皮驍汗,趙健新,張愛(ài)環(huán)

1.西南大學(xué) 附屬中學(xué),重慶 400700

2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400030

3.江蘇南通職業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,江蘇 南通 226000

震害結(jié)果、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)及模擬分析結(jié)果均表明[1,2]，在以聯(lián)肢剪力墻作為主要抗側(cè)向力結(jié)構(gòu)構(gòu)件的各類鋼筋混凝土多、高層抗震結(jié)構(gòu)中，幾乎全是各層連梁兩端先相繼在正、負(fù)彎矩下形成塑性鉸，隨著結(jié)構(gòu)變形的增大，當(dāng)各層連梁塑性鉸區(qū)受壓混凝土壓潰，如果只留下柱底鉸能進(jìn)一步參與耗散地震輸入能量，結(jié)構(gòu)的抗水平地震能力就即將達(dá)到極限，結(jié)構(gòu)就將開(kāi)始其不可逆倒塌過(guò)程。因此，合理的做法是從控制連梁損毀的局部角度來(lái)對(duì)連梁在設(shè)計(jì)最大地震下的性態(tài)進(jìn)行控制，使連梁在失效前能保持的非彈性變形能力(或延性能力)以足夠的裕量大于設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)最大地震下連梁端的非彈性變形需求(或延性需求)。

考慮到高層剪力墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度的要求，以及受到建筑門窗洞口尺寸的限制，剪力墻中通常會(huì)出現(xiàn)跨高比較小的洞口連梁。在水平地震作用下，小跨高比連梁剪彎比較大，剪切作用及其效應(yīng)在梁中逐漸起控制作用，如果不采取專門適應(yīng)連梁主應(yīng)力分布特征的配筋形式或其它構(gòu)造要求很難防止連梁發(fā)生過(guò)早的剪切破壞，其延性能力將不會(huì)滿足結(jié)構(gòu)的延性需求。鑒于此，本研究課題組提出了三類用于不同剪壓比水準(zhǔn)的小跨高比連梁的配筋方案(綜合斜筋連梁、對(duì)角斜筋連梁及普通配筋連梁)及相應(yīng)的抗震構(gòu)造要求，并分別完成了數(shù)量較多試件的試驗(yàn)，從試驗(yàn)和模型分析中出的抗力下降到峰值抗力85%或分析中發(fā)生混凝土剪切壓潰的極限變形作為小跨高比連梁的非彈性變形能力[3]。為了獲得對(duì)應(yīng)的延性需求，本文將設(shè)計(jì)3個(gè)框架－剪力墻典型結(jié)構(gòu)(分別為30層和24層)，對(duì)這些典型結(jié)構(gòu)分別輸入了按中國(guó)8度0.2 g區(qū)和8度0.3 g區(qū)罕遇地震水準(zhǔn)進(jìn)行了標(biāo)定的符合中國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)的各5條地面運(yùn)動(dòng)記錄，并采用適用于多、高層框架結(jié)構(gòu)、抗震墻結(jié)構(gòu)、框架－抗震墻結(jié)構(gòu)和框架－核心筒結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力反應(yīng)分析程序FW-EPA[4]完成非線性動(dòng)力反應(yīng)分析，以驗(yàn)證上述三類小跨高比連梁延性性能的有效性。

1 典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三種典型結(jié)構(gòu)分別命名為模型一～模型三，結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示(僅列出模型一)。

圖1 典型結(jié)構(gòu)的平面圖Fig.1 Typical structural plane

結(jié)構(gòu)高度及材料強(qiáng)度等具體參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)模型參數(shù)Table 1 Parameters of structure models

三個(gè)典型結(jié)構(gòu)的樓面及屋面板厚均取為100 mm，樓面恒載為4.0 kN/m2，屋面恒載取為6.0 kN/m2，隔墻線荷載統(tǒng)一取為5.0 kN/m，結(jié)構(gòu)自重由程序計(jì)算；樓面及屋面活荷載均取為2.0 kN/m2；地震作用則根據(jù)樓層質(zhì)量及相應(yīng)地震烈度按振型反應(yīng)譜法確定，所有結(jié)構(gòu)均按Ⅱ類場(chǎng)地、設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用SAP－2000軟件進(jìn)行彈性分析，表2列出了三個(gè)典型結(jié)構(gòu)分別在地震作用下的主要計(jì)算信息及計(jì)算結(jié)果。從表中看出，最大層間位移角、框架柱及剪力墻的最大軸壓比均接近規(guī)范規(guī)定限值，故三個(gè)結(jié)構(gòu)均是規(guī)范條文設(shè)計(jì)的最不利結(jié)構(gòu)，在后續(xù)非線性動(dòng)力時(shí)程將得出的偏不利分析結(jié)果。三個(gè)典型結(jié)構(gòu)的層數(shù)、層高，剪力墻、連梁、框架梁和框架柱等構(gòu)件截面尺寸及配筋詳見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。

表2 地震作用下典型結(jié)構(gòu)彈性分析結(jié)果Table 2 Elasticity analysis results of typical structure under earthquake action

2 非線性動(dòng)力反應(yīng)分析及其主要結(jié)果

2.1 單元的模型化及恢復(fù)力滯回模型

FW-EPA程序在對(duì)組成框架－剪力墻結(jié)構(gòu)各桿件進(jìn)行模型化和確定各單元的滯回模型特征時(shí)，框架梁柱單元采用了修正的單分量模型且桿端彈簧采用修正的Takeda三線型模型[5]；剪力墻采用多豎桿模型，其豎向單元彈簧采用軸向雙線型滯回模型，水平剪切彈簧滯回曲線采用剛度退化的三線型[4]；連梁采用單分量模型，跨高比較大時(shí)(L/h＞2.5)滯回模型與普通梁類似，跨高比較小時(shí)(L/h≤2.5)根據(jù)已有試驗(yàn)結(jié)果改用新建議的四折線模型模擬[3]。

2.2 地震動(dòng)的輸入及處理

結(jié)構(gòu)分析所采用地震波來(lái)自于美國(guó)berkeley波庫(kù)，先從中選出100多條符合要求的加速度記錄，再通過(guò)雙頻段[6]選波方法進(jìn)一步篩選出5條用于本次非線性分析的地震動(dòng)輸入，其中模型一地震動(dòng)加速度為4.2 m/s2，選用地震波分別是El centro、Taft、USA00106、USA00211、USA04206波；模型二地震動(dòng)加速度為5.1 m/s2，選用地震波分別是El centro、Taft、USA04614、USA00211、USA04620波；模型三地震動(dòng)加速度為5.1 m/s2，選用地震波分別是El centro、Taft、USA04614、USA02622、USA00162波。

在應(yīng)用上表中各條地震波進(jìn)行非線性動(dòng)力反應(yīng)分析之前，還需對(duì)每條地震波進(jìn)行標(biāo)定，即對(duì)各時(shí)刻地面運(yùn)動(dòng)加速度按一定比例調(diào)整，使調(diào)整后的加速度峰值相當(dāng)于結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)所要驗(yàn)證的地震水準(zhǔn)的加速度值。

2.3 結(jié)構(gòu)非彈性位移反應(yīng)

表3列出了本次算例各結(jié)構(gòu)在各條地面運(yùn)動(dòng)作用下的最大位移反應(yīng)。表中顯示，三個(gè)結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的最大層間位移角分別為0.34%、0.53%和0.56%，最大頂點(diǎn)水平位移位于0.04 m到0.3 m之間。由于跨高比較小和斜筋對(duì)連梁剛度的提高作用，取用綜合斜筋方案連梁的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)普遍比取用普通配筋的跨高比相對(duì)偏大的連梁的稍小，由此也帶來(lái)這兩種結(jié)構(gòu)在塑性鉸和連梁內(nèi)力分布上存在的一定差異。

表3 各結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的位移反應(yīng)Table 3 Displacement response of each structure under rare earthquakes

2.4 塑性鉸分布

圖2給出了三個(gè)典型結(jié)構(gòu)在不同地面運(yùn)動(dòng)輸入下的塑性鉸分布及各塑性鉸的最大弦轉(zhuǎn)角延性需求。圖中看出，由于地震地面運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性及結(jié)構(gòu)非彈性多自由度振動(dòng)的復(fù)雜性，各典型結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性狀態(tài)的程度有較大差別，同一結(jié)構(gòu)在各條地面運(yùn)動(dòng)輸入下的反應(yīng)也有較大差異，但總體上結(jié)構(gòu)的塑性鉸都主要形成在連梁兩端，且大部分集中在結(jié)構(gòu)的中部、下部樓層，頂部幾層形成塑性鉸的機(jī)率相對(duì)偏小，同一連梁兩端塑性鉸的最大弦轉(zhuǎn)角基本相同。在部分地震動(dòng)輸入下剪力墻肢底部也有塑性變形出現(xiàn)或甚至已形成塑性鉸?？蚣懿糠殖齻€(gè)別地震波作用下形成梁端塑性鉸外，其它情況梁、柱均未形成塑性鉸，且已形成的梁鉸多位于結(jié)構(gòu)中下部樓層。

2.5 小跨高比連梁位移延性需求

從概念上說(shuō)，抗震安全性應(yīng)建立在出現(xiàn)塑性鉸的構(gòu)件需經(jīng)試驗(yàn)確定的延性能力大于由非彈性動(dòng)力反應(yīng)分析確認(rèn)的在大震作用下的延性需求，但現(xiàn)各國(guó)地震工程界對(duì)上述判定尚無(wú)公認(rèn)做法可循，在這種情況下宜按以下思路判別延性能力與延性需求關(guān)系。

圖2 結(jié)構(gòu)塑性鉸分布及連梁位移延性系數(shù)Fig.2 Structural plastic hinge distribution and displacement ductility coefficients of coupling beams

首先，已完成的在類似地震條件下按中國(guó)0.4 g區(qū)(475年重現(xiàn)期地面運(yùn)動(dòng)峰值加速度)和中國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)設(shè)計(jì)的多層多跨框架結(jié)構(gòu)(一級(jí)抗震等級(jí))與在0.4 g區(qū)按歐盟EC8規(guī)范設(shè)計(jì)的高延性等級(jí)(DCH)的同樣結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力反應(yīng)分析對(duì)比，中國(guó)與歐盟的同級(jí)別的框架結(jié)構(gòu)具有頗為相近的抗震性態(tài)表現(xiàn)，而按歐盟與美國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)(美國(guó)為高延性等級(jí)“專用框架結(jié)構(gòu)”(Special moment frames))也具有相近的抗震性態(tài)表現(xiàn)。因此，可以初步判定中國(guó)0.4 g區(qū)一級(jí)抗震等級(jí)框架抗震設(shè)計(jì)方法和抗震設(shè)計(jì)措施所體現(xiàn)的大震性態(tài)水準(zhǔn)與歐盟和美國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)近似。

然后，通過(guò)非線性動(dòng)力反應(yīng)分析得到這類框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下各塑性鉸部位的延性需求，并將其與Fardis等人由收集到的數(shù)百個(gè)梁塑性鉸區(qū)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)回歸出的延性能力相比較[7]。在表4中給出了文獻(xiàn)列出的上述框架結(jié)構(gòu)罕遇地震下梁塑性鉸的延性能力與延性需求對(duì)比。從表中可以看出，在設(shè)防烈度九度一級(jí)抗震等級(jí)框架結(jié)構(gòu)中，具有95%保證率的梁端轉(zhuǎn)動(dòng)能力與梁端轉(zhuǎn)動(dòng)需求之比在2.3～4.0倍之間。

表4 框架結(jié)構(gòu)在3條罕遇地面運(yùn)動(dòng)輸入下的梁端最大轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)動(dòng)能力Table 4 The maximum turning angle and rotational capacity of the frame beam at the input of 3 rare ground motions

框架結(jié)構(gòu)梁端塑性鉸若充分發(fā)育，極易導(dǎo)致底層柱底塑性鉸的明顯轉(zhuǎn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)倒塌；而在聯(lián)肢剪力墻中，由于現(xiàn)在各國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范多通過(guò)約束邊緣構(gòu)件對(duì)墻肢底部作了有效防護(hù)，墻肢底部即使在各層連梁端都已發(fā)生較大非彈性變形、甚至發(fā)生失效后都僅僅剛進(jìn)入屈服后變形狀態(tài)，或甚至一直尚未屈服。這表明，并不需過(guò)分擔(dān)心墻肢底部的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)隨連梁的屈服而加劇，故對(duì)聯(lián)肢墻連梁端塑性鉸而言，其延性能力與延性需求之比或許可以比框架結(jié)構(gòu)梁端塑性鉸適度偏小。

圖3 連梁延性需求統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.3 Statistical histogram of coupling beams’ductility demand

圖3 根據(jù)圖2給出了三個(gè)典型結(jié)構(gòu)連梁端塑性鉸在罕遇地震水準(zhǔn)各5條地面運(yùn)動(dòng)輸入下的最大弦轉(zhuǎn)角延性需求統(tǒng)計(jì)直方圖和匯總統(tǒng)計(jì)的直方圖。從中可以看出有95%的梁端弦轉(zhuǎn)角延性均未超過(guò)2.40。若假定取μs/μd=1.5，則連梁的弦轉(zhuǎn)角延性能力應(yīng)在約3.5以上。

3 結(jié)論

(1)為了識(shí)別抗震框架－剪力墻結(jié)構(gòu)及框架－核心筒結(jié)構(gòu)中聯(lián)肢墻及聯(lián)肢筒壁中的洞口連梁在罕遇水準(zhǔn)地震下的反應(yīng)變形需求，本論文共設(shè)計(jì)了3個(gè)高度為20～30層的框架－剪力墻典型結(jié)構(gòu)，利用非彈性動(dòng)力反應(yīng)分析程序FW－EPA完成了輸入5條地面運(yùn)動(dòng)的非彈性動(dòng)力反應(yīng)分析，得到了層間位移及構(gòu)件塑性鉸分布規(guī)律。

(2)根據(jù)形成“梁鉸機(jī)構(gòu)”的框架結(jié)構(gòu)和形成“連梁鉸機(jī)構(gòu)”的聯(lián)肢墻的不同抗倒塌特點(diǎn)，墻肢底部通常有比框架柱頂部明顯偏強(qiáng)的抗倒塌潛力的特點(diǎn)，提出對(duì)聯(lián)肢墻連梁可以取用比框架梁明顯偏小的梁“延性能力需求比”的建議。

(3)根據(jù)3個(gè)典型結(jié)構(gòu)聯(lián)肢墻連梁罕遇地震下延性需求的分析結(jié)果及相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，本文確認(rèn)可以取弦轉(zhuǎn)角位移延性為3.5作為連梁罕遇地震弦轉(zhuǎn)角延性的最低控制界限，該延性需求小于文獻(xiàn)[3]提出的三類小跨高比配筋連梁的延性能力，從而能確保該三類配筋連梁可以在高延性高抗震風(fēng)險(xiǎn)聯(lián)肢墻中有條件使用。

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