強柱弱梁對鋼框架結構抗震損傷耗能的影響

白潤山 趙帥帥

(河北建筑工程學院 河北 張家口 075000)

一、“強柱弱梁”設計在鋼框架結構中的重要性

“強柱弱梁”指的是使框架結構塑性鉸出現在梁端的設計要求。用以提高結構的變形能力，防止在強烈地震作用下倒塌。在強震作用下獲得框架相對穩定的累計滯回耗能分布，關鍵在于控制結構實現“強柱弱梁”機制。但“強柱弱梁”的變化對框架結構損傷耗能機制的控制有怎樣的影響還需進一步研究。

二、鋼框架模型的設計

將能力系數與能力比轉化成應力比和應力比比值后設計如下模型：模型一：按現行規范進行常規設計，盡量調整梁、柱的應力比接近1；模型二：梁應力比與模型一相同，柱應力比為模型一梁應力比的0.8倍，模型三：梁應力比與模型一相同，柱應力比為模型一梁應力比的0.6倍；模型四：柱應力比與模型二相同，梁應力比為模型二梁應力比的0.8倍；模型五：柱應力比與模型三相同，梁應力比為模型二梁應力比的0.8倍；模型六：一層柱應力的應力比為模型二柱應力比的0.8倍，一層梁應力的應力比為模型二梁應力比的0.8倍，其他層同模型二；模型七：一層柱應力的應力比為模型三柱應力比的0.8倍，一層梁應力的應力比為模型三梁應力比的0.8倍，其他層同模型三；模型八：一層柱應力的應力比為模型四柱應力比的0.8倍，一層梁應力的應力比為模型四的梁應力比擴大0.8倍，其他層同模型四；模型九：一、二層柱應力的應力比為模型二的柱應力比擴大0.8倍，一、二層梁應力的應力比為模型二的梁應力比擴大0.8倍，其他層同模型二；模型十：一、二層柱應力的應力比為模型三的柱應力比擴大0.8倍，一、二層梁應力的應力比為模型三的梁應力比擴大0.8倍，其他層同模型三；模型十一：一、二層柱應力的應力比為模型四的柱應力比擴大0.8倍，一、二層梁應力的應力比為模型四的梁應力比擴大0.8倍，其他層同模型四。

三、設計算例

鋼框架示例設計(張家口下花園區、懷來縣、涿鹿縣)，地震分組：第二組；地震作用：水平地震作用；設防烈度：8 度(0.2g)；場地類別：Ⅱ類；鋼材材質：Q235B；跨數：橫向 3 跨，縱向 6 榀；跨度：橫向 6m，縱向 6m；層數：10 層；層高:3.6m；女兒墻高:1.2m；女兒墻厚度:0.24m。外墻采用混凝土空心小砌塊，厚度0.2m，該工程中梁和柱均采用焊接H型截面。根據《建筑抗震設計規范》的規定，在設計基本地震加速度為 0.2g 的地區，8度抗震設防烈度下相應的中震和大震的水平地震影響系數的最大值應分別取為 0.45 和0.90。

使用PKPM設計十一個鋼框架模型，再用Abaqus軟件進行時程分析得到下圖1、2、3。

圖1

由圖2各個模型的柱滯回耗能占比沿樓層分布情況可以發現：模型二的一層柱滯回耗能占比達到0.95左右，其他層幾乎為零；模型六一層柱滯回耗能占比達到0.38左右，二層柱在0.3左右，其他層柱滯回耗占比都較為均勻，在0.1左右；

圖2

進一步確定同一樓層中各個柱滯回耗能的分布情況，為了方便分析將柱進行編號，軸線 A、B、C、D 分別對應的柱編號為 1、2、3、4，其中編號為 2、3 的柱為中柱，編號為 1、4 的柱為邊柱。平面圖如圖1所示，柱的滯回耗能如圖3所示，各個模型的各榀框架中各個柱滯回耗能占比大約呈對稱分布，模型一的中柱耗能占比多于邊柱0.01左右，其他模型邊柱耗能占比都多于中柱，模型四和模型十一柱的耗能占比較均勻。

圖3

四、結論

根據層高與柱耗能占比的關系可以看出，梁柱能力比為0.8時，結構的損傷耗能主要由底層承擔，當取0.6時，損傷耗能不只有底層構件承擔，一半甚至一半以上的能量可以由二層及以上的樓層構件分擔，這大大降低了底層構件因承受的能量過多而發生破壞的幾率；增大梁構件的能力系數也能對結構整體的耗能分布起到有利的影響；與提高結構所有構件的能力系數相比，只改變底層與二層構件的能力系數較為方便，而且效果也十分明顯，結構整體的耗能與柱耗能都較均勻，鋼材用量在實際工程上也會更經濟。