柱頂滑移鋼筋混凝土框剪結構抗震性能分析

魏念榮

(甘肅建投生態建設集團有限公司,甘肅 蘭州 730050)

近年來,由于地震等自然災害頻發,高層建筑存在可能坍塌的隱患。為了有效提升建筑結構的抗震性能,需要采取專業有效的對策。科研人員通常會采取柱頂滑移鋼筋混凝土框剪結構進行施工,此種結構具備一定的優勢,但是在地震發生后,該結構也容易受到巨大能量沖擊波的影響,其抗震性能也與一些可變動因素有關,只有詳細分析框剪結構在不同情況下的抗震效果,才能夠為后續的抗震工作提出指導意見。

1 工程概況

某建筑工程為用于辦公的九層建筑樓工程,建筑結構是鋼筋混凝土框架與剪力墻結構,梁板、梁柱以及剪力墻都需要進行現澆鋼筋混凝土施工,在縱向利用鋼筋進行捆扎,不同樓層所使用的混凝土強度等級有所差異。結構的剪力墻布置在整體結構的中間電梯井部位以及四個方向的角落,因此電梯井與剪力墻呈現U形分布的勢態,而在四個角上分布的剪力墻則呈現出整齊的L形。在x軸方向共有9塊,y軸方向共有3塊,在結構縱軸方向不同區域的框架柱兩側拐角也設置了不同的剪力墻結構,總體來說,該建筑結構的平面形狀較為簡單且規則對稱,在力學性能上具備較為良好的特性,能夠達到較強的剛度,承載力分布均勻,能夠減少重心的偏移。

2 柱頂滑移框剪結構抗震性能分析思路

隨著對這種結構的研究逐漸深入,發現柱頂滑移鋼筋混凝土框剪結構具備更好的抗倒塌能力,能承擔絕大多數的結構自重,在遇到不同類型的地震時發揮出更優良的性能。框剪結構示意見圖1。

圖1 框剪結構示意

目前,框剪結構的設計思路是使其具備較強的結構強度和抗震承載力,并且具備良好的延展性。框架剪力墻結構具有獨特的優勢,在水平或垂直方向的荷載力作用下,其彎剪的曲線有所區別。在不同時期,科學家對于柱頂滑移鋼筋混凝土框剪結構的抗震性能的分析方法也有所區別[1]。首先是從結構內力以及位移響應角度出發,或者采取擬合動力試驗的形式。隨著科研水平的不斷提升,其所獲得的推導計算公式也越來越精確,擬合的數值越來越精準,對其性能評估的效果越來越好,可以通過不同模式下的框剪結構計算結果以及其對應的反應譜計算結果進行分析。現如今,可以從其結構變形的角度出發,研究結構構件在不同地震波作用力下,框剪結構自身彈性、靜力彈塑性、彈塑性動力的變化結果,其高度和水平側移也會發生相應變化。研究位移變形曲線能夠有效分析出抗震性能的變化(見圖2)。

圖2 不同結構的變形曲線

3 框剪結構抗震計算分析

3.1 框剪結構彈性計算分析

首先對框剪結構的結構模態進行分析,在出現地震等地質變動時,由于震動力的作用,結構內部的動力響應效果往往取決于結構自身的固有特性以及該地震震動的具體特征。一般來說,低階振型會對框剪結構的動力特性造成較大的影響。通過結構反應譜分析,屬于擬合動力分析法,采取精準測算過的方程式來計算各個質點在地震發生時的響應反應譜。反映出的分析數據也要通過獲取結構樓層的位移數據進行測算,獲取位移以及層間位移角的數據時,要結合實際的規范標準。通常來說,在外部荷載作用力下,樓層產生的位移主要取決于側移的大小,而層間位移角指的是樓層間的水平位移與層高的比例。通過模擬測算的方式,輸出各層節點相應的位移變化情況,獲得模擬分析的結果,位移變化曲線能夠展示出各層的情況,在y軸的反應譜下計算出框架剪力墻結構不同樓層的位移數值。

3.2 框剪結構靜力彈塑性分析

一般情況下,采用振型分解反應譜的形式或者底部剪力法,都可以對小范圍震動情況下的框剪結構變化情況進行測算,但當發生了嚴重或罕見的地震時,此種方式無法準確估計抗震性能,因為很多框剪結構已經進入了彈塑性階段。這種情況下,可以首先通過側向力加載的模式來對其彈塑性進行分析,三種常見的側向力加載模式為均勻分布、倒三角分布和拋物線分布。不同的分布情況,其結構在水平和垂直方向上的速度變化和位移變化存在一定的差別。此外,還可以通過構件的單元塑性行為進行判斷,利用特定的專業性數據分析軟件來對框架結構的模型構件進行非線性分析。

3.3 框剪結構彈塑性動力時程分析

建立起框架剪力墻結構的彈塑性分析模型,根據該工程所處的建筑地的實際情況,選取合適的特征周期,通常來說,要判定場地的類別、抗震設施的強度、地震加速度等。以實際發生過的地震中的地震波數據作為參考,模擬出一條時程曲線。所選取的地震波要真實且準確,并且具有一定的代表性,促使后續的測算結果能夠更好地預判空間結構薄弱部位的實際情況,再根據框剪結構的構件類別以及受力情況、性能分析結果、材料性質等參數,選取合適的結構恢復力模型[2]。通過模擬構件在地震情況下的力學行為,不斷提升整體計算模型的精確性,最終結合彈塑性分析模型分析平衡方程,進行動力時程的詳細分析。

4 柱頂滑移鋼筋混凝土框剪結構抗震性能

4.1 滑移柱方案布置

地震通常會對梁柱造成較為嚴重的破壞,因此滑移柱往往也承受著因荷載擴大而造成的破壞力,進而可能會導致框架中的梁柱截面被迫增大。在遇到強度較大的罕見地震時,如果結構角度被損壞,也會降低框架結構的抗震能力。滑移柱會受到框剪結構中剪力墻位置及數量變化的影響,因此對本工程抗震性能的分析主要是歸納了滑移柱的不同布置方式,綜合給出三種框剪結構模式,并根據不同方案的條件,在不同的地震波作用下,研究其框剪結構動力響應的情況。柱頂滑移鋼筋混凝土框剪結構見圖3。

圖3 柱頂滑移鋼筋混凝土框剪結構示意

4.2 柱頂滑移支撐實現

滑移柱頂會和相鄰的節點進行連接,其所形成的力學模型(見圖4)是比較穩固的,通常還會包括摩擦單元,需要充分考慮滑移柱在接受摩擦的情況下所能夠達到的高度,結合不同層面的框剪結構,對小型振動情況下的柱頂滑移模型進行驗證分析。在出現大型地震時,摩擦處可能會出現起滑現象。框剪結構中不同部位的滑移柱所承受荷載大小不同,因此往往也會產生不同的摩擦力[3]。滑移柱的角柱和邊柱通常會承受較小的豎向荷載,摩擦力也會更小,但是中柱所承擔的荷載會比較大,摩擦力也相對較大,可以通過降低摩擦系數來確保梁柱的完整。由于模擬系數可能會對分析結果造成一定的影響,為了保證分析結果的相對準確性,在此后的試驗中,將摩擦系數取為定值。

圖4 滑移柱頂節點連接力學模型

4.3 滑移柱布置前后結構樓層計算分析

研究在多遇地震Chi-Chi波動作用下,各個框架混凝土剪力墻結構垂直于水平方向上的最大樓層側移數值,根據實驗的數據可知,三個框剪結構在垂直和水平兩個主軸方向上的最大樓層側移數值,與最開始形成的原先結構的側移差值會根據指標的增加而改變,比如隨著結構層數的增大,側移差值也會隨之增大,直至增至最大差值。這也表明,滑移柱的布置方式在發生多遇地震Chi-Chi波動的情況下,會對框剪結構的側移數值造成影響。通常情況下,主軸方向的側移會有所減少,垂直方向的側移減小程度會比水平方向的大。三個框剪結構在橫縱向的側移曲線都在逐漸上升,并且曲線趨于重疊。在不同的布置方向上,其側移豎直的變化走向和差值也基本相通。除此之外,在多遇地震Whittier Narrows波的作用下,三種框剪結構會隨著結構層數的遞增而出現側移差值增大的現象。這說明在此種布置情況下,垂直方向的樓層側移減小程度還是大于水平方向,整體曲線逐漸上升,側移數據也基本相同。在多遇地震Art Wave波的作用下,框剪結構在水平與垂直方向上的樓層側移數值以及側移曲線發生了一些細微的變化[4]。三種框架結構的試驗結果顯示,不管是水平還是垂直方向上的這一數值與原結構的側移差值,都會受到結構層數的影響,層數增加,其側移差值也會增大。在不同的滑移柱的布置情況下,多遇地震的Art Wave波對框剪結構的影響呈現著不一樣的走勢,其側移數值變化曲線幾乎達到了重疊。當曲線數值到達結構頂部時,其差值也達到了最大。滑移柱布置方式對水平向的位移響應基本達到一致,垂直方向的側移數值基本相同,所以滑移柱的布置方式能有效降低框剪結構的樓層側移程度,且可通過調整布置形式,將樓層側移的變化方向調整至更加適宜的水平,以確保在不同的多遇地震情況下,抗剪結構都能夠具備較強的抗倒塌能力,能夠在實際的震動中保持更加優良的抗震抗壓性能。

4.4 滑移柱布置前后樓層剪力計算分析

首先,分析在Chi-Chi波作用下框剪結構在水平與垂直方向上的層間剪力,不同樓層之間的最大層間剪力有所區別,根據所得到的數據可知,在此地震波作用下,三個框剪結構在水平和垂直的主軸方向上能夠達到的最大層間剪力都小于原先結構的層間剪力,最大層間剪力的數值在不同程度上有所區別。除此之外,水平和垂直方向上的層間剪力相對于原先的結構而言,柱頂滑移框剪結構的下降幅度也基本相同,所以可以得出結論:不同布置方式對于層間剪力的影響通常不大。在地震作用波的作用力下,框剪結構在水平和垂直方向上的最大層間剪力下降幅程度不同,垂直方向上的降幅程度會比水平方向上的更優。除此之外,布置滑移柱后,滑移柱框剪結構中的剪力下降幅度會更為明顯。在多遇地震Whittier Narrows波的作用下,同樣可以得出各個柱頂滑移框剪結構在水平和垂直方向上的層間剪力下降幅度,與原先結構的下降幅度基本相同的結論。不同的布置方式對層間剪力的差值影響不會太大,尤其是針對框架混凝土剪力墻結構的基底剪力而言,下降幅度基本一致,但是水平方向的下降幅度會比垂直方向的降幅程度更加顯著。層間剪力降幅最大的情況基本都出現在框剪結構的中部,并且也是在布置了滑移柱后,整體框剪結構的樓層剪力下降幅度最為明顯。在多遇地震Art Wave波的作用下,三個框架混凝土剪力墻結構受到滑移柱不同布置方式的影響也不大,這種情況下,與原結構相比,框剪結構在水平方向上降幅為15%,垂直方向上的框剪結構下降幅度為7%。最大的降幅通常出現在框剪結構的中部,屬于布置中滑移柱結構之后,其整體樓層的剪力下降幅度才更為明顯。通過上述分析可知,在不同的地震波作用下,滑移柱的布置形式能夠對結構樓層的剪力造成影響,恰當的布置方式能夠有效降低框剪結構的樓層剪力,而且通常來說,中部和上部的樓層其剪力下降幅度更為明顯。

5 結語

近年來,隨著地震活躍度的持續增加,很多建筑結構都會因為地震受到不同程度的破壞,為了不斷提升框剪結構的抗震性能,需要采取新型專業技術。因優勢明顯,越來越多的建筑工程采用柱頂滑移鋼筋混凝土框剪結構,對其抗震性能進行分析,在遇到不同的地震波作用力下,框剪結構自身彈性、靜力彈塑性、彈塑性動力時程的變化。高度的改變和水平側移也會發生相應的變化,研究位移變形曲線能夠有效分析出抗震性能的變化。