索-区域约束混凝土框架抗震性能分析★

尚 茂，张晓虎，罗爱忠，张效忠，韩六平

(贵州工程应用技术学院，贵州 毕节 551700)

1 概述

框架结构具有可灵活布置的建筑空间，使用较方便，但横向刚度很低。剪力墙结构具有刚度大，但延性差，地震作用下易发生脆性破坏。贵州大学曹新明教授提出区域约束混凝土结构，并对其展开了一系列研究，大量的研究表明区域约束混凝土能够大幅提高框架结构的抗侧刚度和延性，但是区域约束混凝土框架的抗侧刚度与剪力墙结构抗侧刚度相比还是差太大。为解决区域约束混凝土框架结构抗侧刚度小以及剪力墙结构延性差的问题，本文提出索-区域约束混凝土框架结构，利用索限制框架侧移以及索的高抗拉强度，使得索-区域约束混凝土框架结构更加充分运用了混凝土抗压强度和索与钢筋的抗拉强度[1-10]。

2 区域约束混凝土理论基础

区域约束混凝土理论自从提出以来进行了大量的研究和分析，得到了区域约束混凝土的本构模型并出版了相关规范[11]；区域约束混凝土本构关系曲线分为三个部分：第一部分为抛物线上升，第二部分为斜直线下降，第三部分为水平线；区域约束混凝土应力应变关系表达式为：

当εc≤εcc时：

(1)

当εcc<ε≤4εcc时：

(2)

当4εcc<ε时：

(3)

其中约束后的混凝土强度fcc按式(4)进行计算：

fcc=(1+k)fc

(4)

提高后的混凝土应变为：

εcc=ε0(1.19+2.257k)

(5)

K为综合约束强度系数，按式(6)计算：

(6)

其中,ρs为纵筋配筋率；fy为纵筋屈服强度；ρv为配箍率；fyv为纵筋配筋率；fc为混凝土抗压强度；σc为混凝土压应变为εc时对应的应力。绘制得到的区域约束混凝土应力应变关系曲线见图1。

3 构件设计

本文运用ABAQUS对三种跨度均为6 000 mm的框架进行低周往复荷载数值模拟(如图2所示)，各种构件的设置参数如表1所示。

4 钢筋本构关系

钢筋本构由三部分组成，即弹性阶段、屈服阶段和强化阶段，其应力与应变的关系如图3所示。钢筋在屈服之前为完全理想弹性体，应力应变曲线的斜率为恒定的值，到屈服应力之后有一小段屈服平台，钢筋的应力不随应变的增大而改变，当应变增加到一定数值后，应力又开始随着应变增大而增大，曲线的斜率变为原来的0.1倍。输入到ABAQUS中的钢筋各项参数如表2所示。

当:

ε≤εy0时，σ=Esε

(7)

当:

εy0<ε<εy1时，σ=fy

(8)

当:

ε>εy1时，σ=0.1Esε

(9)

表1 构件基本参数

表2 钢筋参数

5 数值模拟结果

通过提取ABAQUS数值模拟结果，绘制滞回曲线、骨架曲线和耗能曲线如图4～图6所示，并提取出每种工况下峰值荷载以及峰值荷载对应的位移如表3所示。

由图4可知：

1)轴压比0.7，0.9，1.1时，三种框架的滞回曲线均较饱满，呈现出有较小钢筋滑移的弓形，表明三种框架结构在高轴压比下抗震性能仍然保持良好。

2)当轴压比不大于1.1时，随着轴压比的增加，框架的水平极限承载力和抗震性能逐渐增加，当轴压比大于1.1时，框架的水平极限承载力依然增大，但是水平极限承载力到达峰值以后下降迅速，消耗能量也逐渐降低，说明轴压比超过1.1后框架的抗震性能开始逐渐降低。

3)区域约束混凝土张拉索以后，刚度和承载力得到了显著的提升，在轴压比不大于1.1之前，水平承载力下降速度与未设置柔索的区域约束混凝土框架要缓慢很多，且承载力下降一段之后，由于柔索对框架承载力的贡献大于混凝土承载力降低引起的承载力降低，因此框架的水平承载力又开始逐渐上升。

4)索的两种不同构造均对框架承载力显著提高，但索的两种不同构造形式的框架承载力及耗能能力差别较小，差异可忽略，说明索的两种设置方式对框架承载力改善效果相同。

由表3可知：

1)6种轴压比下，未设索的区域约束混凝土框架的初始抗侧刚度基本保持一致，且随着轴压比的逐渐增大，区域约束混凝土框架的水平峰值承载力在逐渐增大，轴压比从0.5依次增大到0.7，0.9，1.1，水平峰值承载力依次增加了7%，9%，14%。

2)6种轴压比下，第一种索-区域约束混凝土框架轴压比从0.5依次增大到0.7，0.9，1.1，水平峰值承载力较轴压比0.5时水平峰值承载力依次增加了3.5%，5.8%，5.1%；第二种索-区域约束混凝土框架轴压比从0.5依次增大到0.7，0.9，1.5，水平峰值承载力较轴压比0.5时水平峰值承载力依次增加了7.7%，9.4%，14.5%。

3)在相同轴压比下，两种索-区域约束混凝土框架的水平峰值承载力均大于未设索的区域约束混凝土框架的水平峰值承载力，两种索-区域约束混凝土框架的承载力到达峰值以后承载力下降速率比未设索的区域约束混凝土框架的承载力下降速率慢。

表3 不同轴压比下三种结构的水平峰值荷载与位移

4)在相同轴压比0.5，0.7，0.9，1.1下，第一种索-区域约束混凝土框架的水平峰值承载力较未设索框架水平峰值承载力提高百分比为19.3%，15.4%，15.5%，10%；第二种索-区域约束混凝土框架的水平峰值承载力较未设索框架水平峰值承载力提高百分比为14.2%，15%，14.2%，14.7%。

图6为三种框架耗能能力与轴压比的变化关系，均表现出随着轴压比的增加，耗能能力逐渐减弱；两种索-区域约束混凝土框架的耗能能力较未设索的区域约束混凝土框架有大幅度提升，两种设索方式对框架耗能能力改善效果基本相同。

6 结论

索-区域约束混凝土框架是基于区域约束体系的基础上提出的新型结构形式，继承区域约束混凝土优良的受力特点和受力性能，把区域约束与柔索的张拉结合到一起，进一步改善了框架结构体系的受力性能。

本文利用ABAQUS有限元软件对未设索的区域约束混凝土框架RCC和两种索-区域约束混凝土框架YSRCC，YSRCC(2)进行了数值模拟分析：

1)索-区域约束混凝土框架抗震性能优于未设索的区域约束混凝土框架。

2)索-区域约束混凝土框架与未设索的区域约束混凝土框架的耗能能力均随着轴压比的增加而逐渐降低。

3)不同柔索张拉方式对区域约束混凝土框架水平承载力、抗震性能改善程度基本相同。

4)轴压比到达1.1以后，三种框架随轴压比的增加，骨架曲线下降变快，延性降低。

5)轴压比从0.5增加到1.1，索-区域约束混凝土框架YSRCC比未设索的区域约束混凝土框架耗能分别提高7.2%，12.5%，14.3%，14.0%，索-区域约束混凝土框架YSRCC(2)比未设索的区域约束混凝土框架耗能分别提高10.0%，13.7%，11.9%，13.2%。

区域约束混凝土已经进行了多年的研究，取得了丰硕的理论成果，在区域约束混凝土的理论基础上进一步提出了新型的结构形式，即柔索-区域约束混凝土框架结构，柔索框架结构理论目前处于初步探索阶段。本课题针对不同轴压比、柔索张拉方式对柔索-区域约束混凝土框架抗震性能进行了模拟分析研究。