梁式轉(zhuǎn)換層高低位轉(zhuǎn)換基于ABAQUS抗震性能分析

張愛(ài)萍 陳艷

(1.成都工業(yè)學(xué)院 建筑與環(huán)境工程學(xué)院 四川成都 611730； 2.山東交通職業(yè)學(xué)院 公路與建筑學(xué)院 山東濰坊 261206)

0 引言

近年來(lái)，高層建筑發(fā)展趨勢(shì)迅速，結(jié)構(gòu)形式更加復(fù)雜，為了滿足建筑使用功能多樣性需求，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于高層建筑。在高層建筑結(jié)構(gòu)的底部，當(dāng)上部樓層部分豎向構(gòu)件(剪力墻、框架柱)不能直接連續(xù)貫通落地，應(yīng)設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，形成帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)[1]。底部大空間，上部小空間建筑結(jié)構(gòu)并不滿足建筑結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)的要求，豎向剛度不均勻,結(jié)構(gòu)剛度突變極易產(chǎn)生薄弱層，對(duì)抗震不利，因此在結(jié)構(gòu)形式發(fā)生變化的部位設(shè)置轉(zhuǎn)換構(gòu)件,并根據(jù)轉(zhuǎn)換層設(shè)置位置控制剪切剛度比和等效側(cè)向剛度比值，避免剪力分配突變和剛度突變產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)破壞。

本文對(duì)高層建筑高低位轉(zhuǎn)換在水平荷載作用下的破壞特征、塑性損傷情況等抗震性能進(jìn)行研究，探究其耗能性，以改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，抵抗地震災(zāi)害等破壞荷載作用。

1 混凝土塑性損傷本構(gòu)關(guān)系

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下局部發(fā)生損傷，進(jìn)入塑性階段，構(gòu)件在滯回過(guò)程中損傷退化，對(duì)材料本構(gòu)關(guān)系產(chǎn)生影響。鋼筋的本構(gòu)模型采用二折線模型(Kinematic hardening)，混凝土采用塑性損傷模型(Concrete damaged plasticity model)[2-5]，即混凝土損傷由拉壓損傷參數(shù)控制材料的壓縮和拉伸破壞。

依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]附錄C中混凝土本構(gòu)關(guān)系的單軸拉壓應(yīng)力應(yīng)變曲線推導(dǎo)公式：

單軸受拉：

(1)

單軸受壓：

(2)

公式中αt、αc分別表示混凝土單周受拉和單軸受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線下降段的參數(shù)值。αt，εt,r；αc，εc,r可分別根據(jù)GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》表C.2.3和表C.2.4取值。

ABAQUS中采用應(yīng)力—塑性應(yīng)變定義塑性混凝土，在混凝土拉壓應(yīng)力應(yīng)變基礎(chǔ)上，通過(guò)公式得到應(yīng)力-塑性應(yīng)變關(guān)系。

拉應(yīng)力-塑性應(yīng)變：(σt>ft為塑性行為)

(3)

壓應(yīng)力-塑性應(yīng)變：( 為塑性行為)

(4)

2 轉(zhuǎn)換層數(shù)值模型有限元分析

2.1 數(shù)值模型數(shù)據(jù)資料

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》10.2.2規(guī)定帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)，其剪力墻底部加強(qiáng)部位的高度應(yīng)從地下室頂板算起，宜取至轉(zhuǎn)換層以上兩層且不宜小于房屋總高度的1/10。模型參照重慶大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室關(guān)于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究材料，基于某框支剪力墻轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)1/4縮尺鋼筋混凝土模型，轉(zhuǎn)換層數(shù)值模型為兩跨取至轉(zhuǎn)換層以上兩層結(jié)構(gòu)[7-9]。模型材料采用C35混凝土(fc=2.4×107N/m2,ft=2.2×106N/m2,E=3.15×1010N/m2)，梁柱縱筋采用HRB400鋼筋(fy=4.0×108N/m2,fst=5.4×1010N/m2)，梁柱箍筋及剪力墻配筋采用HPB300鋼筋(fy=3.0×108N/m2,fst=4.2×1010N/m2)。

MODEL1尺寸如下:

轉(zhuǎn)換層與剪力墻層高度分別為1200mm和1550mm,框架跨度為2150mm,連梁高度為150mm,剪力墻厚度為100mm,轉(zhuǎn)換梁截面尺寸為200mm×400mm，框支柱截面尺寸為250mm×250mm。

MODEL1配筋情況如表1所示。

表1 MODEL1配筋

MODEL2尺寸如下：

框架層，轉(zhuǎn)換層和剪力墻層層高分別為800mm、1200mm和1550mm,框架跨度為2125mm,框支柱截面尺寸為275mm×275mm,框架梁截面尺寸為100mm×200mm,其余同MODEL1。為防止剪力墻頂端局部破壞，設(shè)置加載梁，同時(shí)在框支柱端部設(shè)置剛度大的支座梁，避免柱底發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

2.2 MODEL1數(shù)值模型建立

該轉(zhuǎn)換層數(shù)值模型采用實(shí)體單元C3D8R模擬混凝土，采用桁架單元T3D2模擬鋼筋[10]。MODEL1構(gòu)造示意圖如圖1所示。鋼筋與混凝土的接觸方式采用嵌入式(Embedding)，基于無(wú)滑移假定，將鋼筋單元采用內(nèi)置方式嵌入混凝土內(nèi)部，忽略接觸面的力學(xué)作用對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的作用。模型加載模式采用荷載-位移控制(據(jù)《抗規(guī)》[1]表6.3.6，控制柱軸壓比限值小于0.7)，如圖2所示。網(wǎng)格劃分是有限元分析的重要環(huán)節(jié)，從保證分析結(jié)果的精度和降低計(jì)算效率兩方面考慮，混凝土和鋼筋單元網(wǎng)格大小分別為0.15m和0.05m，應(yīng)力集中區(qū)域、結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位及塑性區(qū)變形較大區(qū)域處可進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。

圖1 MODEL1構(gòu)造示意圖

圖2 MODEL1加載模式

2.3 MODEL1有限元分析

圖3、圖4分別為底部框支剪力墻轉(zhuǎn)換層構(gòu)件在位移荷載作用下混凝土和鋼筋骨架的應(yīng)力云圖。

圖3 MODEL1混凝土應(yīng)力云圖

圖4 MODEL1鋼筋骨架應(yīng)力云圖

MODEL1混凝土應(yīng)力云圖顯示：1.79×107N/m2>1.68×107N/m2，由公式(4)σc>0.7fc知，已發(fā)生塑性變形，圖3 中框支柱、梁柱節(jié)點(diǎn)及剪力墻底部局部荷載作用下已經(jīng)發(fā)生塑性變形。

MODEL1受力情況根據(jù)Animate分析，變形主要集中在轉(zhuǎn)換層，框支柱和剪力墻底部損傷嚴(yán)重。中柱較邊柱損傷嚴(yán)重，左邊柱下部及右邊柱上部受拉損傷較重。梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力擴(kuò)展較快，轉(zhuǎn)換梁在上部豎向荷載作用下產(chǎn)生較大撓度。剪力墻應(yīng)力區(qū)由剪力墻底部與框支柱交界處逐漸向外擴(kuò)展。連梁在水平荷載的作用下發(fā)生傾斜，洞口邊緣處應(yīng)力較大。鋼筋應(yīng)力較大位置，分布于框支柱、轉(zhuǎn)換梁端部、剪力墻底部區(qū)域及節(jié)點(diǎn)區(qū)等關(guān)鍵部位[12]。

2.4 MODEL2數(shù)值模型建立

MODEL2構(gòu)造示意圖如圖5所示，將轉(zhuǎn)換層設(shè)置在第三層。圖6為MODEL2加載情況。模型網(wǎng)格劃分情況，對(duì)模型進(jìn)行Partition處理，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化網(wǎng)格(Structured)和掃掠網(wǎng)格(Sweep)兩種網(wǎng)格劃分技術(shù)進(jìn)行Meshing,混凝土和鋼筋單元網(wǎng)格大小分別為0.15m和0.05m，局部進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。

圖5 MODEL2構(gòu)造示意圖

圖6 MODEL2加載模式

2.5 MODEL2有限元分析

圖7、圖8分別為框支剪力墻第三層轉(zhuǎn)換層構(gòu)件在荷載作用下混凝土和鋼筋骨架的應(yīng)力云圖。

圖7 MODEL2混凝土應(yīng)力云圖

圖8 MODEL2鋼筋骨架應(yīng)力云圖

MODEL2混凝土應(yīng)力云圖顯示：1.74×107N/m2>1.68×107N/m2,由公式(4)σc>0.7fc知，已發(fā)生塑性變形，框支柱、梁柱節(jié)點(diǎn)及剪力墻底部局部相比MODEL1塑性變形較大。

MODEL2受力情況根據(jù)Animate分析混凝土應(yīng)力云紋圖所得,框支層為模型的主要變形區(qū)域，轉(zhuǎn)換梁和剪力墻損傷較輕，剪力墻基本上發(fā)生“平動(dòng)”，然而由于水平往復(fù)荷載的施加，剪力墻邊緣處也出現(xiàn)較大應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力區(qū)由墻角左下方斜向擴(kuò)展。轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點(diǎn)、框支柱底部以及框架梁端處應(yīng)力較大，而下部框架層梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力較小，損傷較輕，框支柱底外側(cè)及柱頂內(nèi)側(cè)應(yīng)力集中。根據(jù)鋼筋應(yīng)力云紋圖，轉(zhuǎn)換梁左端下部鋼筋及右端上部鋼筋受拉損傷較大，與剪力墻交界處轉(zhuǎn)換梁的下部受拉嚴(yán)重，中柱節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力集中；框支柱底外側(cè)及柱頂內(nèi)側(cè)受拉應(yīng)力較其他部位較大。

3 轉(zhuǎn)換梁數(shù)值模型耗能性分析

MODEL1和MODEL2加載梁端的P-Δ(荷載-位移)曲線如圖9所示。兩試件的滯回曲線均比較飽滿，比較(a)(b)兩圖，可知MODEL1比MODEL2的P-Δ曲線具有較明顯的捏攏現(xiàn)象，說(shuō)明MODEL2比MODEL1的耗能性較好，而MODEL2的最大承載力為2×105N,明顯比MODEL1的最大承載力3.5×105N小。因此，可利用框架梁的剛度，控制“強(qiáng)柱弱梁”體系的形成，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耗能性能。

(a)MODEL1 P-Δ曲線

(b)MODEL2 P-Δ曲線圖9 加載梁端的P-Δ曲線

4 結(jié)論

通過(guò)高低位兩跨框支剪力墻轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論：

(1)由MODEL1和MODEL2載荷過(guò)程可得：變形主要集中于模型框支層，剪力墻應(yīng)力開(kāi)展較小，受損較輕，轉(zhuǎn)換梁端部發(fā)生撓度。轉(zhuǎn)換梁的應(yīng)力開(kāi)展先于框支柱，但加載后期框支柱的損傷及變形遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)換梁，剪力墻層變形幾乎為“平動(dòng)”。框支層與剪力墻層剛度差異明顯，在高位轉(zhuǎn)換中上下結(jié)構(gòu)變形對(duì)比尤為明顯，此種變形極易使底部形成薄弱層，對(duì)抗震極為不利。因此，對(duì)于框支剪力墻結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)框支層剛度十分重要，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)的上下剛度比，以避免“上剛下柔”這種不利設(shè)計(jì)的出現(xiàn)。

(2)在水平荷載作用下，剪力墻和轉(zhuǎn)換梁相連處局部受拉受壓嚴(yán)重。因此，剪力墻的設(shè)計(jì)應(yīng)加強(qiáng)暗柱縱筋的設(shè)置，防止相連處因變形過(guò)大而局部拉裂或混凝土崩落。

(3)高位轉(zhuǎn)換承載力相對(duì)于低位轉(zhuǎn)換承載力較低，但框架梁易出鉸，耗能性能較好。因此控制好框架梁的剛度，形成較好的“強(qiáng)柱弱梁”結(jié)構(gòu)，則可以利用其耗能性能延緩地震作用對(duì)框支柱的破壞作用。