柱頂滑移鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)抗震性能分析

魏念榮

(甘肅建投生態(tài)建設(shè)集團(tuán)有限公司,甘肅 蘭州 730050)

近年來,由于地震等自然災(zāi)害頻發(fā),高層建筑存在可能坍塌的隱患。為了有效提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能,需要采取專業(yè)有效的對策?？蒲腥藛T通常會采取柱頂滑移鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工,此種結(jié)構(gòu)具備一定的優(yōu)勢,但是在地震發(fā)生后,該結(jié)構(gòu)也容易受到巨大能量沖擊波的影響,其抗震性能也與一些可變動因素有關(guān),只有詳細(xì)分析框剪結(jié)構(gòu)在不同情況下的抗震效果,才能夠為后續(xù)的抗震工作提出指導(dǎo)意見。

1 工程概況

某建筑工程為用于辦公的九層建筑樓工程,建筑結(jié)構(gòu)是鋼筋混凝土框架與剪力墻結(jié)構(gòu),梁板、梁柱以及剪力墻都需要進(jìn)行現(xiàn)澆鋼筋混凝土施工,在縱向利用鋼筋進(jìn)行捆扎,不同樓層所使用的混凝土強(qiáng)度等級有所差異。結(jié)構(gòu)的剪力墻布置在整體結(jié)構(gòu)的中間電梯井部位以及四個方向的角落,因此電梯井與剪力墻呈現(xiàn)U形分布的勢態(tài),而在四個角上分布的剪力墻則呈現(xiàn)出整齊的L形。在x軸方向共有9塊,y軸方向共有3塊,在結(jié)構(gòu)縱軸方向不同區(qū)域的框架柱兩側(cè)拐角也設(shè)置了不同的剪力墻結(jié)構(gòu),總體來說,該建筑結(jié)構(gòu)的平面形狀較為簡單且規(guī)則對稱,在力學(xué)性能上具備較為良好的特性,能夠達(dá)到較強(qiáng)的剛度,承載力分布均勻,能夠減少重心的偏移。

2 柱頂滑移框剪結(jié)構(gòu)抗震性能分析思路

隨著對這種結(jié)構(gòu)的研究逐漸深入,發(fā)現(xiàn)柱頂滑移鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)具備更好的抗倒塌能力,能承擔(dān)絕大多數(shù)的結(jié)構(gòu)自重,在遇到不同類型的地震時發(fā)揮出更優(yōu)良的性能?？蚣艚Y(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 框剪結(jié)構(gòu)示意

目前,框剪結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路是使其具備較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗震承載力,并且具備良好的延展性?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)具有獨特的優(yōu)勢,在水平或垂直方向的荷載力作用下,其彎剪的曲線有所區(qū)別。在不同時期,科學(xué)家對于柱頂滑移鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)的抗震性能的分析方法也有所區(qū)別[1]。首先是從結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及位移響應(yīng)角度出發(fā),或者采取擬合動力試驗的形式。隨著科研水平的不斷提升,其所獲得的推導(dǎo)計算公式也越來越精確,擬合的數(shù)值越來越精準(zhǔn),對其性能評估的效果越來越好,可以通過不同模式下的框剪結(jié)構(gòu)計算結(jié)果以及其對應(yīng)的反應(yīng)譜計算結(jié)果進(jìn)行分析。現(xiàn)如今,可以從其結(jié)構(gòu)變形的角度出發(fā),研究結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同地震波作用力下,框剪結(jié)構(gòu)自身彈性、靜力彈塑性、彈塑性動力的變化結(jié)果,其高度和水平側(cè)移也會發(fā)生相應(yīng)變化。研究位移變形曲線能夠有效分析出抗震性能的變化(見圖2)。

圖2 不同結(jié)構(gòu)的變形曲線

3 框剪結(jié)構(gòu)抗震計算分析

3.1 框剪結(jié)構(gòu)彈性計算分析

首先對框剪結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行分析,在出現(xiàn)地震等地質(zhì)變動時,由于震動力的作用,結(jié)構(gòu)內(nèi)部的動力響應(yīng)效果往往取決于結(jié)構(gòu)自身的固有特性以及該地震震動的具體特征。一般來說,低階振型會對框剪結(jié)構(gòu)的動力特性造成較大的影響。通過結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析,屬于擬合動力分析法,采取精準(zhǔn)測算過的方程式來計算各個質(zhì)點在地震發(fā)生時的響應(yīng)反應(yīng)譜。反映出的分析數(shù)據(jù)也要通過獲取結(jié)構(gòu)樓層的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行測算,獲取位移以及層間位移角的數(shù)據(jù)時,要結(jié)合實際的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。通常來說,在外部荷載作用力下,樓層產(chǎn)生的位移主要取決于側(cè)移的大小,而層間位移角指的是樓層間的水平位移與層高的比例。通過模擬測算的方式,輸出各層節(jié)點相應(yīng)的位移變化情況,獲得模擬分析的結(jié)果,位移變化曲線能夠展示出各層的情況,在y軸的反應(yīng)譜下計算出框架剪力墻結(jié)構(gòu)不同樓層的位移數(shù)值。

3.2 框剪結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析

一般情況下,采用振型分解反應(yīng)譜的形式或者底部剪力法,都可以對小范圍震動情況下的框剪結(jié)構(gòu)變化情況進(jìn)行測算,但當(dāng)發(fā)生了嚴(yán)重或罕見的地震時,此種方式無法準(zhǔn)確估計抗震性能,因為很多框剪結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入了彈塑性階段。這種情況下,可以首先通過側(cè)向力加載的模式來對其彈塑性進(jìn)行分析,三種常見的側(cè)向力加載模式為均勻分布、倒三角分布和拋物線分布。不同的分布情況,其結(jié)構(gòu)在水平和垂直方向上的速度變化和位移變化存在一定的差別。此外,還可以通過構(gòu)件的單元塑性行為進(jìn)行判斷,利用特定的專業(yè)性數(shù)據(jù)分析軟件來對框架結(jié)構(gòu)的模型構(gòu)件進(jìn)行非線性分析。

3.3 框剪結(jié)構(gòu)彈塑性動力時程分析

建立起框架剪力墻結(jié)構(gòu)的彈塑性分析模型,根據(jù)該工程所處的建筑地的實際情況,選取合適的特征周期,通常來說,要判定場地的類別、抗震設(shè)施的強(qiáng)度、地震加速度等。以實際發(fā)生過的地震中的地震波數(shù)據(jù)作為參考,模擬出一條時程曲線。所選取的地震波要真實且準(zhǔn)確,并且具有一定的代表性,促使后續(xù)的測算結(jié)果能夠更好地預(yù)判空間結(jié)構(gòu)薄弱部位的實際情況,再根據(jù)框剪結(jié)構(gòu)的構(gòu)件類別以及受力情況、性能分析結(jié)果、材料性質(zhì)等參數(shù),選取合適的結(jié)構(gòu)恢復(fù)力模型[2]。通過模擬構(gòu)件在地震情況下的力學(xué)行為,不斷提升整體計算模型的精確性,最終結(jié)合彈塑性分析模型分析平衡方程,進(jìn)行動力時程的詳細(xì)分析。

4 柱頂滑移鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)抗震性能

4.1 滑移柱方案布置

地震通常會對梁柱造成較為嚴(yán)重的破壞,因此滑移柱往往也承受著因荷載擴(kuò)大而造成的破壞力,進(jìn)而可能會導(dǎo)致框架中的梁柱截面被迫增大。在遇到強(qiáng)度較大的罕見地震時,如果結(jié)構(gòu)角度被損壞,也會降低框架結(jié)構(gòu)的抗震能力?；浦鶗艿娇蚣艚Y(jié)構(gòu)中剪力墻位置及數(shù)量變化的影響,因此對本工程抗震性能的分析主要是歸納了滑移柱的不同布置方式,綜合給出三種框剪結(jié)構(gòu)模式,并根據(jù)不同方案的條件,在不同的地震波作用下,研究其框剪結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的情況。柱頂滑移鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 柱頂滑移鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)示意

4.2 柱頂滑移支撐實現(xiàn)

滑移柱頂會和相鄰的節(jié)點進(jìn)行連接,其所形成的力學(xué)模型(見圖4)是比較穩(wěn)固的,通常還會包括摩擦單元,需要充分考慮滑移柱在接受摩擦的情況下所能夠達(dá)到的高度,結(jié)合不同層面的框剪結(jié)構(gòu),對小型振動情況下的柱頂滑移模型進(jìn)行驗證分析。在出現(xiàn)大型地震時,摩擦處可能會出現(xiàn)起滑現(xiàn)象。框剪結(jié)構(gòu)中不同部位的滑移柱所承受荷載大小不同,因此往往也會產(chǎn)生不同的摩擦力[3]?；浦慕侵瓦呏ǔ惺茌^小的豎向荷載,摩擦力也會更小,但是中柱所承擔(dān)的荷載會比較大,摩擦力也相對較大,可以通過降低摩擦系數(shù)來確保梁柱的完整。由于模擬系數(shù)可能會對分析結(jié)果造成一定的影響,為了保證分析結(jié)果的相對準(zhǔn)確性,在此后的試驗中,將摩擦系數(shù)取為定值。

圖4 滑移柱頂節(jié)點連接力學(xué)模型

4.3 滑移柱布置前后結(jié)構(gòu)樓層計算分析

研究在多遇地震Chi-Chi波動作用下,各個框架混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)垂直于水平方向上的最大樓層側(cè)移數(shù)值,根據(jù)實驗的數(shù)據(jù)可知,三個框剪結(jié)構(gòu)在垂直和水平兩個主軸方向上的最大樓層側(cè)移數(shù)值,與最開始形成的原先結(jié)構(gòu)的側(cè)移差值會根據(jù)指標(biāo)的增加而改變,比如隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的增大,側(cè)移差值也會隨之增大,直至增至最大差值。這也表明,滑移柱的布置方式在發(fā)生多遇地震Chi-Chi波動的情況下,會對框剪結(jié)構(gòu)的側(cè)移數(shù)值造成影響。通常情況下,主軸方向的側(cè)移會有所減少,垂直方向的側(cè)移減小程度會比水平方向的大。三個框剪結(jié)構(gòu)在橫縱向的側(cè)移曲線都在逐漸上升,并且曲線趨于重疊。在不同的布置方向上,其側(cè)移豎直的變化走向和差值也基本相通。除此之外,在多遇地震Whittier Narrows波的作用下,三種框剪結(jié)構(gòu)會隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的遞增而出現(xiàn)側(cè)移差值增大的現(xiàn)象。這說明在此種布置情況下,垂直方向的樓層側(cè)移減小程度還是大于水平方向,整體曲線逐漸上升,側(cè)移數(shù)據(jù)也基本相同。在多遇地震Art Wave波的作用下,框剪結(jié)構(gòu)在水平與垂直方向上的樓層側(cè)移數(shù)值以及側(cè)移曲線發(fā)生了一些細(xì)微的變化[4]。三種框架結(jié)構(gòu)的試驗結(jié)果顯示,不管是水平還是垂直方向上的這一數(shù)值與原結(jié)構(gòu)的側(cè)移差值,都會受到結(jié)構(gòu)層數(shù)的影響,層數(shù)增加,其側(cè)移差值也會增大。在不同的滑移柱的布置情況下,多遇地震的Art Wave波對框剪結(jié)構(gòu)的影響呈現(xiàn)著不一樣的走勢,其側(cè)移數(shù)值變化曲線幾乎達(dá)到了重疊。當(dāng)曲線數(shù)值到達(dá)結(jié)構(gòu)頂部時,其差值也達(dá)到了最大?；浦贾梅绞綄λ较虻奈灰祈憫?yīng)基本達(dá)到一致,垂直方向的側(cè)移數(shù)值基本相同,所以滑移柱的布置方式能有效降低框剪結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)移程度,且可通過調(diào)整布置形式,將樓層側(cè)移的變化方向調(diào)整至更加適宜的水平,以確保在不同的多遇地震情況下,抗剪結(jié)構(gòu)都能夠具備較強(qiáng)的抗倒塌能力,能夠在實際的震動中保持更加優(yōu)良的抗震抗壓性能。

4.4 滑移柱布置前后樓層剪力計算分析

首先,分析在Chi-Chi波作用下框剪結(jié)構(gòu)在水平與垂直方向上的層間剪力,不同樓層之間的最大層間剪力有所區(qū)別,根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)可知,在此地震波作用下,三個框剪結(jié)構(gòu)在水平和垂直的主軸方向上能夠達(dá)到的最大層間剪力都小于原先結(jié)構(gòu)的層間剪力,最大層間剪力的數(shù)值在不同程度上有所區(qū)別。除此之外,水平和垂直方向上的層間剪力相對于原先的結(jié)構(gòu)而言,柱頂滑移框剪結(jié)構(gòu)的下降幅度也基本相同,所以可以得出結(jié)論:不同布置方式對于層間剪力的影響通常不大。在地震作用波的作用力下,框剪結(jié)構(gòu)在水平和垂直方向上的最大層間剪力下降幅程度不同,垂直方向上的降幅程度會比水平方向上的更優(yōu)。除此之外,布置滑移柱后,滑移柱框剪結(jié)構(gòu)中的剪力下降幅度會更為明顯。在多遇地震Whittier Narrows波的作用下,同樣可以得出各個柱頂滑移框剪結(jié)構(gòu)在水平和垂直方向上的層間剪力下降幅度,與原先結(jié)構(gòu)的下降幅度基本相同的結(jié)論。不同的布置方式對層間剪力的差值影響不會太大,尤其是針對框架混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的基底剪力而言,下降幅度基本一致,但是水平方向的下降幅度會比垂直方向的降幅程度更加顯著。層間剪力降幅最大的情況基本都出現(xiàn)在框剪結(jié)構(gòu)的中部,并且也是在布置了滑移柱后,整體框剪結(jié)構(gòu)的樓層剪力下降幅度最為明顯。在多遇地震Art Wave波的作用下,三個框架混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)受到滑移柱不同布置方式的影響也不大,這種情況下,與原結(jié)構(gòu)相比,框剪結(jié)構(gòu)在水平方向上降幅為15%,垂直方向上的框剪結(jié)構(gòu)下降幅度為7%。最大的降幅通常出現(xiàn)在框剪結(jié)構(gòu)的中部,屬于布置中滑移柱結(jié)構(gòu)之后,其整體樓層的剪力下降幅度才更為明顯。通過上述分析可知,在不同的地震波作用下,滑移柱的布置形式能夠?qū)Y(jié)構(gòu)樓層的剪力造成影響,恰當(dāng)?shù)牟贾梅绞侥軌蛴行Ы档涂蚣艚Y(jié)構(gòu)的樓層剪力,而且通常來說,中部和上部的樓層其剪力下降幅度更為明顯。

5 結(jié)語

近年來,隨著地震活躍度的持續(xù)增加,很多建筑結(jié)構(gòu)都會因為地震受到不同程度的破壞,為了不斷提升框剪結(jié)構(gòu)的抗震性能,需要采取新型專業(yè)技術(shù)。因優(yōu)勢明顯,越來越多的建筑工程采用柱頂滑移鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu),對其抗震性能進(jìn)行分析,在遇到不同的地震波作用力下,框剪結(jié)構(gòu)自身彈性、靜力彈塑性、彈塑性動力時程的變化。高度的改變和水平側(cè)移也會發(fā)生相應(yīng)的變化,研究位移變形曲線能夠有效分析出抗震性能的變化。