用一种新方法提高梁端塑性铰的耗能能力

尹新生 刘松鑫

（吉林建筑大学寒地绿色建筑技术工程研究中心，长春 130118）

用一种新方法提高梁端塑性铰的耗能能力

尹新生 刘松鑫

（吉林建筑大学寒地绿色建筑技术工程研究中心，长春 130118）

通过在梁端加入钢筋网片来提供侧向约束，更好地提高对混凝土的约束作用，充分利用结构的延性来降低外荷载的作用，使结构在屈服后有较大的变形能力，从而提高梁端塑性铰的耗能能力，更易实现“强剪弱弯”的设计理念，又提高了钢筋的利用率，还有利于对塑性铰区域的震后修复工作。

钢筋网片；塑性铰；延性；耗能能力

从上个世纪起，世界各国都在进行大量的抗震研究，特别是利用结构延性的抗震研究。人们发现对震后建筑物的维修费用非常昂贵，修复所需的时间有的也让人们难以接受。在通常的结构抗震设计中，大部分研究人员都推荐框架结构体系应当采用“强柱弱梁”的设计理念，这样可以将地震能量分散耗散在结构的梁端，并降低柱端的延性要求。因此，在设计强柱弱梁体系时，通常可以采用较低的设计地震力而靠梁端塑性铰来耗散地震能量。但是这样却导致结构即使在中等强度的地震作用下，这些预期的塑性铰也破坏，使得修复费用很昂贵。[1]

1 钢筋混凝土框架结构梁端破坏机理

图1 悬臂梁

以最简单的悬臂梁为例，受力情况如图1所示，在配筋合理的情况下框架结构梁端破坏大致分为以下四个阶段[2]：

（1）弹性工作阶段

外力作用下，直至梁端先出现第一条裂缝前，剪力主要由核心区混凝土承担，构件处于弹性阶段。

（2）带裂缝工作阶段

梁端在外荷载不断增大的情况下，从受拉区混凝土出现第一条裂缝后会陆续出现多条裂缝，直至受拉钢筋即将屈服，在这个阶段中，箍筋主要承担梁端剪力，箍筋应力快速增大，梁端刚度明显下降。

（3）弹塑性工作阶段

荷载继续增加，梁端剪切变形加大，横向箍筋大部分达到屈服，混凝土逐渐脱落，此时抗剪承载力达到最大。

（4）破坏阶段

当外荷载不断增大，混凝土达到极限承载力后开始大面积脱落，梁端变形严重而破坏。

2 钢筋混凝土框架结构梁端加入钢筋网片的思想

一般的抗震设计思路是加大梁端受力钢筋的配筋率，推迟构件屈服，但是震害研究表明，在梁端并不是配有越多的受力钢筋越好，如果超过一定量值则更易形成柱铰机制，如图2所示。这样不仅造价上造成了浪费，而且对结构的屈服利用的不够合理也不利于抗震。因此我们提出一种新的方法——在梁端加入钢筋网片，加大对混凝土的约束作用，提高结构的变形能力，利用结构屈服后的延性来提高抗震效果，真正形成梁铰机制，如图3所示。

图2 柱铰机制

图3 梁铰机制

图4 Mander约束和无约束混凝土模型

加入钢筋网片的基本思路：受Mander约束和无约束混凝土模型[3]的启发，用钢筋网片提供侧向约束，约束效果比只用箍筋约束效果好，又进一步避免构件剪力较大的部位在达塑性变形能力极限之前发生非延性破坏，充分利用结构的延性来降低外荷载的作用。这样结构在较低的地震作用下屈服前保持弹性工作状态，在较大的地震作用下，通过结构的非弹性变形来耗散地震能量。

布置钢筋网片的带来的益处：（1）更容易实现“强减弱弯”的延性设计理念，实现梁铰机制，在框架结构梁端形成塑性铰将结构转化为排架结构，避免在柱端形成塑性铰更易造成倒塌；（2）提高了框架结构的耗能能力，使塑性铰区域的损伤相对减小，有利于震后的修复工作；（3）利用结构屈服后的变形，可以适当降低配筋面积，提高了钢筋的利用率，更加有利于资源的合理利用。

3 梁端加入钢筋网片有限元初步模拟

3.1 有限元软件计算结构位移

通过有限元软件ABAQUS建立模型，模拟结构在外荷载作用在悬臂端的位移情况，反映结构的延性。梁截面尺寸选用bxh=300mmx600mm，受力钢筋选用HRB400级直径16mm的钢筋，架立钢筋选用HRB400级直径12mm的钢筋，箍筋选用HRB400级直径8mm的钢筋，间距为100mm，钢筋网片选用直径8mm的钢筋。梁截面配筋情况如图5所示，有限元模型如图6所示。

图5 梁截面配筋

图6 有限元模型

在悬臂端施加集中力，荷载施加至结构达到屈服，得出相应的结构位移数值。对不同的梁端情况分别建立不同的模型，对比其变形能力，有限元ABAQUS计算结果如表1。

表1 有限元ABAQUS结构位移计算结果

3.2 有限元软件模拟结构的荷载位移曲线

通过有限元软件ABAQUS建立模型，模拟结构在反复荷载作用下结构的耗能能力。梁截面尺寸选用bxh=300mmx600mm，钢筋选用HRB400级直径16mm的钢筋，上下对称布置钢筋，箍筋选用HRB400级直径8mm的钢筋，间距为100mm，钢筋网片选用直径8mm的钢筋，间距为100mm。配筋情况如图7所示，有限元模型如图8所示。图9-12为有限元模拟结果。

图7 梁截面对称配筋

图8 有限元模型

图9 无钢筋网片

图10 4个钢筋网片

图11 7个钢筋网片

图12 10个钢筋网片

4 结语

从有限元软件初步模拟结果可以看出，在钢筋混凝土框架结构梁端加入钢筋网片比只用箍筋约束混凝土的效果更好，极限承载力基本相同，但是变形能力增大，耗能能力增大。利用结构屈服后的变形来耗散地震能量，更容易实现“强柱弱梁”、“强剪弱弯”的延性设计理念，降低塑性铰区域的损伤。

后续工作需要进一步研究梁端在不同数量的钢筋网片、不同直径的钢筋网片、不同间距的钢筋网片等等情况约束下的变形及耗能能力，提高钢筋的利用率，实现资源利用的最大化。

[1]张程.钢筋混凝土框架结构直接基于位移的抗震设计研究[D].杭州:浙江大学,2006.

[2]东南大学,天津大学,同济大学.混凝土结构（上册）[M].北京:中公建筑工业出版社,2001.

[3]Mander,J.B.,M.J.N.Priestle,and R.park. Theoretieal stress-strain model for confinedconerete[J].Journal of Struetural Engineering,114,1988.

Improving the energy dissipation capacity of the plastic hinge of the beam end by a new method

YIN Xin-sheng,LIU Song-xin
(Green Building Engineering Research Center for Cold Area, Jilin Jianzhu University, Changchun, China 130118)

By adding net reinforcement at the beam end to provide lateral constraint, the constraint effect of concrete is improved. The ducility of the structure is used to reduce the external load, so that the structure has a larger deformation capacity after be yielded. This can improve the energy dissipation capacity of the beam end plastic hinge,more easily achieve the “strong shear weak bending” design concept, and improve the utilization rate of rebar, and is also conducive to the plastic hinge region of the post earthquake restoration work.

net reinforcement; plastic hinge; ductility; energy dissipation capacity

G322

B

1007-6344（2016）02-0026-02