新型斜柱轉換結構的抗震性能分析*

楊 磊，申 波*，周世明，何 智 謝宗言

(1 貴州大學 空間結構研究中心，貴州 貴陽 550003；2貴州省建筑設計研究院有限責任公司,貴州 貴陽 550003)

新型斜柱轉換結構的抗震性能分析*

楊 磊1，申 波1*，周世明2，何 智1謝宗言1

(1 貴州大學 空間結構研究中心，貴州 貴陽 550003；2貴州省建筑設計研究院有限責任公司,貴州 貴陽 550003)

為了研究新型斜柱轉換結構的抗震性能影響，對五榀不同肢厚比的新型斜柱轉換結構進行豎向荷載和水平低周期反復荷載共同作用下的受力性能分析，分析試件的破壞形態、滯回曲線、骨架曲線、承載能力、位移延性及剛度退化。研究結果表明：當肢厚比控制在8.5～9.5之間，能取得良好的耗能性能，下部框架梁主要受拉，建議設計時加強配筋并通長布置。

新型斜柱轉換結構；肢厚比；破壞形態；滯回曲線；位移延性

近年來鋼筋混凝土斜柱轉換結構的研究進展迅速，文獻[1-5]對其進行了一系列的理論分析和試驗研究，研究表明合適的肢厚比可以使結構有較好的抵抗水平荷載的能力，更容易實現“強柱弱梁，強剪弱彎”的抗震設計原則。然而該傳統斜柱轉換結構的延性及耗能均低于鋼筋混凝土梁式轉換，斜柱間轉換梁凈跨段損傷較嚴重。鑒于此，文獻[6]提出了帶型鋼的新型斜柱轉換結構，其由型鋼混凝土斜柱、部分型鋼混凝土轉換梁、鋼筋混凝土框支柱組成。本文結合實際工程通過5榀不同肢厚比的新型斜柱轉換結構進行水平低周期反復加載理論分析，研究不同肢厚比對新型斜柱轉換結構的抗震性能影響，為新型斜柱轉換結構的應用提供一定的理論依據。

1 模型建立

1.1 有限元分析模型來源

為研究不同肢厚比對新型斜柱轉換結構的抗震性能影響，選取了貴州某地區帶核心筒的框支剪力墻結構為有限元分析模型來源。選取型鋼混凝土轉換梁與型鋼混凝土斜柱匹配的剛度值，確定實際工程中型鋼混凝土轉換梁和型鋼混凝土斜柱的截面尺寸。該實際工程采用PKPM軟件整體建模分析，然后用PKPMSAP對計算結構進行復核。最終選取一榀轉換層及其上下層的單跨模型，建立不同肢厚比的新型斜柱轉換結構的有限元模型。試件ZHB8尺寸如圖1。

圖1 有限元分析模型試件ZHB8尺寸圖

按照模型ZHB8為基準建立其它四榀肢厚比有限元分析模型，保持參數不變，只改變上部剪力墻墻肢厚度并保持其它參數不變，如表1所示。

表1 不同肢厚比模型試件情況

注：匹配剛度比表示型鋼混凝土轉換梁與型鋼混凝土斜柱線剛度的比值[6]。

1.2 ABAQUS有限元模型

鋼筋的本構關系采用理想彈塑性模型，模型的混凝土本構關系來源于我國《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)附錄C.2條所規定的混凝土單軸應力—應變關系[7]。 混凝土損傷因子分別按式(1)，(2)計算[9-11]：

受拉損傷因子Dt：

(1)

受壓損傷因子Dc：

(2)

膨脹角、偏心率、Kc、fbo/fco和粘性系數的參數選取見下表2

表2 混凝土損傷塑性模型相關參數

1.3 模型建立過程

混凝土采用三維實體單元C3D8R，鋼筋采用三維線性桁架單元T3D2，型鋼采用實體單元C3D10。根據混凝土、鋼筋，以及型鋼的不同特征建立相應的部件，定義材料屬性，混凝土采用C55，密度取2400kg/m3，彈性模量取為3.55×104MPa，泊松比取為0.2，塑性的取值按照表2取值，損傷部分參數選取見表3。 鋼筋采用HRB400，鋼材HRB400，密度取為7800kg/m3，彈性模型2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服應力235MPa。

表3 ABAQUS中混凝土損傷塑性受壓受拉應力—應變損傷參數

把各個部件按著模型中不同的坐標進行裝配定位，然后把鋼筋和型鋼嵌入到混凝土中，然后建立一個參考點RP-1耦合到連梁梁端，用以施加低周期水平往復荷載。裝配完成之后以ZHB8為例示意圖如圖2：

(a) 試件ZHB8整體模型 (b) 試件ZHB8混凝土模型 (c)試件ZHB8鋼筋骨架模型 (d) 試件ZHB8型鋼骨架模型圖2 試件ZHB8有限元模型

分析模型創立之后，對其進行創建分析步，添加邊界條件，施加荷載，對基座梁添加固定約束，豎向荷載由上部剪力墻的0.3軸壓比計算得出荷載為1.065×107N/m2。水平荷載在參考點RP-1出施加，采用位移控制施加水平往復荷載，直到試件破壞的水平位移加載曲線見下圖3。

圖3 加載曲線

2 不同肢厚比有限元結果分析

2.1 新型斜柱轉換結構的加載過程分析

新型斜柱轉換結構各試件的應力、應變發展趨勢和破壞形態，和試件ZHB8大體一致?，F以試件ZHB8為例，簡要分析各試件的有限元模擬過程。

試件ZHB8豎向荷載加載完成后，豎向荷載施加完畢之后豎向變形符合預期，壓縮變形從剪力墻到基座梁逐漸變小。剪力墻底部外側混凝土壓應力最大，框架梁和斜柱與框支柱之間的轉換梁下部受拉較嚴重，型鋼的應力分布左右對稱且應力值較小，最大Mises應力值為52.31 MPa，分布在型鋼的左右斜柱柱腳處。當豎向荷載施加完后，對試件施加水平低周期往復荷載。在水平荷載的加載前期，框架梁混凝土塑性應變較大并首先屈服，接著連梁兩端的混凝土屈服，隨后斜柱與轉換梁連接處轉換梁的底部混凝土屈服，此后試件ZHB8的框支柱與轉換梁的連接部位混凝土塑性應變逐漸增大。水平位移增大到一定階段，試件達到最大承載力，此時框架梁梁端混凝土裂縫較多并逐漸增大向跨中發展；連梁梁端出現裂縫，且連梁受壓區混凝土塑性變形較大；框支柱和轉換梁連接部位轉換梁混凝土裂縫發展較多；斜柱與轉換梁連接部位、斜柱和框支柱連接部位以及框支柱柱底混凝土塑性應變迅速增大，開始出現裂縫；剪力墻底部混凝土塑性應變較大，且逐漸向剪力墻中間部位發展。水平位移加載的后期，當承載力下降到最大承載力的85%時，認為試件已經破壞。試件破壞時，轉換梁上裂縫較多，轉換梁和框支柱連接部位混凝土裂縫發展豐富；斜柱與轉換梁、斜柱與框支柱出現少量裂縫，框支柱柱底外側裂縫發展豐富，框支柱與框架梁連接部位框支柱的外側裂縫也較多，剪力墻裂縫相對較少。剪力墻、轉換梁與框支柱連接部位、框支柱柱底外側的混凝土壓縮損傷很嚴重，損傷因子都在0.9以上。從損傷程度來看，轉換梁出現塑性鉸早于柱鉸，試件破壞主要是由于轉換梁與框支柱連接部位出現梁鉸后，試件承載力下降，最后框支柱出現塑性鉸，導致試件破壞。

2.2 滯回曲線及骨架曲線

2.2.1 滯回曲線

各試件模型計算完成后，在ABAQUS后處理中，提取各模型試件里耦合點RP-1的力與位移值，并將力與位移擬合在同一坐標中，得到試件的滯回曲線。6個模型試件的滯回曲線如圖4所示。

圖4 不同肢厚比試件滯回曲線

由圖可知，試件的滯回曲線有如下特點：

(1)加載初期，各試件均處于彈性階段，加載與卸載過程中滯回曲線基本呈直線，殘余變形較小，滯回環包絡的面積較小。隨著位移的增大，材料受力開始進入塑性階段，滯回曲線出現彎曲狀態，且剛度隨位移加載的增加而降低；材料進入塑性后，卸載后試件殘余變形較大，其滯回環所圍面積逐漸增大。隨著推覆位移的進一步增加，試件達到極限承載力，隨后，承載力開始下降直到破壞。當試件承載力下降到極限承載力的一定值時，認為模型試件破壞，本次有限元模擬結束。

(2)試件的滯回曲線正反方向加載時基本對稱，曲線呈梭形且都比較飽滿，有較好的抗震性能。試件ZHB8、ZHB10的滯回曲線反向加載時滯回曲線的荷載峰值下降比正向快，說明反向加載時剛度退化較快。

(3)比較這5個試件可知，試件ZHB8.5的滯回環最為飽滿，而試件ZHB8和ZHB10比較差.

2.2.2 骨架曲線

各試件的骨架曲線如下圖5所示：

圖5 不同肢厚比試件骨架曲線

試件的骨架曲線特點如下：

(1)各試件骨架曲線的正反方向形狀基本相同。當位移增大到一定值后，由于試件材料損傷累積，承載力下降，骨架曲線出現下降段。由于試件是由混凝土、鋼筋和型鋼等不同性質材料構成，宏觀上試件是各向異性，故試件沒有明顯的屈服點。

(2)隨著上部剪力墻肢厚比的增大，試件的承載力也相應增大，但承載力增幅不大；試件的正向加載骨架曲線更為平緩，說明試件的正向延性系數比反向延性系數大。比較5個肢厚比不同的試件，試件ZHB9骨架曲線的下降段最平緩，故試件ZHB9的延性相對較好。

3 結論

綜合上述分析可以得出以下結論：

(1)新型斜柱轉換結構上部剪力墻的肢厚比越大，試件的初始剛度就越大；肢厚比控制在8.5～9.5之間，能取得良好的耗能性能。

(2)所有試件轉換梁下層的框架梁主要受拉，容易開裂，建議設計時加強配筋并通長布置。

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(責任編輯：王先桃)

Different Limb Thickness Ratio on Seismic Performance of New Type Inclined Column Transferring Structure

YANG Lei1，SHEN Bo1*，ZHOU Shiming2，HE Zhi1，XIE Zongyan1

(1. Space Structure Research Center, Guizhou University, Guiyang 550003, China；2. Guizhou Architectural Design & Research Institute Co.,Ltd, Guiyang 550003,China)

To study seismic behavior of the new type inclines column transfer structure, the five different limb thick ratio of the new type inclines column transfer structure vertical load and horizontal cycle quasi static analysis under the action of repeated loading, the analysis of the specimen failure pattern, hysteresis curves and skeleton curve, bearing capacity, displacement ductility, stiffness degradation were conducted. Research results show Limb thickness ratio control between 8.5 ～ 9.5, can obtain better performance of energy consumption. Frame beam mainly tensile, suggested strengthening the reinforcement design and all long arrangement.

seismic performance of new type inclined column transferring structure； limb thickness ratio； failure mode；hysteresis curve；displacement ductility

1000-5269(2016)06-0067-04

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.06.16

2016-00-00

國家自然科學基金資助項目(51468007);貴州省科技支撐計劃項目(社會發展攻關)(黔科合SY 字(2012)3067)

楊磊(1991-)，男，在讀碩士，研究方向：高層混凝土新型斜柱轉換結構，Email:qaz7251998@163.com

*通訊作者： 申波，Email: gy- shenbo@sohu.com.

TU352.1+1

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