劉欣冉 聶小雪

(武漢工程大學(xué)，湖北 武漢 430205)

框架結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生大量發(fā)育完全且集中的塑性鉸是結(jié)構(gòu)局部性能退化，破壞集中并最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生整體破壞的最直接的原因[1]，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)合理破壞模式分析的過程中應(yīng)重視塑性鉸的發(fā)育對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的影響。從安全性能方面考慮，梁鉸機(jī)制是一種理想的破壞機(jī)制，為此我國(guó)規(guī)范通過內(nèi)力調(diào)節(jié)提高了柱的相對(duì)抗彎剛度，但因多種因素的影響，梁鉸機(jī)制的實(shí)現(xiàn)還需更加全面的措施來保證。

在促進(jìn)梁鉸機(jī)制實(shí)現(xiàn)的措施中，主要包括內(nèi)力調(diào)整和抗震構(gòu)造措施[2]。一是通過內(nèi)力調(diào)整，改變結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度比值，使結(jié)構(gòu)破壞時(shí)塑性鉸更易出現(xiàn)在梁端[3]。二是通過結(jié)合抗震構(gòu)造措施，對(duì)結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)塑性鉸的位置進(jìn)行人為構(gòu)造加強(qiáng)[4]，以此保證結(jié)構(gòu)在出現(xiàn)塑性鉸時(shí)仍然具有較大的承載力[5]。對(duì)于內(nèi)力調(diào)整，我國(guó)規(guī)范的做法是，在彈性狀態(tài)下分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，然后在得出的柱端內(nèi)力的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)柱端彎矩增大系數(shù)，以增大柱端彎矩設(shè)計(jì)值，用這種方式實(shí)現(xiàn)配筋設(shè)計(jì)時(shí)柱配筋的增大，保證柱端實(shí)際抗彎能力大于梁端實(shí)際抗彎能力[6]。

本文以框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞模式為研究對(duì)象，分析現(xiàn)行規(guī)范中框架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的保證措施。由現(xiàn)行規(guī)范中內(nèi)力調(diào)整措施對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì)，分析框架抗震性能情況，以此判斷規(guī)范提出的內(nèi)力調(diào)整措施的精確性，并通過設(shè)置不同柱端彎矩增大系數(shù)的對(duì)比試驗(yàn)，得出建議的柱端彎矩增大系數(shù)。并分析在對(duì)梁柱線剛度比進(jìn)行合理控制時(shí)，是否會(huì)對(duì)柱端彎矩增大系數(shù)的作用效果產(chǎn)生影響。期望能對(duì)現(xiàn)有框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法提出進(jìn)一步的建議，得到更加合理的框架結(jié)構(gòu)的破壞模式。

1 基于內(nèi)力調(diào)整方法的框架結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

本文的分析模型為一個(gè)平面框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)類型為丙類。框架結(jié)構(gòu)所處地區(qū)設(shè)防烈度為7度0.15g，場(chǎng)地類型為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。結(jié)構(gòu)首層高4 m，2層～6層高3.3 m，共6層，中跨跨度2.4，邊跨跨度為7 m，樓板采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板，板厚取0.15 m。結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示。運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析軟件SAP2000，給予先行規(guī)范的內(nèi)力調(diào)整措施，對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

樓面恒載與活載取值如表1所示。

表1 荷載信息表 kN/m2

本文設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,C40的混凝土。框架梁、柱縱筋、箍筋采用HRB400級(jí)鋼筋。構(gòu)件截面尺寸如表2所示。

表2 構(gòu)件截面尺寸

由塑性鉸的分布分析得出，經(jīng)現(xiàn)行規(guī)范內(nèi)力調(diào)整方法所得出的框架結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制為梁柱混合鉸機(jī)制，除底層柱底塑性鉸外，柱端塑性鉸大多出現(xiàn)在位移較大的樓層。中柱柱端出鉸的現(xiàn)象較為嚴(yán)重，而邊柱則較少出鉸。經(jīng)內(nèi)力調(diào)整之后框架結(jié)構(gòu)雖然在柱端仍有塑性鉸出現(xiàn)，但沒有出現(xiàn)塑性鉸集中在某一薄弱層而形成倒塌機(jī)制的現(xiàn)象。

根據(jù)塑性鉸的分析，經(jīng)我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范給出的內(nèi)力調(diào)整措施，框架結(jié)構(gòu)在大震作用下仍有塑性鉸出現(xiàn)，但沒有出現(xiàn)塑性鉸集中在某一薄弱層而形成倒塌機(jī)制的現(xiàn)象。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)柱端彎矩增大系數(shù)取值的規(guī)定，塑性鉸大量出現(xiàn)在柱端，尤其是中柱，強(qiáng)柱弱梁的破壞模式并沒有實(shí)現(xiàn)，而是出現(xiàn)了梁柱混合鉸機(jī)制。中跨短柱的剛度較大，導(dǎo)致梁柱的線剛度較大，中柱出鉸嚴(yán)重。因此，由規(guī)范提出的柱端彎矩增大系數(shù)的取值并不能使結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)良好的破壞模式。

2 基于安全性能考慮的柱端彎矩增大系數(shù)的建議取值

對(duì)上述模型，按照6度(0.05g)，7度(0.1g)，7度(0.15g)，8度(0.2g)，8度(0.3g)，9度(0.4g)六種不同的抗震設(shè)防烈度，計(jì)算截面及材料強(qiáng)度等，對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震作用下的設(shè)計(jì)。采用逐漸遞增的柱端彎矩增大系數(shù)對(duì)同一烈度下的框架賦予不同的柱端彎矩增大系數(shù)，通過運(yùn)用SAP2000對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出合適的柱端彎矩增大系數(shù)，以有效保證框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)柱弱梁破壞模式的實(shí)現(xiàn)。

在SAP2000中調(diào)整框架模型的構(gòu)件截面尺寸及混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，以滿足不同框架在不同設(shè)防烈度下的小震作用下的承載力和位移要求。將六個(gè)不同設(shè)防烈度下的框架結(jié)構(gòu)分別編號(hào)為KJ1，KJ2，KJ3，KJ4，KJ5，KJ6，如表3所示。

表3 最大軸壓比、最大層間位移與基本周期

對(duì)規(guī)范中給定的不同設(shè)防烈度下的柱端彎矩增大系數(shù)的取值，以0.1的頻率增加，對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，依據(jù)所得結(jié)果中塑性鉸的分布情況，試算到結(jié)構(gòu)出現(xiàn)良好的強(qiáng)柱弱梁效果為止，以找出使結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”破壞的柱端彎矩增大系數(shù)。

通過SAP2000分析可得框架結(jié)構(gòu)梁柱端的塑性鉸出現(xiàn)情況。梁柱端的塑性鉸發(fā)生率是評(píng)判結(jié)構(gòu)是否實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁破壞模式的基本標(biāo)準(zhǔn)。表4為框架結(jié)構(gòu)在不同的柱端彎矩增大系數(shù)下的梁柱端塑性鉸出鉸率，可反映柱端彎矩增大系數(shù)對(duì)強(qiáng)柱弱梁破壞模式的影響。

表4 KJ1在不同柱端彎矩增大系數(shù)下的梁柱端出鉸率

通過對(duì)本文不同設(shè)防烈度下框架結(jié)構(gòu)在不同地震工況下的非線性分析，在未考慮梁柱線剛度比時(shí)，已知柱端彎矩增大系數(shù)調(diào)整后，柱端出鉸率明顯下降。在未進(jìn)行梁柱線剛度比調(diào)整的情況下，我國(guó)規(guī)范給出的柱端彎矩增大系數(shù)建議進(jìn)一步增大。表5為在不同設(shè)防烈度下的柱端彎矩增大系數(shù)的建議取值。

表5 不同設(shè)防烈度下柱端彎矩增大系數(shù)建議取值

3 結(jié)語

本文通過建立鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)模型，分析柱端彎矩增大系數(shù)對(duì)框架結(jié)構(gòu)破壞模式的影響得出以下結(jié)論：

1)在對(duì)規(guī)范中框架結(jié)構(gòu)柱端彎矩增大系數(shù)下的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)柱端出鉸率較高，在強(qiáng)震作用下，柱鉸可能會(huì)集中在某一層，導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)發(fā)生整體性倒塌。因此，從安全性能方面考慮，建議增大現(xiàn)行規(guī)范中的柱端彎矩增大系數(shù)。

2)通過對(duì)比每個(gè)設(shè)防烈度下，柱端彎矩增大系數(shù)不同取值，分析框架結(jié)構(gòu)的破壞模式，得到從安全性能方面考慮時(shí)更合理的柱端彎矩增大系數(shù)。6度設(shè)防下的一級(jí)框架，按照規(guī)范給定的增大系數(shù)可滿足強(qiáng)柱弱梁。9度設(shè)防下的一級(jí)框架，柱端彎矩按照規(guī)范要求的1.2∑Mbua取值可滿足要求。其余設(shè)防烈度下的框架結(jié)構(gòu)的柱端彎矩增大系數(shù)均需經(jīng)一定程度的增大，才能實(shí)現(xiàn)良好的梁鉸機(jī)制。