鐘煒輝，段仕超，高 迪，譚 政

(1. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 西安建筑科技大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055)

0 引 言

建筑結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌是結(jié)構(gòu)在經(jīng)過初始的局部破壞后，擴(kuò)展到與破壞構(gòu)件相連的其他構(gòu)件，最終造成了與初始破壞不成比例的破壞[1]。這種破壞對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)有著巨大的威脅。因此，結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌性能研究成為土木工程行業(yè)的研究熱點(diǎn)。

近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能進(jìn)行了一系列研究[2-5]。梁柱子結(jié)構(gòu)具有受力明確、結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、便于試驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，是目前最為常見的研究對(duì)象，當(dāng)前研究主要集中在節(jié)點(diǎn)類型[6-8]、高跨比[9-10]、壓型鋼板[11]、樓板組合作用[12-13]、動(dòng)態(tài)響應(yīng)[14-15]等對(duì)子結(jié)構(gòu)抗倒塌性能的影響。由于建筑結(jié)構(gòu)中發(fā)生倒塌破壞的構(gòu)件具有不確定性，在實(shí)際情況中，失效柱的位置是隨機(jī)的，而不同的邊界約束(失效柱位置)會(huì)影響結(jié)構(gòu)的抗力機(jī)制。因此，探究不同邊界約束的子結(jié)構(gòu)抗倒塌性能是十分必要的。黃華等[16]認(rèn)為柱失效位置和柱距是影響鋼筋混凝土(RC)框架結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌能力最重要的參數(shù)。Lew等[17]基于鋼筋混凝土梁柱子結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)探究側(cè)向約束對(duì)子結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的影響。Yu等[18]基于試驗(yàn)和理論分析方法討論了邊界條件對(duì)鋼筋混凝土梁柱子結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能影響。Kang[19]通過試驗(yàn)研究了鋼筋混凝土梁柱子結(jié)構(gòu)在倒塌過程中的破壞模式，對(duì)比分析了各機(jī)制的抗力發(fā)展情況。上述研究對(duì)象大多是混凝土梁柱子結(jié)構(gòu)，而對(duì)于組合梁柱子結(jié)構(gòu)的邊界條件研究較少。此外，由于試驗(yàn)成本較大，無法對(duì)所有關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，當(dāng)前研究人員主要通過數(shù)值模擬的方式對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析[20-22]。

基于上述情況，課題組進(jìn)行了不同邊界條件下組合梁柱子結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌試驗(yàn)[23]。當(dāng)結(jié)構(gòu)的次邊柱發(fā)生破壞時(shí)，兩跨三柱的子結(jié)構(gòu)一側(cè)有梁端約束，另一側(cè)無梁端拉結(jié)，稱為部分約束子結(jié)構(gòu)。次邊柱失效的部分約束組合梁柱子結(jié)構(gòu)(WUFG-S)的抗倒塌性能影響因素眾多，本文以WUFG-S試件為研究對(duì)象，利用ABAQUS有限元軟件分析邊界約束側(cè)向剛度、邊柱尺寸、邊柱軸壓比等參數(shù)對(duì)組合梁柱子結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的影響。

1 數(shù)值模型建立

1.1 模型概述

圖1 部分邊界約束的組合梁柱子結(jié)構(gòu)模型(單位:mm)Fig.1 Model of Composite Beam-column Substructure with Partial Boundary Constraints (Unit:mm)

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[24]設(shè)計(jì)了一個(gè)尺寸為4 500 mm×7 500 mm×3 300 mm的6層鋼框架組合結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)的倒塌分析中，直接影響區(qū)域被認(rèn)為是在失效柱的上方樓層和與失效柱相連的兩跨區(qū)域，此區(qū)域是結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌分析和設(shè)計(jì)的重點(diǎn)；其他區(qū)域稱為間接影響區(qū)域，此區(qū)域主要為直接影響區(qū)域提供側(cè)向約束[25]。本文的主要研究對(duì)象是直接影響區(qū)域，為便于分析可將其簡(jiǎn)化為圖1所示的兩跨三柱型子結(jié)構(gòu)，其中L為組合梁的跨長，Lc為邊柱長度。邊柱上下層的反彎點(diǎn)近似位于層高中部，有梁端約束側(cè)伸出邊柱L/4長度以模擬間接影響區(qū)域的水平拉結(jié)作用[26]。

本文所建立的足尺模型梁柱截面尺寸分別為HM450×300×11×18、HW400×400×13×21，梁跨長4 500 mm，邊柱長3 300 mm。鋼材型號(hào)為Q235B，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，樓板有效寬度為1 500 mm，厚度為100 mm，保護(hù)層厚度為20 mm。

鋼筋型號(hào)為HPB300，縱向受力鋼筋采用φ14@150，水平分布鋼筋為φ10@200，鋼筋網(wǎng)雙層雙向布置。鋼梁和樓板間通過雙排布置的直徑為19 mm的栓釘連接，排距為150 mm，間距為210 mm。梁柱節(jié)點(diǎn)采用加梯形蓋板栓焊連接節(jié)點(diǎn)(CPS)，剪切板尺寸為340 mm×110 mm×14 mm，上下蓋板厚10 mm。螺栓采用10.9級(jí)M22高強(qiáng)摩擦型螺栓。相關(guān)節(jié)點(diǎn)細(xì)部構(gòu)造及構(gòu)件詳細(xì)尺寸如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及樓板配筋(單位:mm)Fig.2 Connection Structure and Slab Reinforcement (Unit:mm)

1.2 材料本構(gòu)關(guān)系

通過ABAQUS軟件進(jìn)行有限元建模，鋼筋采用雙折線強(qiáng)化本構(gòu)；鋼材屈服強(qiáng)度為235 MPa，極限抗拉強(qiáng)度為370 MPa，采用二次流塑四階段模型本構(gòu)[26]。鋼材的斷裂采用延性金屬失效準(zhǔn)則，參考文獻(xiàn)[27]、[28]，確定斷裂應(yīng)變、三軸應(yīng)力、應(yīng)變率等參數(shù)，使鋼材達(dá)到對(duì)應(yīng)的斷裂應(yīng)變值時(shí)發(fā)生斷裂；螺栓采用10.9級(jí)M22高強(qiáng)摩擦型螺栓，螺栓預(yù)緊力為190 kN，屈服強(qiáng)度為900 MPa，極限抗拉強(qiáng)度為1 000 MPa；混凝土材料采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)附錄C[29]中的混凝土單軸受拉及受壓本構(gòu)關(guān)系，利用塑性損傷模型模擬混凝土的受力性能。

1.3 邊界條件、單元類型與網(wǎng)格劃分定義

通過在中柱柱頂施加豎向位移模擬中柱失效過程，采用平滑分析步幅值，約束平面外側(cè)移和扭轉(zhuǎn)。兩邊柱頂端施加軸壓比為0.3的豎向荷載，模擬上部結(jié)構(gòu)對(duì)邊柱的荷載作用，邊柱底部設(shè)置為鉸接。右側(cè)梁端通過建立軸向連接單元與固定板件連接以模擬周邊約束的拉結(jié)作用，軸向連接單元另一側(cè)設(shè)為固定邊界，周邊構(gòu)件為子結(jié)構(gòu)提供的側(cè)向剛度(簡(jiǎn)化為軸向彈簧剛度)K輸入值可通過組合梁為子結(jié)構(gòu)提供的側(cè)向剛度Kab與邊柱為子結(jié)構(gòu)提供的側(cè)向剛度Kac按式(1)～(4)計(jì)算[30]。

(1)

Kab=Kb+Kp+Kr

(2)

Kb=EAb/L,Kp=EAp/L,Kr=EAr/L

(3)

(4)

式中：Kb、Kp、Kr分別為鋼梁、壓型鋼板、樓板內(nèi)縱向鋼筋提供的側(cè)向剛度；E為材料的彈性模量；Ab、Ap分別為鋼梁、壓型鋼板的截面面積；Ar為縱向鋼筋的截面面積之和；Ic為邊柱的截面慣性矩。

鋼筋選用T3D2三維桁架單元，壓型鋼板選用S4R殼單元，其余部件選用C3D8R實(shí)體單元進(jìn)行建模。進(jìn)行網(wǎng)格靈敏度分析，經(jīng)過多次計(jì)算確定最適合的網(wǎng)格尺寸，相關(guān)部件網(wǎng)格布種尺寸為：鋼柱近似40 mm布種；鋼梁近似40 mm布種；混凝土板近似30 mm布種；鋼筋近似20 mm布種；蓋板、剪切板和螺栓等部件均以5 mm布種。在節(jié)點(diǎn)斷裂位置等應(yīng)力集中部位進(jìn)行了密集的網(wǎng)格劃分，近似5 mm布種，并與非加密區(qū)設(shè)置了網(wǎng)格過渡，這既保證了計(jì)算的效率，也可以盡可能反映組合梁柱子結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域的受力特性。

1.4 接觸關(guān)系定義

剪切板和蓋板與梁柱截面通過綁定約束模擬焊接連接；鋼筋、栓釘與上蓋板采用嵌入命令模擬與混凝土板的接觸；梁柱節(jié)點(diǎn)處剪切板、梁和螺栓等連接部位選用通用接觸的方法進(jìn)行模擬，切向方向接觸為庫侖摩擦，摩擦因數(shù)取0.3，法向接觸屬性選擇硬接觸。在螺栓的兩側(cè)表面施加均布荷載來模擬螺栓預(yù)緊力。在數(shù)值模擬過程中，不考慮材料的初始缺陷和焊接殘余應(yīng)力的影響。

2 模型驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)概況

為驗(yàn)證有限元模型及建模方法的正確性，選取文獻(xiàn)[23]中的WUFG-S試件進(jìn)行對(duì)比分析。WUFG-S試件為1∶3的縮尺模型，其梁截面的尺寸為HM150×100×6×9，柱截面尺寸為HW150×150×8×10，梁跨長1 500 mm，兩邊柱長1 100 mm。試件相關(guān)材性、各部件及節(jié)點(diǎn)詳細(xì)尺寸參考文獻(xiàn)[23]，根據(jù)試件尺寸通過ABAQUS軟件建立了對(duì)應(yīng)的精細(xì)化有限元模型，如圖3所示。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite Element Model

2.2 模擬結(jié)果對(duì)比

圖4 荷載-位移曲線對(duì)比Fig.4 Comparison of Load-displacement Curves

圖5 破壞模式對(duì)比Fig.5 Comparison of Failure Modes

圖4為試驗(yàn)與有限元分析的荷載-位移曲線對(duì)比。由圖4可知，曲線整體發(fā)展趨勢(shì)相同，試件首次斷裂點(diǎn)荷載(A1=302 kN、A2=293 kN)相差3%，鋼梁完全斷裂點(diǎn)荷載(B1=367 kN、B2=360 kN)相差2%，表明有限元模擬的荷載-位移曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好。圖5為試驗(yàn)與有限元分析的破壞模式對(duì)比。由圖5可知，數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)的破壞模式相似，表明所建立的有限元模型可準(zhǔn)確地模擬出梁柱子結(jié)構(gòu)的破壞過程。綜上所述，本文所建立的精細(xì)化有限元模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)參數(shù)分析。

3 參數(shù)分析

基于第1節(jié)數(shù)值模型的建模方法，建立了足尺模型，研究周邊約束、邊柱尺寸、邊柱軸壓比對(duì)梁柱子結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的影響，分析梁柱子結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能。

3.1 邊界約束

梁內(nèi)懸鏈線機(jī)制的抗力主要取決于梁端的有效拉結(jié)力和梁端轉(zhuǎn)角，邊界約束決定子結(jié)構(gòu)梁端拉結(jié)力和梁端轉(zhuǎn)角，故子結(jié)構(gòu)邊界約束對(duì)其懸鏈線機(jī)制的發(fā)展影響顯著。梁柱子結(jié)構(gòu)的軸向約束剛度由Kab、Kac和Kas構(gòu)成，其子結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型如圖6所示。

圖6 部分邊界約束梁柱子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型Fig.6 Simplified Model of Beam-column Substructure with Partial Boundary Constraints

引入彈簧約束系數(shù)n，n為子結(jié)構(gòu)周邊約束構(gòu)件彈簧的側(cè)向剛度Kas與子結(jié)構(gòu)自身為梁端提供的側(cè)向剛度K(組合梁與邊柱提供的側(cè)向剛度)的比值[30]，計(jì)算公式見式(5)。梁柱線剛度比k的計(jì)算公式見(6)。

(5)

(6)

式中：IB為組合梁的截面慣性矩。

以部分約束子結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，按照表1改變子結(jié)構(gòu)有約束側(cè)梁端的側(cè)向剛度，探究有約束側(cè)的拉結(jié)強(qiáng)度對(duì)子結(jié)構(gòu)抗倒塌性能的影響。

表1 不同側(cè)向剛度的梁柱子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design Parameters of Beam-column Substructure with Different Lateral Stiffnesses

3.1.1 不同側(cè)向剛度下荷載-位移曲線分析

圖7(a)為不同側(cè)向約束剛度下梁柱子結(jié)構(gòu)模型荷載-位移曲線對(duì)比情況。由圖7(a)可知，在不同側(cè)向約束剛度情況下曲線中均有2個(gè)顯著峰值點(diǎn)，這是由于無約束側(cè)鋼梁翼緣受拉發(fā)生斷裂后，荷載發(fā)生突降，隨著加載位移的不斷增大，裂縫沿弧形向上發(fā)展，兩側(cè)組合梁發(fā)生內(nèi)力重分布，子結(jié)構(gòu)會(huì)達(dá)到新的峰值點(diǎn)。在位移加載初期(小變形階段)，曲線無明顯差距。

當(dāng)n=0時(shí)，子結(jié)構(gòu)兩側(cè)未得到有效拉結(jié)，在鋼梁受拉翼緣首次斷裂后，由于組合梁的懸鏈線機(jī)制未得到發(fā)揮，所以子結(jié)構(gòu)后期承載力幾乎穩(wěn)定不變。當(dāng)有側(cè)向約束剛度影響時(shí)，子結(jié)構(gòu)發(fā)生首次斷裂后，隨著位移的增大，梁柱子結(jié)構(gòu)的懸鏈線機(jī)制得到了充分的發(fā)揮，組合梁的承載力得到明顯提升。隨著子結(jié)構(gòu)側(cè)向約束剛度的增大，子結(jié)構(gòu)的首次斷裂點(diǎn)荷載增加了36%，位移增加了16%；完全斷裂點(diǎn)荷載增加了67%，位移增加了5%。說明子結(jié)構(gòu)邊界條件的加強(qiáng)可以提高梁柱子結(jié)構(gòu)的承載力與極限變形能力。當(dāng)n>1時(shí)，側(cè)向約束剛度增強(qiáng)，梁柱子結(jié)構(gòu)的承載力與中柱加載位移增大不明顯，說明周邊約束的加強(qiáng)只能在一定范圍內(nèi)提高子結(jié)構(gòu)的極限變形和承載能力，但并不能無限提高。

3.1.2 不同側(cè)向剛度下抗力機(jī)制曲線對(duì)比

圖7(b)、(c)為各模型的抗力發(fā)展曲線對(duì)比。由圖7(b)、(c)可知，不同側(cè)向剛度下的子結(jié)構(gòu)抗力機(jī)制發(fā)展趨勢(shì)相同，均經(jīng)歷了梁機(jī)制、梁機(jī)制向懸鏈線機(jī)制轉(zhuǎn)化及懸鏈線機(jī)制階段。在各子結(jié)構(gòu)第1次發(fā)生斷裂之前，主要由梁機(jī)制提供抗力抵抗外界荷載，懸鏈線機(jī)制發(fā)揮的作用有限。子結(jié)構(gòu)首次發(fā)生斷裂時(shí)，梁機(jī)制抗力發(fā)生突降，懸鏈線機(jī)制提供的抗力逐漸增大。在各子結(jié)構(gòu)第2次斷裂后，梁機(jī)制提供的抗力再次減小，在子結(jié)構(gòu)整體抗力機(jī)制中占比較小，懸鏈線機(jī)制成為主要的抗力機(jī)制。

為具體分析倒塌過程中子結(jié)構(gòu)各抗力機(jī)制占比，可利用梁機(jī)制貢獻(xiàn)系數(shù)α與懸鏈線機(jī)制貢獻(xiàn)系數(shù)β來反映子結(jié)構(gòu)各抗力機(jī)制的作用占比，α與β可根據(jù)式(7)進(jìn)行計(jì)算。

α=PF/P，β=PC/P

(7)

式中：PF為梁機(jī)制抗力；PC為懸鏈線機(jī)制抗力；P為總抗力。

圖7 不同側(cè)向剛度下的梁柱子結(jié)構(gòu)模型對(duì)比Fig.7 Comparison of Beam-column Substructures with Different Lateral Stiffnesses

圖7(d)、(e)為各模型子結(jié)構(gòu)的梁機(jī)制貢獻(xiàn)系數(shù)與懸鏈線機(jī)制貢獻(xiàn)系數(shù)的發(fā)展變化情況，在整個(gè)梁柱子結(jié)構(gòu)大變形過程中，由初期梁機(jī)制階段向后期的懸鏈線機(jī)制轉(zhuǎn)化，懸鏈線機(jī)制最大可占總抗力的80%。隨著周邊約束提供的側(cè)向剛度逐漸增大，子結(jié)構(gòu)的懸鏈線抗力機(jī)制貢獻(xiàn)系數(shù)也相應(yīng)變大。當(dāng)n增大時(shí)，梁機(jī)制抗力最大值增長10%，懸鏈線機(jī)制抗力最大值增長29%，這說明子結(jié)構(gòu)邊界條件的加強(qiáng)對(duì)梁機(jī)制抗力提升較小，但可顯著提升子結(jié)構(gòu)的懸鏈線機(jī)制抗力，從而提升子結(jié)構(gòu)的后期承載力。

3.2 邊柱尺寸

邊柱為梁柱子結(jié)構(gòu)端部提供軸向和轉(zhuǎn)動(dòng)的約束，故邊柱截面尺寸變化會(huì)顯著影響子結(jié)構(gòu)的邊界條件。在子結(jié)構(gòu)承受外界荷載作用時(shí)，若邊柱提供的剛度不足，則會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)水平方向上的連續(xù)性倒塌現(xiàn)象，若邊柱的尺寸過大，不僅會(huì)造成材料的浪費(fèi)，而且會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。為了進(jìn)一步探究邊柱尺寸對(duì)子結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的影響，以梁柱子結(jié)構(gòu)左側(cè)梁端的側(cè)向約束剛度為0與右側(cè)梁端的側(cè)向剛度0.5K為前提，針對(duì)次邊柱失效情形下的組合梁柱子結(jié)構(gòu)的無約束側(cè)邊柱尺寸進(jìn)行變參分析。

參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示，其中模型只改變邊柱尺寸，其他構(gòu)件尺寸不作變動(dòng)。

表2 不同邊柱尺寸的梁柱子結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Parameters of Beam-column Substructure with Different Side Column Sizes

3.2.1 不同邊柱尺寸荷載-位移曲線分析

圖8(a)為不同邊柱截面尺寸情況下各模型的荷載-位移曲線對(duì)比。由圖8(a)可知，各模型荷載-位移曲線發(fā)展趨勢(shì)相似，且均具有2個(gè)荷載峰值點(diǎn)。在位移加載初期，各模型子結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線相差不大，隨著加載位移的逐漸增大，子結(jié)構(gòu)的首次峰值點(diǎn)和二次峰值點(diǎn)差異顯著。當(dāng)梁柱線剛度比在一定范圍內(nèi)減小時(shí)，結(jié)構(gòu)的首次斷裂點(diǎn)和完全斷裂點(diǎn)荷載分別增加了14%和34%，說明邊柱尺寸的增大可以提高子結(jié)構(gòu)整體的承載能力，但是當(dāng)子結(jié)構(gòu)梁柱線剛度比過于小時(shí)，子結(jié)構(gòu)的承載能力不再增加。這是因?yàn)檫呏叽邕^大時(shí)，邊柱的節(jié)點(diǎn)域幾乎不再發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，梁的變形主要體現(xiàn)在彎曲變形上，而子結(jié)構(gòu)后期的承載力主要由梁內(nèi)軸拉力提供，通過梁受彎而形成的抗力不再增大，故此時(shí)邊柱尺寸的影響不大。如果子結(jié)構(gòu)邊柱尺寸過大，對(duì)其結(jié)構(gòu)整體抗倒塌的承載力提升不明顯。梁柱線剛度比值在0.6～1.1時(shí)，梁柱構(gòu)件可協(xié)同作用使子結(jié)構(gòu)具有較大的承載能力和變形能力。當(dāng)模型子結(jié)構(gòu)梁柱線剛度較為接近時(shí)，各模型子結(jié)構(gòu)可最大限度地發(fā)揮整體的抗倒塌能力。

3.2.2 不同邊柱尺寸抗力機(jī)制曲線對(duì)比

圖8(b)、(c)為各模型子結(jié)構(gòu)抗力發(fā)展曲線對(duì)比，從圖8(b)、(c)可以看出，不同邊柱截面尺寸的子結(jié)構(gòu)均經(jīng)歷了梁機(jī)制、梁機(jī)制向懸鏈線機(jī)制轉(zhuǎn)化及懸鏈線機(jī)制3個(gè)階段。在子結(jié)構(gòu)首次斷裂后，懸鏈線機(jī)制抗力逐漸成為總抗力的主要部分，而對(duì)于梁柱線剛度比處于0.6～1.1的子結(jié)構(gòu)，隨著線剛度比的減小，梁機(jī)制抗力最大值增長約10%，懸鏈線機(jī)制抗力最大值增長約35%，說明邊柱可為梁端提供有效的軸向與轉(zhuǎn)動(dòng)約束，有利于梁內(nèi)懸鏈線機(jī)制的發(fā)揮。

圖8(d)、(e)為各模型子結(jié)構(gòu)抗力貢獻(xiàn)分配情況。隨著邊柱的截面尺寸逐漸增大，子結(jié)構(gòu)的懸鏈線抗力機(jī)制貢獻(xiàn)系數(shù)也相應(yīng)變大，說明子結(jié)構(gòu)邊柱有效的拉結(jié)作用可顯著提升子結(jié)構(gòu)的懸鏈線機(jī)制抗力，進(jìn)而提升整體的極限承載能力。模型WUFG-Sa的懸鏈線抗力機(jī)制貢獻(xiàn)系數(shù)滯后其他子結(jié)構(gòu)許多，說明邊柱剛度過弱，邊柱會(huì)先于組合梁發(fā)生破壞，限制懸鏈線機(jī)制的發(fā)揮，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)的整體抗倒塌能力。

圖8 不同邊柱尺寸的梁柱子結(jié)構(gòu)模型對(duì)比Fig.8 Comparison of Beam-column Substructures with Different Side Column Sizes

3.3 邊柱軸壓比

在選取內(nèi)部的子結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗倒塌能力的研究時(shí)，通常會(huì)通過對(duì)邊柱施加一定的軸壓比模擬上部結(jié)構(gòu)的荷載作用。為分析軸壓比對(duì)子結(jié)構(gòu)抗倒塌性能的影響，基于子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的邊界條件，以部分約束組合梁柱子結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，探究不同軸壓比對(duì)梁柱子結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的影響程度。梁柱子結(jié)構(gòu)的軸壓比參數(shù)如表3所示。

3.3.1 不同邊柱軸壓比荷載-位移曲線對(duì)比

圖9 不同軸壓比的梁柱子結(jié)構(gòu)模型對(duì)比Fig.9 Comparison of Beam-column Substructures with Different Axial Compression Ratios

圖9(a)為不同邊柱軸壓比下梁柱子結(jié)構(gòu)模型的荷載-位移曲線對(duì)比，由圖9(a)可知，模型WS-3的二次完全斷裂處峰值荷載與模型WS-1、WS-2相比分別升高約8.5%和3%。軸壓比過小時(shí)，邊柱的節(jié)點(diǎn)域隨著兩側(cè)梁的變形而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而限制組合梁內(nèi)豎向抗力的發(fā)揮，降低整體的承載力，與模型WS-3相比，WS-4、WS-5、WS-6的二次峰值荷載分別降低了8.5%、13%、22%。次邊柱失效后的剩余子結(jié)構(gòu)有一側(cè)無水平的側(cè)向拉結(jié)，當(dāng)邊柱上施加荷載過大時(shí)，會(huì)降低邊柱的剛度，影響子結(jié)構(gòu)的抗倒塌承載能力。

表3 軸壓比設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Design Parameters of Axial Compression Ratio

3.3.2 不同邊柱軸壓比抗力機(jī)制曲線對(duì)比

圖9(b)、(c)為各子結(jié)構(gòu)抗力發(fā)展曲線對(duì)比，在懸鏈線機(jī)制發(fā)展曲線中，軸壓比為0.3的子結(jié)構(gòu)提供的懸鏈線機(jī)制抗力最大，此時(shí)子結(jié)構(gòu)周邊的邊界條件最大程度地保證懸鏈線機(jī)制抗力的充分發(fā)展。對(duì)于軸壓比小于0.3的模型WS-1和WS-2，由于邊柱軸向荷載施加有限，發(fā)生破壞時(shí)過小的軸壓比會(huì)使無拉結(jié)端邊柱無法提供合適的側(cè)向約束剛度，限制了梁內(nèi)豎向抗力的發(fā)展，導(dǎo)致提供的懸鏈線機(jī)制抗力有限。對(duì)于軸壓比大于0.3的模型WS-4、WS-5和WS-6，由于邊柱軸向荷載過大，在軸向荷載和梁端的水平拉結(jié)作用下會(huì)降低邊柱的剛度，限制了梁內(nèi)懸鏈線機(jī)制抗力的發(fā)展。

圖9(d)、(e)為各模型子結(jié)構(gòu)的梁機(jī)制貢獻(xiàn)系數(shù)與懸鏈線機(jī)制貢獻(xiàn)系數(shù)的發(fā)展變化情況?？梢钥闯?，不同軸壓比情況下子結(jié)構(gòu)的梁機(jī)制貢獻(xiàn)系數(shù)和懸鏈線貢獻(xiàn)系數(shù)差別不大，軸壓比對(duì)于子結(jié)構(gòu)抗力機(jī)制的占比情況影響較小。

4 結(jié) 語

(1)隨著梁端側(cè)向剛度的逐漸增大，不同側(cè)向剛度下的子結(jié)構(gòu)破壞模式類似，均是在無側(cè)向約束端鋼梁下翼緣首先發(fā)生受拉斷裂，而有側(cè)向約束端鋼梁下翼緣未發(fā)生任何斷裂。當(dāng)n<1時(shí)，提高梁柱子結(jié)構(gòu)的側(cè)向約束剛度可以提高子結(jié)構(gòu)的懸鏈線機(jī)制抗力，進(jìn)而提高子結(jié)構(gòu)的后期承載力。

(2)邊柱尺寸過小容易引發(fā)柱的彎曲破壞，限制后期懸鏈線機(jī)制抗力的發(fā)展，進(jìn)而降低子結(jié)構(gòu)后期極限承載力。邊柱尺寸過大時(shí)，增大邊柱尺寸對(duì)提升結(jié)構(gòu)的承載力影響有限，不僅會(huì)造成材料的浪費(fèi)，而且會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。對(duì)于梁柱線剛度比處于0.6～1.1的子結(jié)構(gòu)，邊柱可為梁端提供有效的軸向與轉(zhuǎn)動(dòng)約束，此時(shí)梁柱線剛度比減小有利于梁內(nèi)懸鏈線機(jī)制的發(fā)揮，進(jìn)而提升子結(jié)構(gòu)整體的抗倒塌性能。

(3)軸壓比對(duì)結(jié)構(gòu)后期抗倒塌承載能力具有一定的影響。當(dāng)軸壓比小于0.3時(shí)，隨著軸壓比的增大，結(jié)構(gòu)后期承載能力不斷增大；軸壓比大于0.3時(shí)，邊柱頂部所承受的豎向荷載較大，在邊柱中部水平拉結(jié)和柱頂豎向荷載共同作用下導(dǎo)致邊柱剛度降低，不利于梁內(nèi)懸鏈線機(jī)制抗力的發(fā)展，進(jìn)而降低子結(jié)構(gòu)的后期承載力。