框架搖擺墻結(jié)構(gòu)受力性能研究

沈金生，余丁浩，楊樹標(biāo)

框架搖擺墻結(jié)構(gòu)受力性能研究

沈金生，余丁浩，楊樹標(biāo)

（河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

以某六層框架結(jié)構(gòu)作為分析對象，設(shè)置不同剛度的搖擺 墻，研究加入搖擺墻前后以及搖擺墻剛度大 小對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布及變化規(guī) 律的影響。分析結(jié)果表 明：當(dāng)框架結(jié)構(gòu)層間剛度不均勻時(shí)，對搖擺墻的內(nèi)力分布和結(jié)構(gòu)受力會(huì)產(chǎn)生較大的影 響，搖擺墻的剪力、彎矩均隨地震強(qiáng)度和剛度比的增加而增 加，搖擺墻的加入減小了框架部分的地震作 用，達(dá)到防止出現(xiàn)薄弱層的作用。

框架搖擺墻結(jié)構(gòu)；層間剛度；地震作用；剛度比

大量震害實(shí)例表明，框架結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”，柱端出鉸的現(xiàn)象十分普遍，由此引起了大量框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)層屈服破壞現(xiàn)象，此時(shí)結(jié)構(gòu)的損傷集中于某一層，結(jié)構(gòu)整體的耗能能力很低。框架剪力墻結(jié)構(gòu)雖然可以解決這一問題，但剪力墻的墻腳處彎矩值和剪力值均較大，容易引起墻腳的破壞和設(shè)計(jì)困難[1-2]。因此，有學(xué)者提出了框架搖擺墻結(jié)構(gòu)體系[3-7]，即放松剪力墻墻腳的轉(zhuǎn) 動(dòng)約束，將其由固結(jié)變?yōu)殂q接。將墻體不作為承重構(gòu)件，只是改變原框架結(jié)構(gòu)變形模式，其作用是控制結(jié)構(gòu)的薄弱層、平均各層的層間位移，且搖擺墻的剪力峰值和彎矩峰值不在同一個(gè)截面，避免了截面設(shè)計(jì)的困難。文獻(xiàn)[8]中介紹了一種簡化計(jì)算方法，該方法有利于從概念上認(rèn)識框架搖擺墻的一些基本的受力特征，但在計(jì)算過程中對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了較多的簡化且僅限于彈性階段，與實(shí)際結(jié)構(gòu)相差較大，且無法計(jì)算在框架進(jìn)入非線性后的受力特征，因此本文以一個(gè)實(shí)際鋼筋混凝土框架工程為研究對象，由于其4層框架柱截面尺寸的改變，層間剛度變化較大，建立框架搖擺墻結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，采用不同搖擺墻與框架的剛度比，進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析，研究框架搖擺墻結(jié)構(gòu)的受力特征和規(guī)律。

1 數(shù)值模型

模型結(jié)構(gòu)的設(shè)防烈度為7度（0.15 g），場地類別為Ⅲ類，場地特征周期為0.45 s，抗震等級為三級。1～3層框架柱為650 mm×650 mm，4～6層框架柱為550 mm×550 mm。框架結(jié)構(gòu)混凝土為C30，搖擺墻的混凝土為C40，截面高度為2 m。通過厚度改變搖擺墻的剛度，參數(shù)及模型見表1、圖1。

表1 搖擺墻參數(shù)Tab.1 The parameters of rocking wall

圖1 結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structure models

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 搖擺墻剪力分布規(guī)律

由圖2可以看出搖擺墻在各個(gè)部位的剪力均隨其剛度的增加而增加，然而在地震強(qiáng)度較高時(shí)，框架柱變截面樓層搖擺墻的剪力隨其剛度的增加而增加的幅度小于其他部位，當(dāng)?shù)卣饛?qiáng)度為0.6 g時(shí)，W1結(jié)構(gòu)第四層處的搖擺墻剪力為3 535.46 kN，W4結(jié)構(gòu)為3 955.77 kN，其增加幅度僅為11.89%。而W1和W4結(jié)構(gòu)分別對應(yīng)的底層處搖擺墻剪力為3 360.74 kN和5 323.48 kN，增幅為58.40%。

圖2 搖擺墻剪力分布圖Fig.2 The distribution of shear force of rocking wall

圖3 搖擺墻彎矩分布Fig.3 The distribution of bending moment of rocking wall

2.2 搖擺墻彎矩分布規(guī)律

從圖3可以看出，不同地震強(qiáng)度下各個(gè)結(jié)構(gòu)的墻體平均彎矩分布形式基本相似，各層的平均彎矩均隨搖擺墻剛度的增加而增加。隨 著地震強(qiáng)度的增加，搖擺墻的彎矩分布規(guī)律逐漸改變，表現(xiàn)為當(dāng)?shù)卣饛?qiáng)度較高時(shí)，搖擺墻的中部彎矩較大，在框架柱變截面處的彎矩出現(xiàn)了極小值，極大值出現(xiàn)的部位與之相鄰。此時(shí)已無法觀察到框架結(jié)構(gòu)底層的剛度突變對搖擺墻彎矩分布形式產(chǎn)生的影響。

框架柱層間剛度的改變增加了該處搖擺墻的剪力值，同時(shí)減小該處搖擺墻的彎矩值。故而在對搖擺墻進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)框架變截面樓層處的抗剪配筋和與該樓層相鄰部位的抗彎配筋。

2.3 框架受力規(guī)律

本文將框架結(jié)構(gòu)各個(gè)時(shí)刻各層的慣性力作為其受到的側(cè)向荷載，對于框架搖擺墻結(jié)構(gòu)，框架部分受到的側(cè)向荷載為結(jié)構(gòu)各層的慣性力與框架搖擺墻之間相互作用力的差值。由圖4可知，在0.05 g和0.1 g時(shí)，附加搖擺墻結(jié)構(gòu)框架部分首次和頂層的地震作用大于框架結(jié)構(gòu)，而其他層的地震作用均小于框架結(jié)構(gòu)，在地震強(qiáng)度較大時(shí)（0.3 g到0.6 g）附加搖擺墻結(jié)構(gòu)框架部分的地震作用除在頂層處大于框架結(jié)構(gòu)外，其他各層均小于框架結(jié)構(gòu)。無論地震強(qiáng)度的大小，在框架柱出現(xiàn)變截面處的地震力均為極大值，明顯大于其相鄰層，附加搖擺墻結(jié)構(gòu)框架部分的頂點(diǎn)地震作用明顯大于其他層，且均大于框架結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)地震作用，同時(shí)，附加搖擺墻結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)地震作用隨搖擺墻剛度的增加而增加，在0.6 g時(shí)四個(gè)結(jié)構(gòu)頂層地震作用較為相近。在0.05、0.1和0.3 g時(shí)，附加搖擺墻結(jié)構(gòu)的框架部分均表現(xiàn)為頂層和底層的地震作用隨搖擺墻剛度的增加而增加，其他層隨搖擺墻剛度的增加而減小，在0.6 g時(shí)，僅頂層地震作用隨搖擺墻剛度的增加而增加，其他層隨搖擺墻剛度的增加而減小。因此，搖擺墻的加入增加了框架部分頂點(diǎn)的地震作用，減小了其他層的地震作用，從而達(dá)到控制結(jié)構(gòu)變形模式、防止薄弱層的作用。

2.4 框架層剪力變化規(guī)律

從圖5可以看到，無論地震強(qiáng)度的大小，框架結(jié)構(gòu)的層剪力分布均逐層遞減。對于框架搖擺墻結(jié)構(gòu)，框架部分的層剪力分布均表現(xiàn)為底層剪力最大，且其底層框架剪力始終與純框架結(jié)構(gòu)的底層剪力相差不大，其框架部分的頂層剪力小于框架結(jié)構(gòu)的頂層剪力，且隨地震強(qiáng)度的增加，兩者之間的差值逐漸增加。

框架搖擺墻結(jié)構(gòu)各層的層間位移角相差不大，因此可以近似認(rèn)為在某一地震強(qiáng)度下各層剪力分布規(guī)律大致反應(yīng)了此時(shí)框架結(jié)構(gòu)各層層間抗剪剛度的分布規(guī)律，不同地震強(qiáng)度下?lián)u擺墻層剪力分布規(guī)律的變化可以在一定程度上反映出各層層間抗剪剛度和不同層層間抗剪剛度比例的變化規(guī)律，從圖5中可以看到，在地震強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)（0.6 g），4、5、6層的層間剪力相差較小，說明其層間抗剪剛度相差不大，4層與3層的層剪力相差較大，對于W4結(jié)構(gòu)，4層與3層框架的層剪力分別為10 795 kN和6 816 kN，兩者比例為1.58：1，而彈性階段這一比例為1.43：1，彈性階段的層間抗剪剛度的比例為1.19：1。1層與2層之間的層剪力分別為12 109 kN和9 754 kN，兩者比例為1.24：1，而彈性階段這一比例為1.61：1，彈性階段的層間抗剪剛度比例為1.87：1。因此，隨地震強(qiáng)度的增加，1層與2層的層間抗剪剛度的差距逐漸小，3層與4層由于柱截面和配筋的改變，其層間抗剪剛度的差距反而增加。

3 結(jié)論

1）框架結(jié)構(gòu)層間抗剪剛度的不均勻?qū)u擺墻的內(nèi)力分布和結(jié)構(gòu)受力會(huì)產(chǎn)生較大的影響，不能忽略，其中由柱截面改變而引起的框架層間抗剪剛度的不均勻，對結(jié)構(gòu)受力和內(nèi)力分布的影響并不會(huì)隨地震強(qiáng)度的增加而消失。

圖4 框架地震作用分布Fig.4 The distribution of seismic action of framework

圖5 框架層剪力分布Fig.5 The distribution of interlayer shear force of framework

2）搖擺墻的剪力、彎矩均隨地震強(qiáng)度和剛度比的增加而增加。

3）搖擺墻的加入增加了框架部分頂點(diǎn)的地震作用，減小了其他層的地震作用，從而達(dá)到控制結(jié)構(gòu)變形模式、防止薄弱層的作用。

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（責(zé)任編輯 王利君）

Study on mechanical performance of frame-rocking wall structure

SHEN Jinsheng,YU Dinghao,YANG Shubiao

(Hebei university of engineering construction engineering college, hebei handan 056038, China)

This article takes the six story frame structure adding different stiffness wall as the analysis object. The effects of adding the rocking wall and the wall stiffness variation on the structure internal force distribution and the changing rule are studied. From the analysis results it is concluded that： when the interlayer stiffness of the framework is uneven, it has great influence on the internal force distribution of rocking wall and the force of the structure. The shear force and the bending moment of the rocking wall increase with the increasing of earthquake intensity and stiffness ratio. With the addition of the rocking wall, the seismic effect of the frame part decreases, and the em ergence of the weak layer is prevented.

frame-rocking wall structure; interlayer stiffness; seismic action; stiffness ratio;

TU398

A

1673-9469（2017）01-0038-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.01.009

2016-12-12 特約專稿

河北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（ZD2016147）

沈金生（1979-），男，河北邯鄲人，碩士，講師，從事結(jié)構(gòu)抗震工程方面的研究。