曹素卿

(河北聯(lián)合大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北唐山063009)

0 引言

隨著人們生活水平步入小康，對居住空間的要求有了很大的改變。人們不但要求得到盡量多的空間并提高空間利用的有效率，對居住空間的自由組織也要能表現(xiàn)個性化，而且在空間的舒適性、安全性、美觀度及經(jīng)濟(jì)性上都提出很高的要求。這樣住宅結(jié)構(gòu)中就出現(xiàn)了異形柱框架結(jié)構(gòu)新體系。這類結(jié)構(gòu)將建筑美觀和使用功能的靈活性有機(jī)結(jié)合在一起，為用戶提供了理想的居住環(huán)境。但是，隨著樓層數(shù)的增加，異型柱純框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度、樓層位移等便不能滿足規(guī)范要求。為了將異型柱用于小高層住宅結(jié)構(gòu)中(10～15層)，同時為了增大結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，需要設(shè)置剪力墻。這樣，便形成了異型柱框—剪結(jié)構(gòu)體系。目前，鋼筋混凝土異型柱框架結(jié)構(gòu)體系和剪力墻結(jié)構(gòu)體系缺乏震害實(shí)測資料和全面系統(tǒng)的抗震性能研究，需要深入研究。

1 分析方法

近幾年來，國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了在抗震設(shè)計(jì)中采用彈塑性靜力分析方法的觀點(diǎn)，水平地震作用下的彈塑性靜力分析方法又稱為推倒分析(Push－over analysis)［1］。推倒分析主要用于確定結(jié)構(gòu)的非彈性效應(yīng)、局部破壞機(jī)制和整體倒塌的形成方式。該方法既保證結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果具有一定的代表性，又相對簡便易行，設(shè)計(jì)者能夠相對主動地把握結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力、所需位移延性、塑性鉸出現(xiàn)位置等。因此在實(shí)際工程中也得到了不同程度的應(yīng)用。各國研究者也都在建立這種抗震設(shè)計(jì)分析方法并編制相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序［2］。

結(jié)構(gòu)推倒分析中，在每一結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)其尺寸、配筋、材料性能及受力特征確定出它們的力－變形彈塑性關(guān)系之后，在結(jié)構(gòu)上施加某種分布的水平力，并逐漸增加使結(jié)構(gòu)構(gòu)件依次進(jìn)入塑性階段。直到結(jié)構(gòu)的耗能機(jī)制形成或者在耗能機(jī)制形成過程中某一塑性鉸達(dá)到其臨界極限狀態(tài)，或結(jié)構(gòu)達(dá)到給定的側(cè)移極限時，才結(jié)束結(jié)構(gòu)推倒分析全過程［3］。通過推倒分析，設(shè)計(jì)人員可以了解結(jié)構(gòu)中每一構(gòu)件屈服后的變形特征，考慮各構(gòu)件出鉸的先后次序與它們承載力之間的相互關(guān)系，以檢查是否符合所期望的耗能機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)第一次設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，從而可對原有設(shè)計(jì)作調(diào)整和改進(jìn)后，增加結(jié)構(gòu)的抗震能力。

2 計(jì)算模型

為便于進(jìn)行參數(shù)分析，本文所有的計(jì)算采用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)平面，按一個結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)計(jì)，即各層柱、梁截面及現(xiàn)澆板厚均相同，板厚為100mm;梁、板、柱混凝土強(qiáng)度等級均為C25，樓層數(shù)為八層和十一層，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.0m，標(biāo)準(zhǔn)層建筑面積540m2。本工程為合肥市某住宅小區(qū)。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 多層結(jié)構(gòu)體系比較

該住宅結(jié)構(gòu)六層，層高2.9m，總高17.4m。II類場地，8度設(shè)防，近震?；炷翗?biāo)號均為C25，受力鋼筋I(lǐng)I級，設(shè)計(jì)強(qiáng)度310N/mm2;箍筋為I級，設(shè)計(jì)強(qiáng)度210N/mm2。另有普通框架一榀，其結(jié)構(gòu)建筑平面、立面及層高與異形柱框架相同，柱網(wǎng)一致，豎向構(gòu)件布置節(jié)點(diǎn)與異形柱框架基本一致。利用公式(1)解得矩形柱框架和異型柱框架的振動周期如表1。

表1 振動周期比較(單位:s)

通過表1分析表明:(1)矩形柱結(jié)構(gòu)與異型柱結(jié)構(gòu)，第l～9階振型，幾乎相同。(2)異型柱在X、Y的側(cè)向剛度均大于矩形柱。(3)分析表明，用等截面異型柱代替矩形柱后，純框結(jié)構(gòu)的第一、第二、第三振動周期都有所減小。

算例的底部剪力-頂點(diǎn)位移曲線如圖1所示。由圖1可以看出，異形柱框架的頂點(diǎn)水平位移比普通框架的僅大6%，異形柱框架的底部剪力比普通框架的僅小5.7%。所以雖然兩者的曲線有一定的差異，但在整體上看還是一致的。

3.2 高層結(jié)構(gòu)體系比較

對前述計(jì)算模型中的層數(shù)為十一層，混凝土為C25，樓層數(shù)為十一層，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.0m，標(biāo)準(zhǔn)層建筑面積540m2的異型柱框－剪結(jié)構(gòu)、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)和普通剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，利用公式(1)和振型分解法，得到三種結(jié)構(gòu)體系的振動周期和樓層地震反應(yīng)力如表2和表3所示。

圖1 底部剪力－位移曲線

表2 各結(jié)構(gòu)體系振動周期(單位:s)

由表2可見，從普通剪力墻結(jié)構(gòu)到短肢剪力墻結(jié)構(gòu)和異形柱剪力墻結(jié)構(gòu)，三種結(jié)構(gòu)同一振型的振動周期逐漸增大，表明從普通剪力墻結(jié)構(gòu)到短肢剪力墻結(jié)構(gòu)和異形柱剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度依次減小，所以降低墻肢高度減小了結(jié)構(gòu)的剛度。異形柱剪力墻結(jié)構(gòu)比普通剪力墻結(jié)構(gòu)前三階周期平均增大了約14.94%，比短肢剪力墻結(jié)構(gòu)增大了約9.19%，而短肢剪力墻結(jié)構(gòu)比普通剪力墻結(jié)構(gòu)前三階周期平均增大了約5.27%。一般來說，各個振型在地震反應(yīng)中的貢獻(xiàn)隨著周期的減小而迅速減少，所以周期最大的幾個振型往往控制著最大反應(yīng)。在實(shí)際計(jì)算中一般采用2～3個振型即可。故前三階周期的增加進(jìn)一步表明剛度的降低。

表3 各結(jié)構(gòu)體系樓層地震反應(yīng)力

由表3可見，在水平地震作用下，1至11層平均來說，樓層地震反應(yīng)力最大與最小之間，相差不超過10%。普通剪力墻結(jié)構(gòu)、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)和異形柱框剪結(jié)構(gòu)的底部剪力分別為4096.07kN、3948.94kN、4243.25kN;彎矩依次為12.8kN·m、11.8kN·m、12.3kN·m?？梢钥闯?，異形柱框剪結(jié)構(gòu)的底部剪力和彎矩最大，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)和普通剪力墻結(jié)構(gòu)次之。由此說明降低墻肢高度可以減小地震作用，減少地震對結(jié)構(gòu)的影響。

4 結(jié)論

異型柱與等截面積矩形柱純框架結(jié)構(gòu)體系抗震性能對比。異型柱取代矩形柱后，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度明顯增大結(jié)構(gòu)周期變小。異型柱框架結(jié)構(gòu)的第一、第二、第三振動周期比矩形柱框架結(jié)構(gòu)平均減小8.2%、6.8%和8.1%。與矩形柱框架結(jié)構(gòu)相比異型柱框架結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移有所增大，但是在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

通過對異型柱框－剪、短肢剪力墻及全剪力墻結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)的性能對比分析，說明在相同的條件下，短肢剪力墻更具技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。與普通剪力墻結(jié)構(gòu)相比，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)最大限度的降低了結(jié)構(gòu)自重，結(jié)構(gòu)剛度小，所以其振動周期較長;短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)較小，底部剪力和彎矩小，材料充分發(fā)揮了其力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)具有較大的延性，有利于抗震，各個參數(shù)均能滿足規(guī)范的要求。

［1］ 肖建莊，黃玨，李杰，等.異型柱框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究［J］.地震工程與工程振動，2002，(4):15-19.

［2］ A.M.Mwafy，A.S.Elnashai.Stastic push－over versus dynamic collapse analysis of RC buildings［J］.Engineering Structures，2001，(23):407-424.

［3］ 葉獻(xiàn)國，李康寧.Push－over方法與循環(huán)往復(fù)加載分析的研究［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，(12):26-28.