張愛萍 陳艷

(1.成都工業(yè)學院 建筑與環(huán)境工程學院 四川成都 611730； 2.山東交通職業(yè)學院 公路與建筑學院 山東濰坊 261206)

0 引言

近年來，高層建筑發(fā)展趨勢迅速，結(jié)構(gòu)形式更加復雜，為了滿足建筑使用功能多樣性需求，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)廣泛應用于高層建筑。在高層建筑結(jié)構(gòu)的底部，當上部樓層部分豎向構(gòu)件(剪力墻、框架柱)不能直接連續(xù)貫通落地，應設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，形成帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)[1]。底部大空間，上部小空間建筑結(jié)構(gòu)并不滿足建筑結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計的要求，豎向剛度不均勻,結(jié)構(gòu)剛度突變極易產(chǎn)生薄弱層，對抗震不利，因此在結(jié)構(gòu)形式發(fā)生變化的部位設(shè)置轉(zhuǎn)換構(gòu)件,并根據(jù)轉(zhuǎn)換層設(shè)置位置控制剪切剛度比和等效側(cè)向剛度比值，避免剪力分配突變和剛度突變產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)破壞。

本文對高層建筑高低位轉(zhuǎn)換在水平荷載作用下的破壞特征、塑性損傷情況等抗震性能進行研究，探究其耗能性，以改善結(jié)構(gòu)設(shè)計，抵抗地震災害等破壞荷載作用。

1 混凝土塑性損傷本構(gòu)關(guān)系

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在強烈地震作用下局部發(fā)生損傷，進入塑性階段，構(gòu)件在滯回過程中損傷退化，對材料本構(gòu)關(guān)系產(chǎn)生影響。鋼筋的本構(gòu)模型采用二折線模型(Kinematic hardening)，混凝土采用塑性損傷模型(Concrete damaged plasticity model)[2-5]，即混凝土損傷由拉壓損傷參數(shù)控制材料的壓縮和拉伸破壞。

依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[6]附錄C中混凝土本構(gòu)關(guān)系的單軸拉壓應力應變曲線推導公式：

單軸受拉：

(1)

單軸受壓：

(2)

公式中αt、αc分別表示混凝土單周受拉和單軸受壓應力應變曲線下降段的參數(shù)值。αt，εt,r；αc，εc,r可分別根據(jù)GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》表C.2.3和表C.2.4取值。

ABAQUS中采用應力—塑性應變定義塑性混凝土，在混凝土拉壓應力應變基礎(chǔ)上，通過公式得到應力-塑性應變關(guān)系。

拉應力-塑性應變：(σt>ft為塑性行為)

(3)

壓應力-塑性應變：( 為塑性行為)

(4)

2 轉(zhuǎn)換層數(shù)值模型有限元分析

2.1 數(shù)值模型數(shù)據(jù)資料

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》10.2.2規(guī)定帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)，其剪力墻底部加強部位的高度應從地下室頂板算起，宜取至轉(zhuǎn)換層以上兩層且不宜小于房屋總高度的1/10。模型參照重慶大學重點實驗室關(guān)于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)相關(guān)實驗研究材料，基于某框支剪力墻轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)1/4縮尺鋼筋混凝土模型，轉(zhuǎn)換層數(shù)值模型為兩跨取至轉(zhuǎn)換層以上兩層結(jié)構(gòu)[7-9]。模型材料采用C35混凝土(fc=2.4×107N/m2,ft=2.2×106N/m2,E=3.15×1010N/m2)，梁柱縱筋采用HRB400鋼筋(fy=4.0×108N/m2,fst=5.4×1010N/m2)，梁柱箍筋及剪力墻配筋采用HPB300鋼筋(fy=3.0×108N/m2,fst=4.2×1010N/m2)。

MODEL1尺寸如下:

轉(zhuǎn)換層與剪力墻層高度分別為1200mm和1550mm,框架跨度為2150mm,連梁高度為150mm,剪力墻厚度為100mm,轉(zhuǎn)換梁截面尺寸為200mm×400mm，框支柱截面尺寸為250mm×250mm。

MODEL1配筋情況如表1所示。

表1 MODEL1配筋

MODEL2尺寸如下：

框架層，轉(zhuǎn)換層和剪力墻層層高分別為800mm、1200mm和1550mm,框架跨度為2125mm,框支柱截面尺寸為275mm×275mm,框架梁截面尺寸為100mm×200mm,其余同MODEL1。為防止剪力墻頂端局部破壞，設(shè)置加載梁，同時在框支柱端部設(shè)置剛度大的支座梁，避免柱底發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

2.2 MODEL1數(shù)值模型建立

該轉(zhuǎn)換層數(shù)值模型采用實體單元C3D8R模擬混凝土，采用桁架單元T3D2模擬鋼筋[10]。MODEL1構(gòu)造示意圖如圖1所示。鋼筋與混凝土的接觸方式采用嵌入式(Embedding)，基于無滑移假定，將鋼筋單元采用內(nèi)置方式嵌入混凝土內(nèi)部，忽略接觸面的力學作用對結(jié)構(gòu)剛度的作用。模型加載模式采用荷載-位移控制(據(jù)《抗規(guī)》[1]表6.3.6，控制柱軸壓比限值小于0.7)，如圖2所示。網(wǎng)格劃分是有限元分析的重要環(huán)節(jié)，從保證分析結(jié)果的精度和降低計算效率兩方面考慮，混凝土和鋼筋單元網(wǎng)格大小分別為0.15m和0.05m，應力集中區(qū)域、結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位及塑性區(qū)變形較大區(qū)域處可進行網(wǎng)格細化。

圖1 MODEL1構(gòu)造示意圖

圖2 MODEL1加載模式

2.3 MODEL1有限元分析

圖3、圖4分別為底部框支剪力墻轉(zhuǎn)換層構(gòu)件在位移荷載作用下混凝土和鋼筋骨架的應力云圖。

圖3 MODEL1混凝土應力云圖

圖4 MODEL1鋼筋骨架應力云圖

MODEL1混凝土應力云圖顯示：1.79×107N/m2>1.68×107N/m2，由公式(4)σc>0.7fc知，已發(fā)生塑性變形，圖3 中框支柱、梁柱節(jié)點及剪力墻底部局部荷載作用下已經(jīng)發(fā)生塑性變形。

MODEL1受力情況根據(jù)Animate分析，變形主要集中在轉(zhuǎn)換層，框支柱和剪力墻底部損傷嚴重。中柱較邊柱損傷嚴重，左邊柱下部及右邊柱上部受拉損傷較重。梁柱節(jié)點區(qū)應力擴展較快，轉(zhuǎn)換梁在上部豎向荷載作用下產(chǎn)生較大撓度。剪力墻應力區(qū)由剪力墻底部與框支柱交界處逐漸向外擴展。連梁在水平荷載的作用下發(fā)生傾斜，洞口邊緣處應力較大。鋼筋應力較大位置，分布于框支柱、轉(zhuǎn)換梁端部、剪力墻底部區(qū)域及節(jié)點區(qū)等關(guān)鍵部位[12]。

2.4 MODEL2數(shù)值模型建立

MODEL2構(gòu)造示意圖如圖5所示，將轉(zhuǎn)換層設(shè)置在第三層。圖6為MODEL2加載情況。模型網(wǎng)格劃分情況，對模型進行Partition處理，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化網(wǎng)格(Structured)和掃掠網(wǎng)格(Sweep)兩種網(wǎng)格劃分技術(shù)進行Meshing,混凝土和鋼筋單元網(wǎng)格大小分別為0.15m和0.05m，局部進行網(wǎng)格細化。

圖5 MODEL2構(gòu)造示意圖

圖6 MODEL2加載模式

2.5 MODEL2有限元分析

圖7、圖8分別為框支剪力墻第三層轉(zhuǎn)換層構(gòu)件在荷載作用下混凝土和鋼筋骨架的應力云圖。

圖7 MODEL2混凝土應力云圖

圖8 MODEL2鋼筋骨架應力云圖

MODEL2混凝土應力云圖顯示：1.74×107N/m2>1.68×107N/m2,由公式(4)σc>0.7fc知，已發(fā)生塑性變形，框支柱、梁柱節(jié)點及剪力墻底部局部相比MODEL1塑性變形較大。

MODEL2受力情況根據(jù)Animate分析混凝土應力云紋圖所得,框支層為模型的主要變形區(qū)域，轉(zhuǎn)換梁和剪力墻損傷較輕，剪力墻基本上發(fā)生“平動”，然而由于水平往復荷載的施加，剪力墻邊緣處也出現(xiàn)較大應力區(qū)，應力區(qū)由墻角左下方斜向擴展。轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點、框支柱底部以及框架梁端處應力較大，而下部框架層梁柱節(jié)點區(qū)應力較小，損傷較輕，框支柱底外側(cè)及柱頂內(nèi)側(cè)應力集中。根據(jù)鋼筋應力云紋圖，轉(zhuǎn)換梁左端下部鋼筋及右端上部鋼筋受拉損傷較大，與剪力墻交界處轉(zhuǎn)換梁的下部受拉嚴重，中柱節(jié)點區(qū)應力集中；框支柱底外側(cè)及柱頂內(nèi)側(cè)受拉應力較其他部位較大。

3 轉(zhuǎn)換梁數(shù)值模型耗能性分析

MODEL1和MODEL2加載梁端的P-Δ(荷載-位移)曲線如圖9所示。兩試件的滯回曲線均比較飽滿，比較(a)(b)兩圖，可知MODEL1比MODEL2的P-Δ曲線具有較明顯的捏攏現(xiàn)象，說明MODEL2比MODEL1的耗能性較好，而MODEL2的最大承載力為2×105N,明顯比MODEL1的最大承載力3.5×105N小。因此，可利用框架梁的剛度，控制“強柱弱梁”體系的形成，加強結(jié)構(gòu)的耗能性能。

(a)MODEL1 P-Δ曲線

(b)MODEL2 P-Δ曲線圖9 加載梁端的P-Δ曲線

4 結(jié)論

通過高低位兩跨框支剪力墻轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論：

(1)由MODEL1和MODEL2載荷過程可得：變形主要集中于模型框支層，剪力墻應力開展較小，受損較輕，轉(zhuǎn)換梁端部發(fā)生撓度。轉(zhuǎn)換梁的應力開展先于框支柱，但加載后期框支柱的損傷及變形遠大于轉(zhuǎn)換梁，剪力墻層變形幾乎為“平動”。框支層與剪力墻層剛度差異明顯，在高位轉(zhuǎn)換中上下結(jié)構(gòu)變形對比尤為明顯，此種變形極易使底部形成薄弱層，對抗震極為不利。因此，對于框支剪力墻結(jié)構(gòu)，加強框支層剛度十分重要，設(shè)計時應嚴格控制結(jié)構(gòu)的上下剛度比，以避免“上剛下柔”這種不利設(shè)計的出現(xiàn)。

(2)在水平荷載作用下，剪力墻和轉(zhuǎn)換梁相連處局部受拉受壓嚴重。因此，剪力墻的設(shè)計應加強暗柱縱筋的設(shè)置，防止相連處因變形過大而局部拉裂或混凝土崩落。

(3)高位轉(zhuǎn)換承載力相對于低位轉(zhuǎn)換承載力較低，但框架梁易出鉸，耗能性能較好。因此控制好框架梁的剛度，形成較好的“強柱弱梁”結(jié)構(gòu)，則可以利用其耗能性能延緩地震作用對框支柱的破壞作用。