帶不同剛度連梁高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能分析

覃 卯，羅 迅，田豐華

(重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400044)

0 前 言

目前剪力墻結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中存在以下問(wèn)題：在地震作用下，連接兩片墻肢的連梁內(nèi)部往往內(nèi)力很大，依據(jù)常規(guī)配筋方式經(jīng)常出現(xiàn)超筋現(xiàn)象，這一問(wèn)題在小跨高比連梁中尤為突出。

關(guān)于如何解決這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[1]中給出了兩種方案：一是對(duì)連梁剛度予以折減；二是采取交叉斜筋等復(fù)合配筋方式。第一種方案可能導(dǎo)致連梁剛度過(guò)低;而第二種方式連梁形成塑性鉸時(shí)間相對(duì)較晚，塑性耗能能力相對(duì)較小，大震作用下可能起不到保護(hù)墻肢的作用。關(guān)于采用哪種方案對(duì)高層剪力墻結(jié)構(gòu)抵抗地震作用能力較好，工程界缺乏統(tǒng)一結(jié)論。

部分國(guó)內(nèi)外研究者[2-3]通過(guò)改變連梁剛度折減系數(shù)，考察了其對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性能和構(gòu)件內(nèi)力的影響，并在此基礎(chǔ)上得出連梁剛度折減系數(shù)對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能影響程度方面的結(jié)論。部分研究者[4]基于典型框支剪力墻結(jié)構(gòu)算例，通過(guò)兩種不同分析程序的對(duì)比分析，研究了結(jié)構(gòu)中不同連梁剛度對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。

但影響連梁抗震性能的因素較多，除與剪力墻之間相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響外，連梁本身在彎矩、軸力以及墻肢轉(zhuǎn)動(dòng)作用下的延性性能實(shí)際上也和理想的實(shí)驗(yàn)條件差別很大，目前研究者對(duì)連梁在復(fù)雜受力下的延性性能的闡述是不完善的，為正確認(rèn)識(shí)連梁性能對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響，本文展開了此項(xiàng)研究。

1 結(jié)構(gòu)算例設(shè)計(jì)和有限元模型建立

1.1 結(jié)構(gòu)算例設(shè)計(jì)

本文利用PKPM進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以連梁剛度與剪力墻墻肢長(zhǎng)度為變量，建立5個(gè)18層的框架剪力墻結(jié)構(gòu)算例。各算例基本信息見表1。其中，算例1、2、3只改變連梁剛度折減系數(shù)；算例4、5在算例1的基礎(chǔ)上同時(shí)改變連梁剛度折減系數(shù)和橫向剪力墻墻肢長(zhǎng)度，以保持基本周期不變。

表1 各算例基本信息表

算例1中1～5層連梁剪壓比超過(guò)0.2，采用交叉斜筋；其他連梁均采用普通配筋。規(guī)范[1]規(guī)定，跨高比超過(guò)5的連梁按框架梁設(shè)計(jì)。

1.2 有限元模型

利用ABAQUS對(duì)各算例進(jìn)行建模，用選波程序選取3條地震波(El-centro、Taft、Hachinohe),對(duì)各模型進(jìn)行地震作用時(shí)程分析，考察罕遇地震作用下各模型的破壞形態(tài)、塑性鉸分布、耗能能力、極限承載力等變化趨勢(shì)，梳理不同參數(shù)影響下的框架剪力墻結(jié)構(gòu)綜合抗震性能規(guī)律。為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，本文將空間模型簡(jiǎn)化為單榀結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，如圖1所示，考慮結(jié)構(gòu)其他部分對(duì)其約束作用，對(duì)應(yīng)建立Y向抗側(cè)移約束。

圖1 框架剪力墻模型圖

2 框架梁與連梁的損傷規(guī)律

2.1 框架梁和連梁的屈服順序

各算例在地震波下框架梁、連梁的屈服順序?yàn)椋核憷?、2、4、5均是框架梁先屈服，連梁后屈服；但算例3反之。

2.2 結(jié)構(gòu)剛度退化曲線

以連梁和框架梁的屈服時(shí)刻及連梁最大鋼筋應(yīng)變時(shí)刻為關(guān)鍵點(diǎn)，選出其所在的頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線所在的位移上升段，并插入若干時(shí)刻點(diǎn)，再?gòu)牡撞考袅r(shí)程曲線中找出對(duì)應(yīng)時(shí)刻點(diǎn)的底部剪力，用底部剪力除以頂點(diǎn)位移得出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)割線剛度，最后繪制割線剛度隨頂點(diǎn)位移的剛度退化曲線。

圖2 El-Centro波下各算例的剛度退化曲線

對(duì)比算例1、2、3可發(fā)現(xiàn)，剛度早期退化時(shí)，算例3最快，算例1最慢，在受力后期剛度緩慢下降，最后基本趨于穩(wěn)定。在持時(shí)全過(guò)程，算例1的剛度最大，算例3的剛度最小。主要原因是算例2、3的連梁剛度進(jìn)行了折減，引起連梁屈服時(shí)刻大幅提前，框架梁的屈服時(shí)刻略有提前，故算例3比算例2、算例2比算例1先行進(jìn)入彈塑性受力狀態(tài)，在基本相同剪力作用下，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移更大。

3 剪力墻、連梁剪力分布規(guī)律

提取El-centro波作用下各算例第3層連梁剪力時(shí)程曲線，發(fā)現(xiàn)水平地震作用下連梁剪力時(shí)程曲線形狀與趨勢(shì)和所輸入地震波形相近，但在各算例中略有差異，采用復(fù)合配筋且未進(jìn)行剛度折減的算例1連梁剪力較其他算例更大，而剛度折減系數(shù)為0.6的算例2、4中連梁剪力又分別大于剛度折減系數(shù)為0.3的算例3、5。其余兩條地震波作用下連梁的剪力反應(yīng)規(guī)律基本相同。

算例1結(jié)構(gòu)的整體反應(yīng)如頂點(diǎn)位移等較其他算例更小，其第3、5層連梁剪力更大，這是由于連梁剛度對(duì)于結(jié)構(gòu)中剪力在樓層間的分配起著一定作用。算例1中第3、5層連梁采用了復(fù)合配筋，對(duì)混凝土約束更強(qiáng)，對(duì)墻肢約束也更強(qiáng)，故結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)小，同時(shí)采用了復(fù)合配筋的連梁剛度大，使得所在樓層整體剛度更大，剪力分配更大，而未配置的則相對(duì)較小。

4 連梁內(nèi)部軸力分布規(guī)律及其延性分析

4.1 連梁軸力在不同算例中的分布規(guī)律

軸力對(duì)連梁抗震性能有著較大影響，可能導(dǎo)致連梁延性不足，而在設(shè)計(jì)中常常被忽視，故本文提取各算例第3、5層的連梁軸力進(jìn)行分析。

在水平地震作用下連梁截面軸力算例5最大，算例4其次，算例1、2、3相對(duì)較小，這是由于算例4、5剪力墻墻肢長(zhǎng)度更大，對(duì)連梁變形約束作用更強(qiáng)，因而在連梁中產(chǎn)生的軸力更大。可見，在水平地震作用下，框剪結(jié)構(gòu)連梁截面內(nèi)力中，軸力占比很大，對(duì)連梁的工作狀態(tài)影響很大，可能導(dǎo)致連梁混凝土發(fā)生斜壓破壞，而在規(guī)范關(guān)于連梁條例制定的實(shí)驗(yàn)中，并未考慮連梁中軸力的影響，依此條例設(shè)計(jì)的連梁可能存在實(shí)際工作狀態(tài)中軸力較大而延性不足的缺陷，從而發(fā)生預(yù)期之外的破壞形式，故應(yīng)在設(shè)計(jì)中適當(dāng)考慮。

4.2 水平地震作用下連梁延性分析

通過(guò)連梁鋼筋屈服時(shí)刻表、連梁混凝土最大主壓應(yīng)變時(shí)程曲線及連梁總反應(yīng)時(shí)程曲線，得到連梁鋼筋屈服時(shí)刻與混凝土壓碎時(shí)刻的連梁反應(yīng)及最大連梁反應(yīng)，相除得連梁的延性系數(shù)與延性需求，計(jì)算所得算例2、3總體上連梁延性系數(shù)與延性需求相近，滿足結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)要求。

而對(duì)于采用了復(fù)合配筋的算例1連梁，第3層鋼筋未屈服，第5層連梁僅斜筋屈服且延性系數(shù)為1.056小于延性需求1.196，跨中區(qū)域混凝土均發(fā)生斜壓破壞，主要原因在于連梁受到兩側(cè)剪力墻轉(zhuǎn)動(dòng)變形和軸向變形的影響，算例1中其他層連梁剛度小，軸力較小，而第3、5層連梁采用復(fù)合配筋，剛度較強(qiáng)，剪力墻與連梁的相互作用增強(qiáng)，軸力增大，導(dǎo)致過(guò)早的剪壓破壞。可見采用了復(fù)合配筋的連梁，增強(qiáng)了剪力墻與連梁間的相關(guān)關(guān)系，導(dǎo)致剪力墻施加于連梁上除水平力外的其他力如軸力更大，引起連梁混凝土應(yīng)變更大，未按預(yù)期方式展現(xiàn)延性。

5 不同連梁剛度折減系數(shù)結(jié)構(gòu)對(duì)比

對(duì)比算例1、2、3可以發(fā)現(xiàn)，算例1的應(yīng)變值最小，算例3的應(yīng)變值最大，且算例1與算例2的峰值差距大于算例2與算例3的峰值差距。這是因?yàn)樗憷?到算例2除了進(jìn)行連梁剛度折減以外，算例1還采用了復(fù)合配筋。

對(duì)比算例4、5可以發(fā)現(xiàn)，算例4比算例5有更大的縱筋應(yīng)變，這是因?yàn)樗憷?與算例5進(jìn)行了剪力墻墻肢的加長(zhǎng)，且算例5的剪力墻墻肢加長(zhǎng)更多，所以連梁受到的反應(yīng)更小，連梁縱筋應(yīng)變更小。

同樣參考其他層的縱筋應(yīng)變值對(duì)比，可以得到以下結(jié)論。

1)結(jié)構(gòu)連梁折減越大，連梁縱筋應(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

2)連梁在配置菱形筋和交叉斜筋后，對(duì)于連梁縱筋的受力有幫助作用，縱筋的應(yīng)變更小。

3)剪力墻墻肢加強(qiáng)，連梁縱筋應(yīng)變更小。

6 結(jié) 論

通過(guò)ABAQUS對(duì)帶不同剛度連梁的5組高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)算例進(jìn)行罕遇地震下綜合地震反應(yīng)分析，可以得出以下結(jié)論。

1)連梁對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn)大于框架梁，故在進(jìn)行框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮使框架梁作為結(jié)構(gòu)抗震第一道防線，連梁作為第二道防線，從而保證結(jié)構(gòu)在具有較高剛度的同時(shí)，也具有較大的耗能能力。

2)連梁在框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，還受兩側(cè)剪力墻墻肢轉(zhuǎn)動(dòng)變形與軸向變形的影響，在連梁中建立很大的軸力，采用復(fù)合配筋的連梁，剛度更大，連梁與剪力墻的相互作用更強(qiáng)，更易引起混凝土的斜壓破壞，結(jié)構(gòu)延性難于充分發(fā)揮，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮軸力對(duì)連梁的影響，宜進(jìn)一步降低剪壓比等參數(shù)的限值。

因此，在進(jìn)行剛度折減后的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，連梁采用復(fù)合配筋方式可以使結(jié)構(gòu)具有合理的出鉸機(jī)制，但同時(shí)要注意對(duì)連梁減壓比進(jìn)行更嚴(yán)格的限制。

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