馬建勛 祁星星 張 明

(西安交通大學(xué)，陜西西安 710049)

框架—配筋砌塊砌體混合結(jié)構(gòu)是將混凝土框架與配筋砌塊砌體剪力墻組合，通過構(gòu)造措施使配筋砌塊砌體墻既充當(dāng)建筑圍護(hù)構(gòu)件又作為結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件，共同承受水平和豎向荷載，從而形成一種既經(jīng)濟(jì)、適用、空間布置靈活，又具有良好抗震性能的結(jié)構(gòu)體系?；炷量蚣堋浣钇鰤K砌體混合體系綜合了框架結(jié)構(gòu)和配筋砌塊砌體剪力墻結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)，不但克服了框架結(jié)構(gòu)剛度低、配筋砌體結(jié)構(gòu)平面布置不靈活等局限性，而且構(gòu)造了雙重抗側(cè)力體系，形成了多道抗震防線，提高了結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。其次，由于配筋砌塊砌體一般為縱橫向均為單層鋼筋，鋼筋直徑較小，而且鋼筋間距較大，故用鋼量與框架剪力墻相比明顯減少［1］。在施工方面，配筋砌塊在工廠加工完成，減少了現(xiàn)澆混凝土量，而且砌筑時不用模板，施工速度快，而且砌體可以作為混凝土結(jié)構(gòu)的模板和支撐，節(jié)省了模板，更方便了施工，同時由于砌體墻面平整，施工期間損耗小，節(jié)省墻面抹灰。

1 有限元模型

1.1 分析對象介紹

［2］［3］，采用一個18層鋼筋混凝土框架—配筋砌塊砌體混合結(jié)構(gòu)的例子，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層如圖1所示，底層層高4.5 m，其他層層高3.5 m，總高度為64 m，設(shè)計(jì)地震烈度為8度，地震分組為第一組，Ⅱ類場地。各層均布恒載為8.0 kN/m2，均布活載為2.0 kN/m2。構(gòu)件強(qiáng)度等級及截面尺寸見表1?；炷疗鰤K基本尺寸為390×190×190，空心率為46%，100%灌芯。

圖1 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

表1 構(gòu)件強(qiáng)度等級及截面尺寸

1.2 分析模型在ANSYS中的實(shí)現(xiàn)

利用ANSYS，建立結(jié)構(gòu)的有限元模型。其中，梁、柱采用Beam188單元，配筋砌塊砌體及混凝土樓板采用Shell181單元。具體材料參數(shù)見表2。

表2 模型結(jié)構(gòu)材料特性參數(shù)

約束結(jié)構(gòu)底面各節(jié)點(diǎn)的三個方向的自由度來模擬基礎(chǔ)對結(jié)構(gòu)的約束。高度方向網(wǎng)格劃分尺寸為0.5 m，水平方向劃分尺寸為1.0 m。結(jié)構(gòu)有限元模型見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)有限元模型

2 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

固有頻率和模態(tài)振型是結(jié)構(gòu)的重要動力特性，本文計(jì)算得出了框架—配筋砌塊砌體混合結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率以及對應(yīng)的振型。同樣的，也計(jì)算了同樣結(jié)構(gòu)尺寸的框架結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率以及對應(yīng)的振型，以參照對比。固有頻率見表3，前6階振型見圖3，圖4。

表3 框架—砌體墻和框架結(jié)構(gòu)的固有頻率

從振型圖和頻率對比表中可以看出，同等條件下，框架結(jié)構(gòu)的固有頻率比框架—配筋砌塊砌體混合結(jié)構(gòu)的固有頻率要小，由于框架—配筋砌塊砌體混合結(jié)構(gòu)配筋砌塊砌體墻沿結(jié)構(gòu)橫向布置，使得結(jié)構(gòu)橫向的剛度比較大。

圖3 框架—配筋砌塊砌體混合結(jié)構(gòu)前六階振型圖

圖4 框架結(jié)構(gòu)前六階振型圖

3 地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

根據(jù)抗震規(guī)范［4］的規(guī)定，采用的地震水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.16，特征周期Tg=0.35，結(jié)構(gòu)阻尼取為0.05。

采用振型分解反應(yīng)譜法來考慮地震作用。首先進(jìn)行譜分析，取前18階振型和頻率，然后對每階振型進(jìn)行Z向(結(jié)構(gòu)橫向)的單點(diǎn)加速度反應(yīng)譜分析，最后采用SRSS方法進(jìn)行振型組合，得到結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)。并將相同尺寸、相同邊界條件及相同荷載條件的框架—配筋砌塊砌體混合結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)作了對比，計(jì)算結(jié)果見圖5～圖8。分析結(jié)果表明，框架結(jié)構(gòu)樓層間柱上剪力為直線，而混合結(jié)構(gòu)樓層間柱上剪力分布不均勻，樓層處較大，樓層間相對較小，可見樓層間水平力在框架與配筋砌塊砌體間的分配是不均勻的，柱端剪力較大，因此需加強(qiáng)帶配筋砌塊砌體的框架柱端的抗剪構(gòu)造。另外從第一主應(yīng)力的數(shù)值上來看，框架—配筋砌塊砌體混合結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力為0.135 MPa，而框架結(jié)構(gòu)為9.3 MPa，從剪力的數(shù)值上也可以看出框架結(jié)構(gòu)的剪力要大于混合結(jié)構(gòu)的剪力。這主要是因?yàn)榕浣钇鰤K砌體墻增加了混合結(jié)構(gòu)的剛度，使其在同等條件下，承載力明顯有所提高。

圖6 框架結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力云圖

圖7 框架—配筋砌塊砌體混合結(jié)構(gòu)剪力圖

圖8 框架結(jié)構(gòu)剪力圖

分析圖9可知，框架結(jié)構(gòu)呈剪切變形，水平位移上大下小;而混合結(jié)構(gòu)中配筋砌塊砌體墻和框架柱變形協(xié)調(diào)，下部結(jié)構(gòu)以彎曲變形為主，隨著樓層的增加，逐漸由彎曲變形為主轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟凶冃螢橹?，使得最大水平位移較框架結(jié)構(gòu)減少了45%。

圖9 地震作用下兩種結(jié)構(gòu)的水平位移隨層高變化曲線比較

4 結(jié)語

1)文中運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件建立了框架—砌塊砌體混合結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，并對模型進(jìn)行了模態(tài)分析，通過比較前6階固有頻率和振型，得出混合結(jié)構(gòu)的固有頻率大于框架結(jié)構(gòu)的固有頻率，說明配筋砌塊砌體墻的存在可以明顯增加結(jié)構(gòu)的剛度。2)通過分析在地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，可以看出混合結(jié)構(gòu)的水平位移明顯小于框架結(jié)構(gòu)的水平位移，且承載力也有明顯的提高，說明混合結(jié)構(gòu)中框架與配筋砌塊砌體墻能夠協(xié)同工作，構(gòu)造了雙重抗側(cè)力體系，有利于結(jié)構(gòu)受力。

參考文獻(xiàn):

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［2］ 繆志偉.框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性分析研究［J］.工程抗震與加固改造，2008，30(6)：42-54.

［3］ 于彩峰，付忠林，王鳳來.哈爾濱地區(qū)17層住宅結(jié)構(gòu)方案對比與造價分析［A］.2010年全國砌體結(jié)構(gòu)基本理論與工程應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會·新型砌體結(jié)構(gòu)體系與墻體材料——工程應(yīng)用［C］.北京：中國建材工業(yè)出版社，2010：120-123.

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