框架结构“强柱弱梁”屈服机制研究

郭靳时，段 延，李 睿

(吉林建筑大学，吉林 长春 130118)

0 前 言

国内多层民用建筑设计中因框架结构具有更加灵活的分配空间，具有结构整体性好等优点，因而尤为常用，但框架结构的节点应力集中且侧向刚度小，属柔性结构，在强地震作用下，结构产生较大水平位移，易发生严重的非结构性破坏。

1989年的抗震规范中，针对“大震不倒”的设防目标，提出“强柱弱梁”的理想破坏形式。对于如何改善结构细节使其满足设防标准，如何使其在地震中有较多的“强柱弱梁”的破坏发生，国内外多位研究员[1-2]针对本问题从不同角度提出了解决方法，张洁[3]通过对楼板开角缝和无角缝两种模型分析了楼板设置有角缝可易使结构满足“强柱弱梁”破坏机制条件。

本文创建普通框架与楼板开边缝框架两种模型，利用ABAQUS分析软件分析计算，楼板开缝框架在地震作用下的屈服机制。

1 框架结构楼板开边缝的有限元模型

1.1 模型概况

设计一栋3层2×3跨的框架结构，模型甲的层高为3 300 mm，X方向梁跨7 200 mm，Y方向梁跨3 600 mm，100 mm的楼板厚度，500 mm×500 mm的柱截面,模型乙在甲的设计基础上在楼板与框架柱、框架梁的连接处增设15 mm的缝，示意图如图1所示。

图1 开缝布置图

1.2 材料计算参数

均采用质量密度为2 400 kg/m3的C30混凝土，纵筋使用弹性模量为2.00×105N/mm2的HRB400级钢筋，箍筋使用弹性模量为2.10×105N/mm2的HPB300级钢筋，泊松比为0.3，钢筋的质量密度为7 800 kg/m3。

1.3 模型的建立

通过八节点三维实体线性压缩积分单元(C3D8R)，如图2所示，模拟试件中单元选择。

图2 C3D8R单元

模型中钢筋均用两节点三维桁架单元(T3D2)，如图3所示。

图3 T3D2单元

通过材料模板确定参数，经组装后应用旋转，平移装配方法建立整体模型。为实现模拟与实验同步类似，绑定(Tie)命令用于实现一层柱顶部与二层柱底部，梁柱接触面，次梁与主梁的连接。最后进行种子布置和网格划分。

2 楼板开缝混凝土应力分析

2.1 EL波作用对比分析

对比分析在EL波作用下，楼板开缝框架和普通框架结构的混凝土应力云图，如图4～5所示。应力应变云图可以直观地反映出结构构件的受力特征。

图4 楼板开缝框架云图

图5 普通楼板框架云图

2.2 多种地震波作用

根据规范另增选天津波、人工波两种不同地震波对楼板开边缝框架结构作用下，得到混凝土在纵向钢筋达到最大应力时的应力分析云图，如图6～7所示。

图6 天津波作用下混凝土损伤云图

图7 人工波作用下混凝土损伤云图

3 结 论

通过本文对比分析，相较于普通框架结构，楼板开缝框架结构使梁柱节点应力更加分散，梁端应力更加集中，而柱端混凝土只出现轻微受损，因此开缝措施更利于塑性铰的形成，对结构实现“强柱弱梁”破坏机制有改善效果。

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