新型斜柱转换结构的抗震性能分析*

杨 磊，申 波*，周世明，何 智 谢宗言

(1 贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳 550003；2贵州省建筑设计研究院有限责任公司,贵州 贵阳 550003)

新型斜柱转换结构的抗震性能分析*

杨 磊1，申 波1*，周世明2，何 智1谢宗言1

(1 贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳 550003；2贵州省建筑设计研究院有限责任公司,贵州 贵阳 550003)

为了研究新型斜柱转换结构的抗震性能影响，对五榀不同肢厚比的新型斜柱转换结构进行竖向荷载和水平低周期反复荷载共同作用下的受力性能分析，分析试件的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、承载能力、位移延性及刚度退化。研究结果表明：当肢厚比控制在8.5～9.5之间，能取得良好的耗能性能，下部框架梁主要受拉，建议设计时加强配筋并通长布置。

新型斜柱转换结构；肢厚比；破坏形态；滞回曲线；位移延性

近年来钢筋混凝土斜柱转换结构的研究进展迅速，文献[1-5]对其进行了一系列的理论分析和试验研究，研究表明合适的肢厚比可以使结构有较好的抵抗水平荷载的能力，更容易实现“强柱弱梁，强剪弱弯”的抗震设计原则。然而该传统斜柱转换结构的延性及耗能均低于钢筋混凝土梁式转换，斜柱间转换梁净跨段损伤较严重。鉴于此，文献[6]提出了带型钢的新型斜柱转换结构，其由型钢混凝土斜柱、部分型钢混凝土转换梁、钢筋混凝土框支柱组成。本文结合实际工程通过5榀不同肢厚比的新型斜柱转换结构进行水平低周期反复加载理论分析，研究不同肢厚比对新型斜柱转换结构的抗震性能影响，为新型斜柱转换结构的应用提供一定的理论依据。

1 模型建立

1.1 有限元分析模型来源

为研究不同肢厚比对新型斜柱转换结构的抗震性能影响，选取了贵州某地区带核心筒的框支剪力墙结构为有限元分析模型来源。选取型钢混凝土转换梁与型钢混凝土斜柱匹配的刚度值，确定实际工程中型钢混凝土转换梁和型钢混凝土斜柱的截面尺寸。该实际工程采用PKPM软件整体建模分析，然后用PKPMSAP对计算结构进行复核。最终选取一榀转换层及其上下层的单跨模型，建立不同肢厚比的新型斜柱转换结构的有限元模型。试件ZHB8尺寸如图1。

图1 有限元分析模型试件ZHB8尺寸图

按照模型ZHB8为基准建立其它四榀肢厚比有限元分析模型，保持参数不变，只改变上部剪力墙墙肢厚度并保持其它参数不变，如表1所示。

表1 不同肢厚比模型试件情况

注：匹配刚度比表示型钢混凝土转换梁与型钢混凝土斜柱线刚度的比值[6]。

1.2 ABAQUS有限元模型

钢筋的本构关系采用理想弹塑性模型，模型的混凝土本构关系来源于我国《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)附录C.2条所规定的混凝土单轴应力—应变关系[7]。 混凝土损伤因子分别按式(1)，(2)计算[9-11]：

受拉损伤因子Dt：

(1)

受压损伤因子Dc：

(2)

膨胀角、偏心率、Kc、fbo/fco和粘性系数的参数选取见下表2

表2 混凝土损伤塑性模型相关参数

1.3 模型建立过程

混凝土采用三维实体单元C3D8R，钢筋采用三维线性桁架单元T3D2，型钢采用实体单元C3D10。根据混凝土、钢筋，以及型钢的不同特征建立相应的部件，定义材料属性，混凝土采用C55，密度取2400kg/m3，弹性模量取为3.55×104MPa，泊松比取为0.2，塑性的取值按照表2取值，损伤部分参数选取见表3。 钢筋采用HRB400，钢材HRB400，密度取为7800kg/m3，弹性模型2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服应力235MPa。

表3 ABAQUS中混凝土损伤塑性受压受拉应力—应变损伤参数

把各个部件按着模型中不同的坐标进行装配定位，然后把钢筋和型钢嵌入到混凝土中，然后建立一个参考点RP-1耦合到连梁梁端，用以施加低周期水平往复荷载。装配完成之后以ZHB8为例示意图如图2：

(a) 试件ZHB8整体模型 (b) 试件ZHB8混凝土模型 (c)试件ZHB8钢筋骨架模型 (d) 试件ZHB8型钢骨架模型图2 试件ZHB8有限元模型

分析模型创立之后，对其进行创建分析步，添加边界条件，施加荷载，对基座梁添加固定约束，竖向荷载由上部剪力墙的0.3轴压比计算得出荷载为1.065×107N/m2。水平荷载在参考点RP-1出施加，采用位移控制施加水平往复荷载，直到试件破坏的水平位移加载曲线见下图3。

图3 加载曲线

2 不同肢厚比有限元结果分析

2.1 新型斜柱转换结构的加载过程分析

新型斜柱转换结构各试件的应力、应变发展趋势和破坏形态，和试件ZHB8大体一致。现以试件ZHB8为例，简要分析各试件的有限元模拟过程。

试件ZHB8竖向荷载加载完成后，竖向荷载施加完毕之后竖向变形符合预期，压缩变形从剪力墙到基座梁逐渐变小。剪力墙底部外侧混凝土压应力最大，框架梁和斜柱与框支柱之间的转换梁下部受拉较严重，型钢的应力分布左右对称且应力值较小，最大Mises应力值为52.31 MPa，分布在型钢的左右斜柱柱脚处。当竖向荷载施加完后，对试件施加水平低周期往复荷载。在水平荷载的加载前期，框架梁混凝土塑性应变较大并首先屈服，接着连梁两端的混凝土屈服，随后斜柱与转换梁连接处转换梁的底部混凝土屈服，此后试件ZHB8的框支柱与转换梁的连接部位混凝土塑性应变逐渐增大。水平位移增大到一定阶段，试件达到最大承载力，此时框架梁梁端混凝土裂缝较多并逐渐增大向跨中发展；连梁梁端出现裂缝，且连梁受压区混凝土塑性变形较大；框支柱和转换梁连接部位转换梁混凝土裂缝发展较多；斜柱与转换梁连接部位、斜柱和框支柱连接部位以及框支柱柱底混凝土塑性应变迅速增大，开始出现裂缝；剪力墙底部混凝土塑性应变较大，且逐渐向剪力墙中间部位发展。水平位移加载的后期，当承载力下降到最大承载力的85%时，认为试件已经破坏。试件破坏时，转换梁上裂缝较多，转换梁和框支柱连接部位混凝土裂缝发展丰富；斜柱与转换梁、斜柱与框支柱出现少量裂缝，框支柱柱底外侧裂缝发展丰富，框支柱与框架梁连接部位框支柱的外侧裂缝也较多，剪力墙裂缝相对较少。剪力墙、转换梁与框支柱连接部位、框支柱柱底外侧的混凝土压缩损伤很严重，损伤因子都在0.9以上。从损伤程度来看，转换梁出现塑性铰早于柱铰，试件破坏主要是由于转换梁与框支柱连接部位出现梁铰后，试件承载力下降，最后框支柱出现塑性铰，导致试件破坏。

2.2 滞回曲线及骨架曲线

2.2.1 滞回曲线

各试件模型计算完成后，在ABAQUS后处理中，提取各模型试件里耦合点RP-1的力与位移值，并将力与位移拟合在同一坐标中，得到试件的滞回曲线。6个模型试件的滞回曲线如图4所示。

图4 不同肢厚比试件滞回曲线

由图可知，试件的滞回曲线有如下特点：

(1)加载初期，各试件均处于弹性阶段，加载与卸载过程中滞回曲线基本呈直线，残余变形较小，滞回环包络的面积较小。随着位移的增大，材料受力开始进入塑性阶段，滞回曲线出现弯曲状态，且刚度随位移加载的增加而降低；材料进入塑性后，卸载后试件残余变形较大，其滞回环所围面积逐渐增大。随着推覆位移的进一步增加，试件达到极限承载力，随后，承载力开始下降直到破坏。当试件承载力下降到极限承载力的一定值时，认为模型试件破坏，本次有限元模拟结束。

(2)试件的滞回曲线正反方向加载时基本对称，曲线呈梭形且都比较饱满，有较好的抗震性能。试件ZHB8、ZHB10的滞回曲线反向加载时滞回曲线的荷载峰值下降比正向快，说明反向加载时刚度退化较快。

(3)比较这5个试件可知，试件ZHB8.5的滞回环最为饱满，而试件ZHB8和ZHB10比较差.

2.2.2 骨架曲线

各试件的骨架曲线如下图5所示：

图5 不同肢厚比试件骨架曲线

试件的骨架曲线特点如下：

(1)各试件骨架曲线的正反方向形状基本相同。当位移增大到一定值后，由于试件材料损伤累积，承载力下降，骨架曲线出现下降段。由于试件是由混凝土、钢筋和型钢等不同性质材料构成，宏观上试件是各向异性，故试件没有明显的屈服点。

(2)随着上部剪力墙肢厚比的增大，试件的承载力也相应增大，但承载力增幅不大；试件的正向加载骨架曲线更为平缓，说明试件的正向延性系数比反向延性系数大。比较5个肢厚比不同的试件，试件ZHB9骨架曲线的下降段最平缓，故试件ZHB9的延性相对较好。

3 结论

综合上述分析可以得出以下结论：

(1)新型斜柱转换结构上部剪力墙的肢厚比越大，试件的初始刚度就越大；肢厚比控制在8.5～9.5之间，能取得良好的耗能性能。

(2)所有试件转换梁下层的框架梁主要受拉，容易开裂，建议设计时加强配筋并通长布置。

[1] 卢挺. 框支短肢剪力墙结构中斜柱式与梁式转换结构的抗震试验研究[D]. 重庆大学, 2006.

[2] 彭跃强. 框支短肢剪力墙斜柱转换结构非线性分析及抗震规律研究[D]. 重庆大学, 2013.

[3] 周浩. 不同轴压比框支短肢剪力墙斜柱式转换层结构的抗震试验研究[D]. 重庆大学, 2009.

[4] 祁勇,朱慈勉,钟树生.不同肢厚比框支短肢剪力墙斜柱式转换层结构抗震试验研究[J]. 振动与冲击, 2012, 31(12):155-159.

[5] 祁勇. 不同肢厚比框支短肢剪力墙斜柱式转换层结构的抗震试验研究[D]. 重庆大学, 2008.

[6] 李梦,申波,谢成吉,等.带新型斜柱转换的框支剪力墙结构力学性能分析[J]. 贵州大学学报:自然科学版, 2015, 32(2):94-98.

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[10] 张劲,王庆扬,胡守营,等. ABAQUS混凝土损伤塑性模型参数验证[J]. 建筑结构, 2008(8):127-130.

[11] 刘巍, 徐明, 陈忠范. ABAQUS混凝土损伤塑性模型参数标定及验证[J]. 工业建筑, 2014(S1):167-171.

[12] 过镇海. 钢筋混凝土原理[M]. 北京：清华大学出版社, 2013.

(责任编辑：王先桃)

Different Limb Thickness Ratio on Seismic Performance of New Type Inclined Column Transferring Structure

YANG Lei1，SHEN Bo1*，ZHOU Shiming2，HE Zhi1，XIE Zongyan1

(1. Space Structure Research Center, Guizhou University, Guiyang 550003, China；2. Guizhou Architectural Design & Research Institute Co.,Ltd, Guiyang 550003,China)

To study seismic behavior of the new type inclines column transfer structure, the five different limb thick ratio of the new type inclines column transfer structure vertical load and horizontal cycle quasi static analysis under the action of repeated loading, the analysis of the specimen failure pattern, hysteresis curves and skeleton curve, bearing capacity, displacement ductility, stiffness degradation were conducted. Research results show Limb thickness ratio control between 8.5 ～ 9.5, can obtain better performance of energy consumption. Frame beam mainly tensile, suggested strengthening the reinforcement design and all long arrangement.

seismic performance of new type inclined column transferring structure； limb thickness ratio； failure mode；hysteresis curve；displacement ductility

1000-5269(2016)06-0067-04

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.06.16

2016-00-00

国家自然科学基金资助项目(51468007);贵州省科技支撑计划项目(社会发展攻关)(黔科合SY 字(2012)3067)

杨磊(1991-)，男，在读硕士，研究方向：高层混凝土新型斜柱转换结构，Email:qaz7251998@163.com

*通讯作者： 申波，Email: gy- shenbo@sohu.com.

TU352.1+1

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