保證框架結構構件間剛度匹配比值的模擬研究

【摘要】從地震震害的調查中發現，抗震設計要求的鋼筋混凝土框架結構的梁鉸機制沒有出現，而是出現了大量的柱鉸機制，沒有實現強柱弱梁，本文采用MIDAS/GGEN有限元軟件，對框架結構構件間剛度匹配比值進行模擬，從而得到其合理的剛度匹配比值，保證了強柱弱梁的實現。

【關鍵詞】剛度匹配比值；構件；模擬研究

1.問題的提出

（1）從汶川大地震的震害調查中發現，抗震設計要求鋼筋混凝土框架結構的“梁鉸機制”沒有出現，而是出現了大量的“柱鉸機制”，即沒有實現“強柱弱梁”。我國《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）定義的“強柱弱梁”是指，節點處梁端實際受彎承載力∑aby和柱端實際受彎承載力∑acy之間滿足不等式∑Macy>∑Maby。但是由于填充墻、樓板、梁端鋼筋超配等因素的影響，使梁端受彎承載力增大，在罕遇地震下框架形成的是“強梁弱柱”，即∑Macy<∑Maby。對此國內外很多研究機構、學者進行了大量研究，其結論表明：通過采用不同的柱端彎矩增大系數，保證結構在罕遇地震下形成“梁鉸機制”或“梁、柱混合鉸機制”。

（2）本研究按現行《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）、《混凝土結構設計規范》（GB50010-2002），設計了從7度區～9度區一系列典型框架，設計過程中采取了相應措施，避免造成梁端受彎承載力超強。利用彈塑性動力時程分析程序MIDAS/GEN為平臺，選取了基于柔度法的纖維模型，建立構件的本構關系、材料的本構關系，定義塑性鉸的類型，選擇適當的地震波，對空間框架進行了罕遇地震作用多波輸入下的彈塑性動力時程反應分析。通過對樓層的層間位移角、桿件塑性鉸的分布及轉動程度的歸納整理，得出了罕遇地震作用下樓層的層間位移角分布規律和桿件局部反應規律等，并從構件間剛度匹配層面上得出實現“強柱弱梁”充要條件。

2.動力分析所采用的模型及分析程序的實現

（1）本文結合分布塑性鉸模型和纖維模型的各自優勢建立局部纖維模型。以精度較高的纖維模型模擬分布塑性鉸模型中的塑性部分，提高塑性段屈服、滯回特性的模擬精度，采用能充分考慮各材料截面工作狀態和加載歷史的混凝土及鋼筋本構模型，并基于增量變剛度法建立框架結構的動力彈塑性有限元分析模型。

（2）在MIDAS/GEN分析程序中，框架桿件用梁單元模擬，建立空間模型。采用纖維模型（FiberSection）定義梁單元多軸鉸的滯回模型，采用程序提供的分布鉸類型定義梁單元分布較，積分點數量選為5個，既能滿足分析精度要求，又能減少巨大的計算量。

3.鋼筋混凝土框架塑性鉸模擬結果及分析

3.1鋼筋混凝土框架失效的評價標準。

（1）評價標準的主要途徑是從總體反應和局部反應兩個方面來判斷整個結構、各個樓層以及每一構件非彈性變形發育的程度以及失效的可能性。一方面要從整體結構的角度，判斷穩定的塑性耗能機構能否形成，分析塑性鉸的發育及分布規律，判斷是否形成薄弱樓層，考察各層位移及層間位移角沿高度的分布規律等；另一方面要考察構件的局部反應，如塑性鉸轉動大小、梁端塑性鉸滯回曲線飽滿程度等，并根據達到的狀態綜合判斷結構的總體抗震效果。

（2）對總體失效的判斷采用文獻[54]和《建筑抗震規范》（GB50011-2001）表5.5.5中提出的1/50的層間位移角作為評價準則。

（3）對局部失效的判斷采用：構件在彈塑性動力反應中的轉動變形超過了該構件所能提供的塑性轉動能力（假定構件不會先期發生剪切失效或其他脆性破壞）。構件的塑性轉動能力則根據Pnangiotakos和Fadis[55]基于一千余根試驗構件總結出的經驗公式計算。

（4）對構件耗能能力判斷則采用以下標準：梁端塑性鉸滯回曲線的下降段坡度愈平緩，經受反復荷載的次數愈多，構件承受反復荷載的變形能力愈高，耗能效果愈好。

3.2鋼筋混凝土框架塑性鉸模擬結果及分析。

3.2.17度0.10g區6層框架塑性鉸分析。從7度0.10g區6層框架柱配筋、截面調節過程中，我們看到：罕遇地面運動輸入下，當柱截面較小時，柱梁線剛度比（為便于應用，此處柱梁剛度比為裸梁（未考慮兩側樓板翼緣）與中柱之間的剛度比）在2.44的情況下，即M713框架，形成的是以柱鉸為主的塑性變形機構。按抗震等級二級控制柱截面配筋后，形成框架M712，仍然形成以柱鉸為主的塑性變形機構；而按抗震等級一級控制柱截面配筋后，形成框架M711，則形成梁、柱混合鉸的塑性變形機構。將柱截面增大，柱梁剛度比達到4.76，形成M723框架，即可形成的梁、柱混合鉸機構，其效果類似于M711框架；按抗震等級二級控制柱截面配筋后，形成框架M722，則形成了以梁鉸為主的塑性變形機構。從而可以得出，框架柱剛度增大與強度增大皆可改變框架結構的破壞形態，但在合理的配筋范