新型斜柱轉換結構 在不同軸壓比下的抗震性能研究

范余輝 申波 周世明 鄭田洪 楊方

摘 要：本文建立了5個肢厚比為9，軸壓比分別為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5的新型斜柱轉換結構模型試件，對這5各試件在低周水平反復荷載與豎向荷載的共同作用下試件的力學性能進行有限元模擬分析。研究結果表明：在進行新型斜柱轉換結構的設計時，為了使結構獲得較好的延性和抗震性能，應將軸壓比控制在0.1～0.4之間。

關鍵詞：新型斜柱轉換結構;軸壓比;破壞形態;滯回曲線;位移延性;剛度退化

中圖分類號：TU395? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）02-0119-02

文獻[1， 2]將斜柱轉換應用于框支-短肢剪力墻結構中，并做了一系列的理論分析和試驗研究。研究表明，斜柱應用于框支-短肢剪力墻結構中作為轉換結構延性和耗能能力較差。為了提高框支剪力墻中斜柱轉換結構的延性和抗震性能，文獻[3]提出了一種新型斜柱轉換結構。該種結構通過在斜柱和轉換梁中植入型鋼，使結構的延性和抗震性能得到了大幅度的提升。本文在文獻[3，4]基礎上，研究了一定肢厚比下，軸壓比對該種新型結構抗震性能和延性的影響，并給出合理的軸壓比參考值，為今后該類結構的設計提供理論支撐。

1 模型建立

在ABAQUS有限元分析軟件中建立如圖1所示的5個模型。其肢厚比為9，軸壓比分別為為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5。對5個試件進行相同的豎向加載和水平低周反復荷載加載，并分析試件的力學性能。

2 有限元結果分析

2.1 破壞形態

以試件ZHB9為例對其進行分析可知，試件在加載過程中出現了塑性鉸，塑性鉸位于型鋼混凝土轉換梁梁端與框支柱交接的地方。隨著水平反復荷載的繼續加載，裂縫數量增加并最終形成幾條主要裂縫，試件失去承載力，發生破壞。試件ZYB1、ZYB2、ZYB4破壞形態與ZHB9一致。試件ZYB5在承載力達到最大值后，隨著水平位移繼續增大，剪力墻中部塑性應變迅速增大，水平鋼筋和縱向鋼筋大面積屈服，導致試件沒有征兆突然破壞。

2.2 骨架曲線

在坐標中將各試件滯回曲線各滯回環的峰值點連成線即可得各試件的骨架曲線，如圖2所示。

分析圖2中5個不同軸壓比下試件的骨架曲線可得以下結論：

（1）試件的骨架曲線在低周水平往復荷載的正，反向加載中具有相同的變化趨勢，5條曲線在加載初期斜率幾乎相同，說明試件具有基本相等的初始剛度。

（2） 各個試件的屈服點不明顯，極限荷載與軸壓比呈高度正相關性，說明高軸壓比對于試件裂縫的開展有限制作用，試件的有效抗剪面積得以提高，從而提高了試件的極限荷載。

（3） 各試件在達到極限荷載后，曲線的陡峭程度與軸壓比呈正相關關系，說明試件剛度退化加快，延性變差。

2.3 承載能力分析

根據文獻屈服荷載的方法確定各試件的屈服荷載，各試件的屈服荷載和極限荷載見表1。

分析表1中的數據可得以下結論：

（1）同一試件在循環加載過程中正反向的屈服荷載值基本相同，正反向的極限荷載值也基本相同，差值較小。

（2）試件軸壓比越大，正向加載和反向加載時能夠達到的極限荷載和屈服荷載也越大。軸壓比為0.5的試件ZYB5的極限荷載和屈服荷載的值最大，說明軸壓比的提高能顯著提高試件的極限荷載和屈服荷載。

（3） 強屈比反映了試件在屈服后安全儲備的大小，由表中數據可知，隨著軸壓比的增大，試件的強屈比有減小的趨勢。

綜上所述，試件屈服后的安全儲備隨著試件軸壓比的升高而降低。

2.4剛度退化分析

在循環荷載作用下，試件的剛度有較大退化， 分析表中數據可以得到以下結論：在屈服位移前后，環線剛度在每一次循環加載周期內表現出不一樣的特性。在屈服位移之前，每一次循環周期內，環線剛度與循環次數呈高度正相關關系。在屈服位移之后，在每一循環周期內，環線剛度與循環次數呈高度負相關關系。

取環線剛度三次循環的平均值為Y坐標，取屈服位移為X坐標，得到環線剛度與屈服位移之間關系曲線，如圖3所示。

觀察圖3中試件的曲線可知，試件ZYB1，ZYB2，ZHB3沒有明顯的突變點，下降趨勢平緩。試件ZYB4和ZYB5在5Δ時出現轉折點，在5Δ之前，曲線較陡，在5Δ之后，曲線較平緩，試件ZYB4在加載至8Δ時發生破壞，試件ZYB5在加載至7Δ時發生破壞。剛度退化快慢與曲線下降斜率呈正相關性，表明隨著軸壓比的增大，試件剛度退化嚴重，耗能能力變差。

2.5位移延性分析

延性系數反映了結構依靠自身塑性變形耗散地震能量的能力，對其進行分析尤為重要。本文中的延性系數通過正反向加載試件的極限位移的平均值與屈服位移的平均值的比值求得。由表2中的數據可知，各試件的屈服位移的大小與軸壓比的升高沒有關系，極限位移與軸壓比呈高度負相關。由表中數據可知，延性系數與軸壓比成高度負相關關系，試件ZYB1， ZYB2，ZHB9， ZYB4的延性系數均大于3.0。模擬結果表明，這四個試件延性比較好。滿足鋼筋混凝土結構設計在抗震方面的要求[5]。試件隨著軸壓比的升高依靠自身塑性變形耗散地震能量的能力逐漸減弱。

3 總結

綜上所述可得以下結論：

（1）隨著軸壓比的升高，試件的極限荷載和極限位移增大，屈服位移有降低的趨勢但不明顯，耗能能力降低，延性變差，剛度退化程度加大，抗震性能變差。

（2）在循環荷載加載下，當軸壓比接近限值0.5時，試件在達到最大承載力后，剪力墻混凝土發生毫無征兆的突然破碎，失去承載能力。

（3）控制剪力墻的軸壓比低于規范要求的限值，使其在0.1～0.4范圍之內，結構能取得良好的變形能力和抗震性能。

參考文獻：

[1]楊超策，鐘樹生， 凌煥文. 鋼筋混凝土斜柱—剪力墻局部轉換節點在豎向荷載作用下的受力性能的試驗研究[J].重慶建筑， 2005，12（3）：22-25.

[2]鐘樹生，史世倫，盧挺，蔣凡.框支短肢剪力墻結構中斜柱轉換結構抗震試驗研究[J]重慶建筑大學學報，2007，29（1）：44-47.

[3]李夢，申波，謝成吉，周世明，趙慶陽，龍海芳.帶新型斜柱轉換的框支剪力墻結構力學性能分析[J].貴州大學學報（自然科學版），2015，32（02）：94-98.

[4]楊磊，申波，周世明，何智，謝宗言.新型斜柱轉換結構的抗震性能分析[J].貴州大學學報（自然科學版），2016，33（06）：67-70+108.

[5]趙西安.高層建筑結構實用設計方法（第三版）[M].北京：中國建筑工業出版社，1998.

基金項目：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）