尚 茂，張曉虎，羅愛忠，張效忠，韓六平

(貴州工程應用技術(shù)學院，貴州 畢節(jié) 551700)

1 概述

框架結(jié)構(gòu)具有可靈活布置的建筑空間，使用較方便，但橫向剛度很低。剪力墻結(jié)構(gòu)具有剛度大，但延性差，地震作用下易發(fā)生脆性破壞。貴州大學曹新明教授提出區(qū)域約束混凝土結(jié)構(gòu)，并對其展開了一系列研究，大量的研究表明區(qū)域約束混凝土能夠大幅提高框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和延性，但是區(qū)域約束混凝土框架的抗側(cè)剛度與剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度相比還是差太大。為解決區(qū)域約束混凝土框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度小以及剪力墻結(jié)構(gòu)延性差的問題，本文提出索-區(qū)域約束混凝土框架結(jié)構(gòu)，利用索限制框架側(cè)移以及索的高抗拉強度，使得索-區(qū)域約束混凝土框架結(jié)構(gòu)更加充分運用了混凝土抗壓強度和索與鋼筋的抗拉強度[1-10]。

2 區(qū)域約束混凝土理論基礎(chǔ)

區(qū)域約束混凝土理論自從提出以來進行了大量的研究和分析，得到了區(qū)域約束混凝土的本構(gòu)模型并出版了相關(guān)規(guī)范[11]；區(qū)域約束混凝土本構(gòu)關(guān)系曲線分為三個部分：第一部分為拋物線上升，第二部分為斜直線下降，第三部分為水平線；區(qū)域約束混凝土應力應變關(guān)系表達式為：

當εc≤εcc時：

(1)

當εcc<ε≤4εcc時：

(2)

當4εcc<ε時：

(3)

其中約束后的混凝土強度fcc按式(4)進行計算：

fcc=(1+k)fc

(4)

提高后的混凝土應變?yōu)椋?/p>

εcc=ε0(1.19+2.257k)

(5)

K為綜合約束強度系數(shù)，按式(6)計算：

(6)

其中,ρs為縱筋配筋率；fy為縱筋屈服強度；ρv為配箍率；fyv為縱筋配筋率；fc為混凝土抗壓強度；σc為混凝土壓應變?yōu)棣與時對應的應力。繪制得到的區(qū)域約束混凝土應力應變關(guān)系曲線見圖1。

3 構(gòu)件設(shè)計

本文運用ABAQUS對三種跨度均為6 000 mm的框架進行低周往復荷載數(shù)值模擬(如圖2所示)，各種構(gòu)件的設(shè)置參數(shù)如表1所示。

4 鋼筋本構(gòu)關(guān)系

鋼筋本構(gòu)由三部分組成，即彈性階段、屈服階段和強化階段，其應力與應變的關(guān)系如圖3所示。鋼筋在屈服之前為完全理想彈性體，應力應變曲線的斜率為恒定的值，到屈服應力之后有一小段屈服平臺，鋼筋的應力不隨應變的增大而改變，當應變增加到一定數(shù)值后，應力又開始隨著應變增大而增大，曲線的斜率變?yōu)樵瓉淼?.1倍。輸入到ABAQUS中的鋼筋各項參數(shù)如表2所示。

當:

ε≤εy0時，σ=Esε

(7)

當:

εy0<ε<εy1時，σ=fy

(8)

當:

ε>εy1時，σ=0.1Esε

(9)

表1 構(gòu)件基本參數(shù)

表2 鋼筋參數(shù)

5 數(shù)值模擬結(jié)果

通過提取ABAQUS數(shù)值模擬結(jié)果，繪制滯回曲線、骨架曲線和耗能曲線如圖4～圖6所示，并提取出每種工況下峰值荷載以及峰值荷載對應的位移如表3所示。

由圖4可知：

1)軸壓比0.7，0.9，1.1時，三種框架的滯回曲線均較飽滿，呈現(xiàn)出有較小鋼筋滑移的弓形，表明三種框架結(jié)構(gòu)在高軸壓比下抗震性能仍然保持良好。

2)當軸壓比不大于1.1時，隨著軸壓比的增加，框架的水平極限承載力和抗震性能逐漸增加，當軸壓比大于1.1時，框架的水平極限承載力依然增大，但是水平極限承載力到達峰值以后下降迅速，消耗能量也逐漸降低，說明軸壓比超過1.1后框架的抗震性能開始逐漸降低。

3)區(qū)域約束混凝土張拉索以后，剛度和承載力得到了顯著的提升，在軸壓比不大于1.1之前，水平承載力下降速度與未設(shè)置柔索的區(qū)域約束混凝土框架要緩慢很多，且承載力下降一段之后，由于柔索對框架承載力的貢獻大于混凝土承載力降低引起的承載力降低，因此框架的水平承載力又開始逐漸上升。

4)索的兩種不同構(gòu)造均對框架承載力顯著提高，但索的兩種不同構(gòu)造形式的框架承載力及耗能能力差別較小，差異可忽略，說明索的兩種設(shè)置方式對框架承載力改善效果相同。

由表3可知：

1)6種軸壓比下，未設(shè)索的區(qū)域約束混凝土框架的初始抗側(cè)剛度基本保持一致，且隨著軸壓比的逐漸增大，區(qū)域約束混凝土框架的水平峰值承載力在逐漸增大，軸壓比從0.5依次增大到0.7，0.9，1.1，水平峰值承載力依次增加了7%，9%，14%。

2)6種軸壓比下，第一種索-區(qū)域約束混凝土框架軸壓比從0.5依次增大到0.7，0.9，1.1，水平峰值承載力較軸壓比0.5時水平峰值承載力依次增加了3.5%，5.8%，5.1%；第二種索-區(qū)域約束混凝土框架軸壓比從0.5依次增大到0.7，0.9，1.5，水平峰值承載力較軸壓比0.5時水平峰值承載力依次增加了7.7%，9.4%，14.5%。

3)在相同軸壓比下，兩種索-區(qū)域約束混凝土框架的水平峰值承載力均大于未設(shè)索的區(qū)域約束混凝土框架的水平峰值承載力，兩種索-區(qū)域約束混凝土框架的承載力到達峰值以后承載力下降速率比未設(shè)索的區(qū)域約束混凝土框架的承載力下降速率慢。

表3 不同軸壓比下三種結(jié)構(gòu)的水平峰值荷載與位移

4)在相同軸壓比0.5，0.7，0.9，1.1下，第一種索-區(qū)域約束混凝土框架的水平峰值承載力較未設(shè)索框架水平峰值承載力提高百分比為19.3%，15.4%，15.5%，10%；第二種索-區(qū)域約束混凝土框架的水平峰值承載力較未設(shè)索框架水平峰值承載力提高百分比為14.2%，15%，14.2%，14.7%。

圖6為三種框架耗能能力與軸壓比的變化關(guān)系，均表現(xiàn)出隨著軸壓比的增加，耗能能力逐漸減弱；兩種索-區(qū)域約束混凝土框架的耗能能力較未設(shè)索的區(qū)域約束混凝土框架有大幅度提升，兩種設(shè)索方式對框架耗能能力改善效果基本相同。

6 結(jié)論

索-區(qū)域約束混凝土框架是基于區(qū)域約束體系的基礎(chǔ)上提出的新型結(jié)構(gòu)形式，繼承區(qū)域約束混凝土優(yōu)良的受力特點和受力性能，把區(qū)域約束與柔索的張拉結(jié)合到一起，進一步改善了框架結(jié)構(gòu)體系的受力性能。

本文利用ABAQUS有限元軟件對未設(shè)索的區(qū)域約束混凝土框架RCC和兩種索-區(qū)域約束混凝土框架YSRCC，YSRCC(2)進行了數(shù)值模擬分析：

1)索-區(qū)域約束混凝土框架抗震性能優(yōu)于未設(shè)索的區(qū)域約束混凝土框架。

2)索-區(qū)域約束混凝土框架與未設(shè)索的區(qū)域約束混凝土框架的耗能能力均隨著軸壓比的增加而逐漸降低。

3)不同柔索張拉方式對區(qū)域約束混凝土框架水平承載力、抗震性能改善程度基本相同。

4)軸壓比到達1.1以后，三種框架隨軸壓比的增加，骨架曲線下降變快，延性降低。

5)軸壓比從0.5增加到1.1，索-區(qū)域約束混凝土框架YSRCC比未設(shè)索的區(qū)域約束混凝土框架耗能分別提高7.2%，12.5%，14.3%，14.0%，索-區(qū)域約束混凝土框架YSRCC(2)比未設(shè)索的區(qū)域約束混凝土框架耗能分別提高10.0%，13.7%，11.9%，13.2%。

區(qū)域約束混凝土已經(jīng)進行了多年的研究，取得了豐碩的理論成果，在區(qū)域約束混凝土的理論基礎(chǔ)上進一步提出了新型的結(jié)構(gòu)形式，即柔索-區(qū)域約束混凝土框架結(jié)構(gòu)，柔索框架結(jié)構(gòu)理論目前處于初步探索階段。本課題針對不同軸壓比、柔索張拉方式對柔索-區(qū)域約束混凝土框架抗震性能進行了模擬分析研究。