SRC-RC竖向混合框架静力非线性分析

伍 凯,薛建阳,曹平周,赵鸿铁

(1.河海大学土木与交通学院,江苏南京 210098;2.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安 710055)

混合结构与组合结构是有着密切联系的不同概念:2种不同性质的材料组合成整体共同工作的构件称为组合构件,混合结构是由不同材料的构件共同组成的结构.型钢混凝土(SRC)构件由于配置有型钢,不仅强度、刚度明显增加,而且延性获得很大的提高,从而组成了抗震性能很好的SRC组合结构[1-6].广义的混合结构是指组合不同材料构成的构件,且由该类构件形成的至少2种不同类型的结构(或子结构)复合而成的结构体系.目前的混合结构大多是指平面内并联而成的结构体系,更准确的应该称为平面混合结构.随着建筑科技的发展以及市场需求,出现了竖向串连的结构形式.由于竖向串连的结构形式在上部和下部楼层采用不同的结构体系,因此称之为竖向混合结构.下部采用SRC结构、上部为钢筋混凝土(RC)结构的框架结构称为SRC-RC竖向混合框架.本文对SRC-RC竖向混合框架进行了静力非线性分析,给出了基底剪力与顶点侧移曲线、极限层间侧移角及塑性铰分布.通过计算与分析,获得了SRC-RC竖向混合框架的基本抗震行为,研究了各种因素对抗震性能的影响,为其应用与推广提供理论基础与数据结果.

1 SRC-RC竖向混合框架的震害与设计研究现状

20世纪50年代,SRC-RC竖向混合结构开始应用于日本的多层住宅,而近年来在国内部分高层和超高层建筑中也得到了应用,如1998年建成的广州汽车大厦的主楼[7].在SRC-RC竖向混合结构中,最常见的结构形式是SRC-RC竖向混合框架.SRC-RC竖向混合框架充分利用了SRC结构和RC结构各自的优点,综合考虑了工程的实际需要和客观经济因素的影响,对当代高层建筑的发展具有较强的适应性[8-12].

20世纪中期的SRC-RC竖向混合结构采用的过渡方式为整层过渡,如图1所示,型钢的截断位置选择在梁柱的节点处.1954年日本建设省编辑了《高层公营住宅设计资料汇编》,将3层以下为SRC结构、3层以上为RC结构的12层高层住宅作为标准设计刊出.在对混合结构的基本受力行为和抗震性能缺乏认识、尚未形成一套完善设计方法的情况下,SRC-RC竖向混合结构开始应用于实际工程.在这样的历史背景下,采用SRC-RC竖向混合结构的建筑物在阪神地震中破坏较为严重.图2为具有代表性的破坏形态,破坏集中发生在RC结构和SRC结构的交接位置,强度和刚度的突变导致转换层坍塌、建筑物上下两部分产生相对侧移.

图1 SRC-RC整层过渡混合框架Fig.1 Transition of SRC-RC hybrid frame

图2 SRC-RC竖向混合结构的震害Fig.2 Seism ic damage of SRC-RC hybrid frame

2 SRC-RC竖向混合框架的静力非线性分析

静力非线性分析是基于性能评估现有结构和设计新结构的一种方法.Pushover方法是对结构在罕遇地震作用下进行静力非线性分析的一种简化方法,本质上是一种静力方法.具体说,就是在结构计算模型上施加按某种规则分布的水平侧向力,单调加载并逐渐增大;一旦有构件开裂或屈服即修正其刚度(或使其退出工作),进而修改结构的总刚度矩阵,再进行下一步计算,依次循环直到结构计算达到预想的效果,从而确定该结构是否满足相应的抗震能力要求.

Pushover分析使用水平侧向力分布代表在地震设计值作用下结构层惯性力的分布,其分布模式直接影响Pushover分析的结果,因此水平侧向力分布模式的选取是Pushover分析中的一个关键问题.常用的惯性力分布有倒三角分布、均匀分布、弹性反应谱多振型组合分布、考虑高度影响的等效侧向力分布,以及郑正昌博士提出的下部几层采用三角形分布、上部各层采用均匀分布的水平侧向力分布模式[13].这些水平侧向力分布在整个加载过程中保持不变,被称为固定式侧向力模式.

2.1 模型的建立

应用分析软件SAP2000对一榀3跨、8层SRC-RC竖向混合框架进行了静力非线性分析,并利用截面设计软件SECTION BUILDER进行截面设计及校核.该框架层高3m,柱距6m,柱截面尺寸500mm×500mm,梁截面尺寸为400mm×300mm,结构布置如图3所示.梁采用统一截面形式;柱的截面根据不同工况略有调整,底部数层采用SRC柱,上部楼层采用RC柱.对于梁单元,仅考虑梁端受弯屈服产生的塑性铰(M3铰);柱单元考虑轴力与弯矩的相关作用产生的PMM塑性铰.SAP2000提供了3种内力重分配的方式:卸载整个结构、施加局部重分布、使用割线刚度重新开始.本次分析采用卸载整个结构的内力重分配方式,水平侧向力采用倒三角形模式,整个计算过程考虑P-Δ效应,P为结构承担的轴向压力,Δ为结构的侧向位移.

图3 SRC-RC竖向混合平面框架模型Fig.3 Plane model of SRC-RC hybrid frame

2.2 静力非线性分析

为了分析SRC-RC竖向混合框架抗震性能以及影响其抗震性能的主要因素,共进行了7个工况的计算.变化参数包括底部SRC结构层数、SRC柱的型钢配钢率以及RC柱纵筋配筋率,具体参数见表1.

表1 工况参数Tab le 1 Parameters for conditions

2.2.1 SRC结构层数的影响

工况G1～G4分析了SRC-RC竖向混合框架在倒三角形侧向力分布模式下的工作性能,并与纯RC框架(工况RC)进行对比,用于分析SRC结构层数对SRC-RC竖向混合框架抗震性能的影响.图4为工况RC,G1,G2的底部剪力与顶点侧移的关系曲线:在框架处于弹性阶段时,型钢的作用尚没有得到发挥,因此3条曲线基本重合;随着框架各构件逐步进入屈服阶段,型钢对底部楼层的加强作用逐步得到发挥,延缓了底部楼层构件的屈服,更好地发挥了上部楼层各构件的强度和变形能力,一定程度上提高了框架的承载能力并延长了屈服平台,使结构的整体工作性能得到改善.SRC-RC竖向混合框架工作性能优于RC框架,承载力与极限顶点侧移均有所提高,提高的幅度随着SRC结构层数的增多而增大(表1),SRC结构层数达到3层以后框架的承载力与极限顶点侧移趋于稳定.

虽然在底部楼层设置SRC柱延缓了PMM塑性铰的出现,改善了框架的抗震性能,但由于SRC柱与RC柱在强度和刚度两方面均存在较大的差异,因此容易导致薄弱层的出现.对于SRC-RC竖向混合框架,研究层间侧移角分布有助于确定结构是否存在薄弱层以及薄弱层出现的位置,图5为层间侧移角的分布情况.RC框架的薄弱层出现在底层,底层柱的失效最终导致框架破坏;对于仅在底层设置SRC柱的工况G1,虽然底层得到了加强,但SRC柱和RC柱的差异导致薄弱层上移,薄弱层出现在第2层;随着SRC结构楼层数的继续增加,底部楼层逐一得到加强,框架的破坏形式逐渐由柱铰失效过渡到梁铰侧移机制,工况G3已经没有明显的薄弱层,图6为工况RC和G3的塑性铰分布.

图4 底部剪力与顶点侧移关系曲线Fig.4 Relationship between bottom shear force and displacement at top of frame

图5 SRC结构层数对极限层间侧移角分布的影响Fig.5 Effect of SRC story number on ultimate story displacement angle

值得注意的是,工况G3与G4具有相似的极限层间侧移角分布曲线,并且极限承载力与极限顶点侧移也相差不大,说明底部3层采用SRC柱能够使该8层SRC-RC竖向混合框架的性能趋于稳定,实现了梁铰侧移机制,继续增加SRC结构层数对混合框架的抗震性能影响不大.因此对于SRC-RC竖向混合框架,SRC结构层数与竖向混合结构的总层数应该存在一个合理的比值,本文分析得到的合理比值约为1/3,略高于《高层公营住宅设计资料汇编》的1/4.

图6 塑性铰分布Fig.6 Plastic hinge distribution

2.2.2 RC柱纵筋配筋率的影响

除了规定合理的SRC结构层数,还可以考虑通过降低SRC柱与RC柱性能差异的方式避免在SRC-RC竖向混合框架中出现明显的薄弱层.由于SRC柱与RC柱的性能存在差异,混合框架的薄弱层往往出现在RC结构部分受力最不利的底层.为了缓解SRC柱与RC柱的性能差异,应适当增加RC结构部分底层或底部数层的纵筋数量,对可能出现薄弱层的位置适当加强,逐步实现截面强度和刚度从SRC结构到RC结构的分级递减.工况G5将RC柱配筋率增加到2%,是工况G2的2倍.工况G5的极限承载力和极限顶点侧移由工况G2的348 kN,330mm分别提高到了380kN,397mm.图7(a)为工况G5与G2的极限层间侧移角分布曲线.由于RC柱纵筋数量的增加,SRC-RC混合框架沿竖向承载力和刚度的突变问题得到缓解,原本出现薄弱层的位置得到加强并延缓了塑性铰的出现,使SRC结构层更多地参与到整个结构的抗震工作中,混合框架没有出现明显的薄弱层.

图7 极限层间侧移角分布Fig.7 Distribution of u ltimate story displacement angle

2.2.3 SRC柱型钢配钢率的影响

工况G5的SRC柱采用了更小的型钢截面,配钢率由工况G2的4.3%降低到了1.7%,其极限顶点侧移较工况G2提升了约10%,2个工况的极限层间侧移角分布如图7(b)所示.楼层在水平力作用下的层间侧移为楼层的剪切位移与结构总体弯曲变形产生的侧移之和,即:

式中:δ——楼层的层间侧移;δs——由构件弯曲和剪切变形产生的层间侧移;θ——下层楼面由于结构整体弯曲变形产生的转角;h——楼层的层高.

虽然结构的整体弯曲增大了结构的P-Δ效应,是影响结构稳定的一个重要因素,但构件的破坏主要由δs引起,可将其称为有害层间侧移.虽然工况G6第3层层间侧移角与工况G2相差无几,但由于型钢配钢率的降低,其第2层的极限侧移角明显增大,这在一定程度上减小了第3层的有害层间侧移,SRC-RC混合框架此时并不存在明显的薄弱层.为了实现从SRC柱到RC柱的合理过渡,与RC柱邻接的SRC柱的型钢配钢率应适当降低.美国钢结构学会规定SRC结构的型钢配钢率不得低于4%;日本规范以型钢配钢率8%作为用钢量的上限,下限为0.8%;中国台湾规范要求不低于2%;JGJ138—2001《型钢混凝土组合结构技术规程》[14]规定配钢率不宜低于4%,且不宜高于10%.本文综合考虑不同规程、规范的要求,并能够使SRC柱到RC柱的过渡易于实现,建议与RC柱邻接的SRC柱的合理配钢率区间为2%～4%.

3 结 论

a.保证底部具有一定数量的设置SRC柱的楼层,其层数与结构总层数的比值根据实际计算确定,但不应小于1/3,使梁铰侧移机制得以实现.

b.应适当增加RC结构部分底层或底部数层的纵筋数量,对可能出现薄弱层的位置适当加强并实现截面强度和刚度从SRC结构截面到RC结构截面的分级递减.

c.适当减小与RC柱邻接的SRC柱的配钢率,使SRC柱到RC柱的过渡易于实现,建议其合理配钢率区间为2%～4%.

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