呂劍勇

（廣東科貿(mào)職業(yè)學(xué)院 環(huán)境藝術(shù)系，廣東 廣州 510430）

0 引 言

對于具備一定抗震能力的建筑結(jié)構(gòu)來說，在小震作用下一般尚處于彈性階段，此時結(jié)構(gòu)中的絕大多數(shù)構(gòu)件不會出現(xiàn)塑性鉸。當(dāng)遭遇大震時，結(jié)構(gòu)會發(fā)生屈服，由彈性階段進(jìn)入到塑性階段，塑性鉸在構(gòu)件上會大面積地出現(xiàn)，直到失去承載能力或產(chǎn)生過大變形而破壞。

相對于普通結(jié)構(gòu)體系，帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)由于豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，在大震作用下更容易破壞，因而研究采用何種轉(zhuǎn)換形式更有利于抗震具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。

對結(jié)構(gòu)在大震作用下的彈塑性抗震能力進(jìn)行評估是防止倒塌、減輕震害的前提，而靜力彈塑性分析方法（Push－over）則是實(shí)現(xiàn)基于性能設(shè)計(jì)的有效手段，可以有效地評估結(jié)構(gòu)在大震作用下的極限承載力和模擬結(jié)構(gòu)的破壞過程[1－5]。文中以兩個托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)為例，采用Push－over方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震全過程分析，以評估它們的抗震能力。

1 建立計(jì)算模型

建立一框架－核心筒結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

在結(jié)構(gòu)底部，外圍密柱轉(zhuǎn)換為稀柱，轉(zhuǎn)換構(gòu)件分別采用梁和空腹桁架。

采用SAP2000程序?qū)τ?jì)算模型進(jìn)行Push－over分析，其主要考慮以下幾點(diǎn)：

1）為簡化分析及出于文中的分析目的，僅對結(jié)構(gòu)的X方向進(jìn)行Push－over分析；水平力分布模式分別采用均勻分布和倒三角形分布；考慮PΔ效應(yīng)。

2）為了便于運(yùn)用SAP2000程序進(jìn)行非線性分析，將剪力墻轉(zhuǎn)換成等效柱；對結(jié)構(gòu)進(jìn)行Pushover分析之前，采用SATWE程序計(jì)算出各構(gòu)件的配筋，以便SAP2000程序計(jì)算出各構(gòu)件的塑性鉸模型曲線。

3）各構(gòu)件可塑性鉸的設(shè)置：對框架梁設(shè)置純彎塑性鉸；考慮到轉(zhuǎn)換梁和空腹桁架上、下弦桿中的軸向力不容忽略，故對其設(shè)置壓（拉）彎塑性鉸；對框支柱、空腹桁架腹桿設(shè)置壓（拉）彎塑性鉸；由剪力墻轉(zhuǎn)換成的等效柱設(shè)置壓（拉）彎塑性鉸和剪切塑性鉸；此外，由于框支柱的截面較大（接近短柱），對其加設(shè)剪切塑性鉸。

4）結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)取為頂點(diǎn)位移達(dá)到結(jié)構(gòu)總高的2%或結(jié)構(gòu)不能繼續(xù)加載。

2 結(jié)構(gòu)破壞過程分析

對計(jì)算模型的X方向進(jìn)行Push－over分析，結(jié)果表明，在均勻分布和倒三角形分布的水平力作用下，空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的塑性鉸在結(jié)構(gòu)上的分布有明顯的不同。當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到承載能力極限狀態(tài)時，在外圍框架、內(nèi)部核心筒及樓面梁等部位，空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的塑性鉸比梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)開展多、分布廣。此外，兩者的框支柱和剪力墻核心筒上都出現(xiàn)了剪切塑性鉸[6－8]。

塑性鉸出現(xiàn)次序如圖2所示。

圖2 塑性鉸出現(xiàn)次序

塑性鉸在各榀抗側(cè)力結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的先后次序及破壞過程為：

1）對于梁式轉(zhuǎn)換：①轉(zhuǎn)換梁附近幾層框架梁、連接內(nèi)外筒的樓面梁開始出現(xiàn)少量塑性鉸并緩慢發(fā)展，如圖2（a）中“○”所示，此時基底剪力約為極限狀態(tài)時的45%；②轉(zhuǎn)換梁上出現(xiàn)純彎塑性鉸、框支柱出現(xiàn)剪切塑性鉸，同時外圍框架梁上的塑性鉸數(shù)量增多，內(nèi)部核心筒出現(xiàn)剪切塑性鉸并迅速發(fā)展導(dǎo)致核心筒破壞，如圖2（a）中“●”所示，此時基底剪力約為極限狀態(tài)時的90%；③外圍框架梁出現(xiàn)大面積塑性鉸，與內(nèi)部核心筒相連的框支柱出現(xiàn)剪切塑性鉸并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體破壞，如圖2（a）中“◎”所示。

2）對于空腹桁架式轉(zhuǎn)換：①空腹桁架附近幾層框架梁、連接內(nèi)外筒的樓面梁開始出現(xiàn)少量塑性鉸并緩慢發(fā)展，如圖2（b）中“○”所示，此時基底剪力約為極限狀態(tài)時的35%；②空腹桁架下弦出現(xiàn)少量純彎塑性鉸、框支柱出現(xiàn)少量剪切塑性鉸，同時外圍框架梁上的塑性鉸數(shù)量增多，內(nèi)部核心筒出現(xiàn)剪切塑性鉸并迅速發(fā)展導(dǎo)致核心筒破壞，如圖2（b）中“●”所示，此時基底剪力約為極限狀態(tài)時的60%；③空腹桁架上下弦桿、外圍框架梁上出現(xiàn)大面積塑性鉸，與內(nèi)部核心筒相連的框支柱出現(xiàn)剪切塑性鉸并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體最終破壞，如圖2（b）中“◎”所示[6－8]。

從以上結(jié)構(gòu)破壞過程分析中可以看出，梁式轉(zhuǎn)換的塑性鉸集中出現(xiàn)在第二階段，且破壞過程短促；而空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的破壞過程長，破壞時塑性鉸出現(xiàn)的數(shù)量多、分布廣泛，并且大部分塑性鉸出現(xiàn)在第三階段，反映出后者更有利于耗散地震能量，減輕震害。尤其在后期破壞階段，當(dāng)內(nèi)部核心筒發(fā)生破壞時，空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的整體承載能力仍然有比較大的安全儲備（此時基底剪力僅為極限承載能力的60%，而梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的基底剪力已達(dá)極限承載能力的90%），這對于提高結(jié)構(gòu)整體的抗震性能和抗倒塌能力是非常有益的。

3 結(jié)構(gòu)抗震能力分析

對計(jì)算模型的X方向進(jìn)行Push－over分析，分別得到結(jié)構(gòu)在均勻分布和倒三角形分布水平力作用下的基底剪力－頂點(diǎn)位移關(guān)系曲線（能力曲線），如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)能力曲線

對應(yīng)于結(jié)構(gòu)出現(xiàn)第一批塑性鉸和結(jié)構(gòu)達(dá)極限狀態(tài)時的基底剪力見表1。

表1 結(jié)構(gòu)基底剪力 kN

根據(jù)圖3和表1可以看出，對于托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)第一批塑性鉸時，兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的基底剪力相差不大，說明這兩種結(jié)構(gòu)的彈性抗震能力比較接近，基本上同時進(jìn)入屈服階段。而當(dāng)結(jié)構(gòu)到達(dá)極限狀態(tài)時，采用轉(zhuǎn)換空腹桁架時的基底剪力要比采用轉(zhuǎn)換梁時大很多，說明前者的塑性抗震能力要強(qiáng)于后者。又因?yàn)榍罢叩乃苄糟q開展充分，特別是在后期破壞階段結(jié)構(gòu)仍然具備較大的承載能力，所以相比較于梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)更有利于發(fā)揮結(jié)構(gòu)的整體作用，具有更強(qiáng)的彈塑性抗震能力。

4 結(jié) 語

通過對兩種托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的破壞過程和抗震能力的分析，可以得到以下結(jié)論：

1）相對于梁式轉(zhuǎn)換，空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的破壞過程長，破壞時塑性鉸出現(xiàn)的數(shù)量多、分布廣泛；尤其在后期破壞階段，當(dāng)主要抗側(cè)力構(gòu)件（內(nèi)部核心筒）屈服后，空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)仍然具有較大的整體承載能力。

2）相對于梁式轉(zhuǎn)換，采用空腹桁架轉(zhuǎn)換可以更有效地提高結(jié)構(gòu)的極限承載能力，更充分地發(fā)揮結(jié)構(gòu)的整體作用，更利于耗散地震能量，從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的彈塑性抗震能力。

因此，在托柱結(jié)構(gòu)中采用空腹桁架進(jìn)行轉(zhuǎn)換是一種行之有效的措施，對于結(jié)構(gòu)在大震作用下減輕震害、防止倒塌大有裨益。

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