的高韌性纖維增強(qiáng)復(fù)核材料［4］，具有優(yōu)異的裂縫控制能力和能量吸收能力，經(jīng)適當(dāng)設(shè)計(jì)后，可大大提高連梁抗震性能和震后可修復(fù)性。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

本文以1 棟26 層框架-核心筒結(jié)構(gòu)為例，主體結(jié)構(gòu)總高度98.85 m，其中首層、2 層和屋面機(jī)房層層高分別為5.0 m、4.5 m和5.5 m，其他樓層層高均為3.6 m，不考慮地下室。標(biāo)準(zhǔn)層總平面為48.1 m×30.0 m，角柱截面為1 000 mm×1 500 mm，邊柱截面為700 mm×1 200 mm，其他柱截面為700 mm×1 000 mm，核心筒平面為21.3 m×8.3 m，剪力墻墻厚200 mm，底部加厚至300 mm。核心筒連梁高800 mm，邊框梁高1 000 mm，其他框梁高800 mm。塔樓標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖1 所示，YJK和ETABS結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖1 塔樓標(biāo)準(zhǔn)層平面布置Fig.1 Tower Standard Floor Plan

圖2 YJK 和ETABS 結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure Model of YJK and ETABS

1.2 地震作用

本工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g，場(chǎng)地土類別為Ⅱ類。結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為二級(jí)。地震動(dòng)參數(shù)取值如表1所示［5］。

表1 地震動(dòng)參數(shù)取值Tab.1 Ground Motion Parameter Value

1.3 ECC本構(gòu)

本文ECC 的本構(gòu)模型通過試驗(yàn)獲得［4］，配合比（kg/m3）采用水泥∶粉煤灰∶石英砂∶PVA纖維∶水∶減水劑∶增稠劑=357∶832∶393∶291∶7.3∶0.59∶26。PVA 纖維采用K-IIREC15×12型纖維。通過軸心抗壓試驗(yàn)和單軸拉伸試驗(yàn)分別獲得ECC 軸心抗壓和單軸拉伸全曲線。ECC 材料軸心抗壓全曲線與混凝土類似，軸心抗壓強(qiáng)度47.8 MPa，峰值壓應(yīng)變0.003 36，彈性模型18 GPa。單軸拉伸全曲線如圖3 所示，受拉初裂強(qiáng)度3.32 MPa，受拉初裂應(yīng)變0.001 5，極限抗拉強(qiáng)度5.31 MPa，極限受拉應(yīng)變0.057 2。經(jīng)簡(jiǎn)化后得到ECC 本構(gòu)模型［6-9］，如圖4所示。

圖3 ECC單軸拉伸試驗(yàn)全曲線Fig.3 The Full Curve of ECC’s Uniaxial Tensile Test

圖4 ECC本構(gòu)模型Fig.4 ECC Constitutive Model

2 結(jié)算結(jié)果分析

本文將ECC 材料應(yīng)用于核心筒區(qū)連梁，分別在多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震情況下對(duì)比結(jié)構(gòu)層間位移角、基底剪力和樓層加速度。地震波選取1 條人工波ArtWave 和2 條天然波BorregoMtn 波、Kocaeli 波，地震波反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對(duì)比如圖5所示。

圖5 地震波反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對(duì)比Fig.5 Comparison between Seismic Wave Response Spectrum and Standard Response Spectrum

2.1 YJK與ETBAS模型對(duì)比

計(jì)算模型為三維有限元模型，樓板均采用剛性樓板假定。YJK4.0 和ETABS 模型在多遇地震下質(zhì)量、周期對(duì)比結(jié)果如表2，樓層剪力對(duì)比結(jié)果如圖6 所示。由此可知YJK 模型與ETABS 模型吻合較好，驗(yàn)證了ETABS模型的正確性，可用于將ECC材料應(yīng)用于核心筒區(qū)連梁的模型計(jì)算。

圖6 樓層剪力對(duì)比Fig.6 Comparison of Floor Shear Force

表2 模型周期和質(zhì)量對(duì)比Tab.2 Period and Quality Comparison of Models

2.2 普通連梁結(jié)構(gòu)與ECC連梁結(jié)構(gòu)性能對(duì)比分析

2.2.1 周期與剛度

普通連梁結(jié)構(gòu)與ECC 連梁結(jié)構(gòu)在的周期對(duì)比和剛重比，如表3和表4所示。

表3 周期對(duì)比Tab.3 Period Comparison

表4 剛重比Tab.4 Stiffness-gravity Ratio

結(jié)果顯示，由于本高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)的連梁均為X方向，在X方向的連梁使用ECC 材料后，該方向的周期從2.566 s 增加至2.699 s，增加了5.183%，Y方向周期無(wú)明顯變化。

ECC 材料的彈性模量低于混凝土材料，重度約混凝土材料的0.76 倍。由表4 可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)X方向的剛重比變化明顯，從4.401 變化至3.978，減小了9.612%，Y方向幾乎無(wú)變化。由此可見ECC 連梁使得結(jié)構(gòu)的剛度有明顯降低。

因此對(duì)后文的層間位移角、基底剪力和樓層加速度對(duì)比僅對(duì)X方向進(jìn)行分析，Y方向無(wú)明顯影響。

2.2.2 層間位移角

普通連梁結(jié)構(gòu)與ECC 連梁結(jié)構(gòu)在多遇地震和罕遇地震下，結(jié)構(gòu)層間位移角對(duì)比如圖7、圖8所示。

圖7 多遇地震下結(jié)構(gòu)層間位移角Fig.7 The Inter-story Displacement Angle under Frequent Earthquakes

圖8 罕遇地震下結(jié)構(gòu)層間位移角Fig.8 The Inter-story Displacement Angle under Rare Earthquakes

通過在多遇地震和罕遇地震下的層間位移角對(duì)比圖可以發(fā)現(xiàn)，最大樓層位移角位于5～8 層，將ECC替代核心筒處連梁的混凝土后，結(jié)構(gòu)的X向?qū)娱g位移角明顯降低，各工況下路層位移角平均降低6.75%，最大降低15.2%，結(jié)構(gòu)滿足彈性層間位移角限值1/800和彈塑性層間位移角限值1/100要求?？梢娫摻Y(jié)構(gòu)在使用ECC 材料后，X方向剛度降低的情況下，結(jié)構(gòu)的層間位移角仍然得到了有效的降低，為結(jié)構(gòu)增加安全性和舒適性，滿足“大震不倒”要求。

2.2.3 基底剪力

普通連梁結(jié)構(gòu)與ECC 連梁結(jié)構(gòu)在多遇地震和罕遇地震下，結(jié)構(gòu)基底剪力對(duì)比如圖9所示。

根據(jù)圖9 可以發(fā)現(xiàn)，在核心筒連梁使用ECC 材料后，在多遇地震和罕遇地震下結(jié)構(gòu)的X方向基底剪力得到了大幅度的降低，降低百分比在8.18%～22.4%范圍內(nèi)，效果極為顯著。這是由于使用ECC 材料后，結(jié)構(gòu)的剛度有較大減少，使得結(jié)構(gòu)更具有柔性，從而降低了結(jié)構(gòu)的基底剪力，能減小底部剪力墻破壞的風(fēng)險(xiǎn)，有助于結(jié)構(gòu)整體承載力的提升。

圖9 多遇地震和罕遇地震下結(jié)構(gòu)基底剪力Fig.9 Structural Base Shear Force under Frequent Earthquakes and Rare Earthquakes

2.2.4 樓層加速度

由圖10 可知，在多遇地震和罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的X向樓層加速度有著明顯的降低，樓層越高，降低幅度越大，最大可達(dá)到18.85%。這是由于ECC 材料具有較強(qiáng)的應(yīng)變硬化能力，并具有接近0.171%的阻尼比［10］，在不斷開裂中吸收地震力，消耗地震能量。ECC 材料具有多裂縫開展的特征［11-15］，增強(qiáng)了連梁的耗能能力，提高了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

圖10 多遇地震下結(jié)構(gòu)樓層加速度Fig.10 Story Acceleration under Frequent Earthquakes and Rare Earthquakes

3 結(jié)論

⑴在高層結(jié)構(gòu)中的連梁使用ECC 材料后，結(jié)構(gòu)的剛度有著較為明顯的降低，同時(shí)周期有所增加，從而減小了結(jié)構(gòu)的地震力，結(jié)構(gòu)的基底剪力得到了有效的降低，能減小底部剪力墻破壞的風(fēng)險(xiǎn)，有助于結(jié)構(gòu)整體承載力的提升。

⑵高層結(jié)構(gòu)的連梁使用ECC 材料后，在結(jié)構(gòu)剛度降低的情況下，多遇地震和罕遇地震下的層間位移角有著明顯降低，各工況下路層位移角平均降低6.75%，最大降低15.2%，結(jié)構(gòu)滿足彈性層間位移角限值1/800 和彈塑性層間位移角限值1/100 要求，達(dá)到“大震不倒”要求。

⑶ECC 材料具有較強(qiáng)的應(yīng)變硬化能力，并具有較高的阻尼比，在不斷開裂中吸收地震力，消耗地震能量從而使得結(jié)構(gòu)在多遇地震和罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的樓層加速度有著明顯的降低。ECC 材料具有的多裂縫開展特征，增強(qiáng)了連梁的耗能能力，提高了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。