閆麗娟，馬亞楠

（青島理工大學(xué)琴島學(xué)院 土木工程系，山東青島266106）

0 引言

在結(jié)構(gòu)豎直方向由型鋼混凝土 SRC（Steel Reinforced Concrete）框架和鋼筋混凝土 RC（Reinforced Concrete）框架組合而成的結(jié)構(gòu)體系稱為SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)兩者的位置關(guān)系，可以形成下部混凝土—上部型鋼混凝土豎向混合框架結(jié)構(gòu)和下部型鋼混凝土—上部混凝土豎向混合框架結(jié)構(gòu)2種類型。這種豎向混合框架結(jié)構(gòu)在日本應(yīng)用較早且發(fā)展較好［1－3］，目前我國高層建筑中也有所應(yīng)用，但主要采用下部型鋼混凝土—上部混凝土豎向混合框架結(jié)構(gòu)類型，底部樓層采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)［2］，其強(qiáng)度顯著提高，減小了框架柱的截面尺寸和結(jié)構(gòu)自重，加大了建筑物的使用面積［1］。

SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)因其良好的經(jīng)濟(jì)性和抗震性而得到了一定應(yīng)用，但對(duì)其過渡層的理論研究并不成熟，一直滯后于工程實(shí)踐。過渡層是指型鋼混凝土結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換部位，兩者在強(qiáng)度和剛度上存在比較大的差異，在地震作用下，過渡層位置處容易形成薄弱層，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，所以過渡層的合理設(shè)計(jì)是 SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。20世紀(jì)中期，今野修等通過對(duì)13個(gè)試件進(jìn)行低周期反復(fù)加載研究，分析了過渡層柱在拉、壓反復(fù)軸向荷載作用下的受力性能［3－4］；山口美有希等對(duì)3個(gè)SRC-RC過渡層柱試件進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，結(jié)果表明：過渡層柱具有介于鋼筋混凝土柱和型鋼混凝土柱之間的變形能力［5］；木村潤(rùn)一等考察了過渡層柱中型鋼的加強(qiáng)鋼筋和型鋼延伸高度對(duì)柱抗震性能的影響［6］。

目前，國內(nèi)工程界對(duì)SRC-RC豎向混合結(jié)構(gòu)過渡層的抗震性能的研究亦較多。薛建陽等對(duì)過渡層位置的確定和過渡層形式設(shè)計(jì)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)分析，結(jié)果表明：SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)的過渡層位置宜設(shè)置在結(jié)構(gòu)中部，過渡層柱的設(shè)計(jì)宜采用中間過渡法，而且過渡層柱中型鋼的延伸長(zhǎng)度會(huì)影響其抗震性能［7－8］。上述研究局限于過渡層柱單個(gè)構(gòu)件的研究，但是對(duì)于整個(gè)SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)如何設(shè)計(jì)過渡層形式研究很少。在行業(yè)規(guī)程《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》《鋼骨混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程》中對(duì)SRC柱和RC柱上、下層的連接（即過渡層）提出了簡(jiǎn)明的設(shè)計(jì)要求，但對(duì)于過渡層形式并未作出詳細(xì)規(guī)定［2］。基于此，文章從結(jié)構(gòu)的整體角度對(duì)不同過渡形式的SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了靜力彈塑性Pushover分析，通過對(duì)比各結(jié)構(gòu)模型的水平承載力、延性系數(shù)、基底剪力—頂點(diǎn)位移關(guān)系曲線、塑性鉸出現(xiàn)順序及其分布形式，得出了不同過渡形式對(duì)結(jié)構(gòu)抵抗地震作用能力的影響，進(jìn)而確定了具有較好抗震性能的過渡層形式。

1 靜力彈塑性Pushover分析法簡(jiǎn)述

靜力彈塑性分析的基本原理是將多自由度結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)化成單自由度結(jié)構(gòu)體系，然后計(jì)算此體系在地震作用下的最大位移，并將其作為目標(biāo)位移［9］；Pushover分析是在此基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)施加逐步增大的側(cè)向荷載，直到結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)位移，將分析所得的結(jié)果如基底水平剪力、層間位移等與相關(guān)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震性能。

Pushover分析方法的主要步驟如下：（1）建立結(jié)構(gòu)模型；（2）在結(jié)構(gòu)上施加側(cè)向荷載并對(duì)其進(jìn)行推覆分析；（3）推覆分析直到結(jié)構(gòu)達(dá)到目標(biāo)位移；（4）得出Pushover曲線、塑性鉸出現(xiàn)順序及其分布情況。

進(jìn)行SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)的Pushover分析時(shí)需要解決2個(gè)問題：（1）確定結(jié)構(gòu)的目標(biāo)位移，采用能力譜法確定目標(biāo)位移；（2）自定義塑性鉸，鋼筋混凝土框架梁梁端塑性鉸采用軟件指定的M3鉸，鋼筋混凝土框架柱端采用PMM鉸［10－12］，均采用其默認(rèn)屬性，型鋼混凝土柱端根據(jù)軸力和雙向彎矩相關(guān)作用確定塑性鉸屬性。

2 SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)模型建立

采用12個(gè)12層的SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)模型M2～M13和1個(gè)12層的RC框架結(jié)構(gòu)模型M1進(jìn)行計(jì)算分析。所有結(jié)構(gòu)模型的層高均取3 m，結(jié)構(gòu)模型縱、橫向框架柱的間距均取6 m，RC框架柱和 SRC框架柱均采用正方形截面，其邊長(zhǎng)為700 mm，所有框架梁截面尺寸為 300 mm×600 mm［9］，M2～M5中下部型鋼混凝土柱中型鋼延伸到整個(gè)過渡層高度，型鋼采用焊接H型鋼，型鋼型號(hào)為H450×400×25×30，材料級(jí)別為Q345?？蚣苤c框架梁的混凝土級(jí)別分別為C40和C35，而縱向受力鋼筋和箍筋則分別采用HRB400和HPB300。結(jié)構(gòu)中框架梁采用SAP2000默認(rèn)配筋方式，框架柱配置20根直徑為20 mm的縱向受力鋼筋，箍筋采用10＠100，經(jīng)計(jì)算可知其配筋和強(qiáng)度等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)模型布置如圖1所示，各模型參數(shù)見表1，其中Ai為x方向第i排過渡層柱所處的樓層位置，i為 1、2、3、4、5；Vu為基底剪力峰值，kN；Δy、Δu分別為屈服位移和極限位移，mm；μ為延性系數(shù)。

圖1 模型M4的結(jié)構(gòu)布置圖

表1 各模型參數(shù)

3 結(jié)果與分析

采用SAP2000建立M1～M13結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行Pushover分析時(shí)，采用能力譜法確定結(jié)構(gòu)模型的目標(biāo)位移，以位移控制作為Pushover分析的控制方法，并對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行逐級(jí)施加側(cè)向力的加載方式進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的基底剪力、位移及塑性鉸分布情況。

此外，在進(jìn)行Pushover分析時(shí)，框架梁梁端塑性鉸采用軟件指定的M3鉸，鋼筋混凝土框架柱端采用PMM鉸，均采用系統(tǒng)默認(rèn)屬性。型鋼混凝土柱端采用的是軸向力和雙向彎矩相互作用而產(chǎn)生的自定義塑性鉸［1］。

3.1 水平承載力對(duì)比分析

經(jīng)過計(jì)算分析，得到各結(jié)構(gòu)模型的基底剪力，根據(jù)基底剪力繪得結(jié)構(gòu)的水平承載力曲線，如圖2所示。

由圖2可知，M2～M13基底剪力峰值明顯高于M1的基底剪力峰值，其中，M4的基底剪力峰值最大，較M1提高了398 kN，可見，SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的水平承載力比鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的水平承載力高；比較M2～M7的基底剪力，可知M4模型的最大；比較M8～M13的基底剪力，可以發(fā)現(xiàn)M10模型的最大，說明SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)中，當(dāng)結(jié)構(gòu)兩側(cè)過渡層柱所處樓層最高，中部過渡層柱所處樓層次之時(shí)，結(jié)構(gòu)y方向的水平承載力最高。

圖2 結(jié)構(gòu)模型水平承載力曲線圖

3.2 變形能力對(duì)比分析

表1中各結(jié)構(gòu)模型的延性系數(shù)μ＝Δu／Δy，其中，屈服位移Δy和極限位移Δu是運(yùn)用能量法［13］計(jì)算得出，模型M1～M13的延性系數(shù)變化如圖3所示。通過表1和圖3可知，13個(gè)模型結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)均大于3.75，說明這些結(jié)構(gòu)均屬于延性結(jié)構(gòu)，其在罕遇地震作用下均具有較好的變形能力。其中，模型M2～M7的延性系數(shù)平均值與模型M1相比，降低5.91%，而且延性系數(shù)最大的模型為M6；模型M8～M13的延性系數(shù)平均值與模型M1相比，降低3.47%，其中延性系數(shù)最大的模型為M8。由此可知，在地震作用下，SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)的變形能力比鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的低；模型M8～M13的延性系數(shù)平均值比模型M2～M7的延性系數(shù)平均值高2.44%，說明在SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)中，當(dāng)過渡層柱的位置由3～5層提高到4～6層時(shí)，結(jié)構(gòu)的變形能力有所提高。

圖3 模型延性系數(shù)曲線圖

3.3 結(jié)構(gòu)基底剪力—頂點(diǎn)位移關(guān)系曲線（Pushover曲線）對(duì)比分析

對(duì)前5組結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行Pushover分析，可分別得到各個(gè)模型的基底剪力—頂點(diǎn)位移關(guān)系曲線，如圖4所示，M1～M5的基底剪力—頂點(diǎn)位移關(guān)系曲線形式一致，尤其在彈性階段，5條曲線基本重合。進(jìn)入塑性后，模型M1的曲線斜率較其他曲線斜率平緩，且最大頂點(diǎn)位移值最小，說明普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性后，變形能力較SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)的差。

圖4 結(jié)構(gòu)模型基底剪力—頂點(diǎn)位移關(guān)系曲線圖

3.4 塑性鉸分布情況對(duì)比分析

模型M1的Pushover推覆結(jié)果［14］如圖5所示，模型側(cè)向最大位移達(dá)到95.54 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)首先在4～5層梁端出現(xiàn)塑性鉸，說明首先進(jìn)入屈服狀態(tài)的是框架梁，隨著水平位移的增加，越來越多的框架梁出現(xiàn)塑性鉸［15］，隨著水平側(cè)向力的繼續(xù)增加，塑性鉸開始在底層柱端出現(xiàn)，表明底層柱達(dá)到屈服，繼續(xù)增加推覆位移，越來越多的塑性鉸出現(xiàn)在柱底且不斷發(fā)展；直至模型M1頂點(diǎn)側(cè)移達(dá)到398.22 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)的塑性鉸基本出齊，很快變成機(jī)動(dòng)體系，發(fā)生破壞。

結(jié)構(gòu)模型M4的塑性鉸分布如圖6所示，模型M4的頂點(diǎn)側(cè)向最大位移達(dá)到101.45 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)首先在4層梁端出現(xiàn)塑性鉸，并且向上向下發(fā)展，2～12層的梁端均出現(xiàn)塑性鉸。隨著水平推覆位移增加，結(jié)構(gòu)4層柱端出現(xiàn)塑性鉸，說明過渡層的框架柱首先屈服，推覆繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)模型側(cè)向最大位移達(dá)到387.70 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)3～4層的柱端均出現(xiàn)塑性鉸，同時(shí)過渡層中的柱端塑性鉸不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)中上層梁的塑性鉸進(jìn)入極限狀態(tài)。由此可見，與鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)相比，SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)由于在結(jié)構(gòu)下部一定范圍內(nèi)配置了型鋼［15］，所以在結(jié)構(gòu)破壞之前，此種結(jié)構(gòu)可以出現(xiàn)較多的塑性鉸來消耗地震所釋放出的能量，從而提高了SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)的變形能力，而且結(jié)構(gòu)破壞屬于梁鉸機(jī)制，符合“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，增加了結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。

圖5 結(jié)構(gòu)模型M1的塑性鉸分布圖

圖6 結(jié)構(gòu)模型M4的塑性鉸分布圖

模型M10的Pushover推覆結(jié)果與模型M4的相似，只是當(dāng)模型M10的側(cè)向最大位移達(dá)到103.9 mm時(shí)，4層梁端開始出現(xiàn)塑性鉸，模型側(cè)向最大位移達(dá)到404.55 mm時(shí)，梁柱塑性鉸全部出齊，整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，

說明SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)過渡層柱位置從3～5層均勻地升至4～6層時(shí)，結(jié)構(gòu)的變形性能略有改善。

4 結(jié)論

通過上述分析可知：

（1）SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)模型M2～M13的水平承載力均高于M1的水平承載力，其中，M4的水平承載力最大，較M1的提高了398 kN。說明采用底部配置型鋼的SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)可以提高結(jié)構(gòu)的水平承載能力。SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)兩側(cè)過渡層柱所處樓層最高、中部過渡層柱所處樓層次之時(shí)，結(jié)構(gòu)的水平承載力最高，建議在實(shí)際工程中采用此種過渡形式。

（2）SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)過渡層柱的位置由3～5層升至4～6層時(shí)，結(jié)構(gòu)的平均延性系數(shù)提高2.44%，表明結(jié)構(gòu)的變形能力有所提高。

（3）在整個(gè)框架結(jié)構(gòu)破壞前，SRC-RC豎向混合框架結(jié)構(gòu)的梁端、柱端能夠形成比RC框架結(jié)構(gòu)更多的塑性鉸，這些塑性鉸可以吸收地震所釋放的能量，且大部分的塑性鉸出現(xiàn)在梁端，符合“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，使結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)受罕遇地震作用而不倒塌，具有較好的延性和安全性。

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