柱顶滑移钢筋混凝土框剪结构抗震性能分析

魏念荣

(甘肃建投生态建设集团有限公司,甘肃 兰州 730050)

近年来,由于地震等自然灾害频发,高层建筑存在可能坍塌的隐患。为了有效提升建筑结构的抗震性能,需要采取专业有效的对策。科研人员通常会采取柱顶滑移钢筋混凝土框剪结构进行施工,此种结构具备一定的优势,但是在地震发生后,该结构也容易受到巨大能量冲击波的影响,其抗震性能也与一些可变动因素有关,只有详细分析框剪结构在不同情况下的抗震效果,才能够为后续的抗震工作提出指导意见。

1 工程概况

某建筑工程为用于办公的九层建筑楼工程,建筑结构是钢筋混凝土框架与剪力墙结构,梁板、梁柱以及剪力墙都需要进行现浇钢筋混凝土施工,在纵向利用钢筋进行捆扎,不同楼层所使用的混凝土强度等级有所差异。结构的剪力墙布置在整体结构的中间电梯井部位以及四个方向的角落,因此电梯井与剪力墙呈现U形分布的势态,而在四个角上分布的剪力墙则呈现出整齐的L形。在x轴方向共有9块,y轴方向共有3块,在结构纵轴方向不同区域的框架柱两侧拐角也设置了不同的剪力墙结构,总体来说,该建筑结构的平面形状较为简单且规则对称,在力学性能上具备较为良好的特性,能够达到较强的刚度,承载力分布均匀,能够减少重心的偏移。

2 柱顶滑移框剪结构抗震性能分析思路

随着对这种结构的研究逐渐深入,发现柱顶滑移钢筋混凝土框剪结构具备更好的抗倒塌能力,能承担绝大多数的结构自重,在遇到不同类型的地震时发挥出更优良的性能。框剪结构示意见图1。

图1 框剪结构示意

目前,框剪结构的设计思路是使其具备较强的结构强度和抗震承载力,并且具备良好的延展性。框架剪力墙结构具有独特的优势,在水平或垂直方向的荷载力作用下,其弯剪的曲线有所区别。在不同时期,科学家对于柱顶滑移钢筋混凝土框剪结构的抗震性能的分析方法也有所区别[1]。首先是从结构内力以及位移响应角度出发,或者采取拟合动力试验的形式。随着科研水平的不断提升,其所获得的推导计算公式也越来越精确,拟合的数值越来越精准,对其性能评估的效果越来越好,可以通过不同模式下的框剪结构计算结果以及其对应的反应谱计算结果进行分析。现如今,可以从其结构变形的角度出发,研究结构构件在不同地震波作用力下,框剪结构自身弹性、静力弹塑性、弹塑性动力的变化结果,其高度和水平侧移也会发生相应变化。研究位移变形曲线能够有效分析出抗震性能的变化(见图2)。

图2 不同结构的变形曲线

3 框剪结构抗震计算分析

3.1 框剪结构弹性计算分析

首先对框剪结构的结构模态进行分析,在出现地震等地质变动时,由于震动力的作用,结构内部的动力响应效果往往取决于结构自身的固有特性以及该地震震动的具体特征。一般来说,低阶振型会对框剪结构的动力特性造成较大的影响。通过结构反应谱分析,属于拟合动力分析法,采取精准测算过的方程式来计算各个质点在地震发生时的响应反应谱。反映出的分析数据也要通过获取结构楼层的位移数据进行测算,获取位移以及层间位移角的数据时,要结合实际的规范标准。通常来说,在外部荷载作用力下,楼层产生的位移主要取决于侧移的大小,而层间位移角指的是楼层间的水平位移与层高的比例。通过模拟测算的方式,输出各层节点相应的位移变化情况,获得模拟分析的结果,位移变化曲线能够展示出各层的情况,在y轴的反应谱下计算出框架剪力墙结构不同楼层的位移数值。

3.2 框剪结构静力弹塑性分析

一般情况下,采用振型分解反应谱的形式或者底部剪力法,都可以对小范围震动情况下的框剪结构变化情况进行测算,但当发生了严重或罕见的地震时,此种方式无法准确估计抗震性能,因为很多框剪结构已经进入了弹塑性阶段。这种情况下,可以首先通过侧向力加载的模式来对其弹塑性进行分析,三种常见的侧向力加载模式为均匀分布、倒三角分布和抛物线分布。不同的分布情况,其结构在水平和垂直方向上的速度变化和位移变化存在一定的差别。此外,还可以通过构件的单元塑性行为进行判断,利用特定的专业性数据分析软件来对框架结构的模型构件进行非线性分析。

3.3 框剪结构弹塑性动力时程分析

建立起框架剪力墙结构的弹塑性分析模型,根据该工程所处的建筑地的实际情况,选取合适的特征周期,通常来说,要判定场地的类别、抗震设施的强度、地震加速度等。以实际发生过的地震中的地震波数据作为参考,模拟出一条时程曲线。所选取的地震波要真实且准确,并且具有一定的代表性,促使后续的测算结果能够更好地预判空间结构薄弱部位的实际情况,再根据框剪结构的构件类别以及受力情况、性能分析结果、材料性质等参数,选取合适的结构恢复力模型[2]。通过模拟构件在地震情况下的力学行为,不断提升整体计算模型的精确性,最终结合弹塑性分析模型分析平衡方程,进行动力时程的详细分析。

4 柱顶滑移钢筋混凝土框剪结构抗震性能

4.1 滑移柱方案布置

地震通常会对梁柱造成较为严重的破坏,因此滑移柱往往也承受着因荷载扩大而造成的破坏力,进而可能会导致框架中的梁柱截面被迫增大。在遇到强度较大的罕见地震时,如果结构角度被损坏,也会降低框架结构的抗震能力。滑移柱会受到框剪结构中剪力墙位置及数量变化的影响,因此对本工程抗震性能的分析主要是归纳了滑移柱的不同布置方式,综合给出三种框剪结构模式,并根据不同方案的条件,在不同的地震波作用下,研究其框剪结构动力响应的情况。柱顶滑移钢筋混凝土框剪结构见图3。

图3 柱顶滑移钢筋混凝土框剪结构示意

4.2 柱顶滑移支撑实现

滑移柱顶会和相邻的节点进行连接,其所形成的力学模型(见图4)是比较稳固的,通常还会包括摩擦单元,需要充分考虑滑移柱在接受摩擦的情况下所能够达到的高度,结合不同层面的框剪结构,对小型振动情况下的柱顶滑移模型进行验证分析。在出现大型地震时,摩擦处可能会出现起滑现象。框剪结构中不同部位的滑移柱所承受荷载大小不同,因此往往也会产生不同的摩擦力[3]。滑移柱的角柱和边柱通常会承受较小的竖向荷载,摩擦力也会更小,但是中柱所承担的荷载会比较大,摩擦力也相对较大,可以通过降低摩擦系数来确保梁柱的完整。由于模拟系数可能会对分析结果造成一定的影响,为了保证分析结果的相对准确性,在此后的试验中,将摩擦系数取为定值。

图4 滑移柱顶节点连接力学模型

4.3 滑移柱布置前后结构楼层计算分析

研究在多遇地震Chi-Chi波动作用下,各个框架混凝土剪力墙结构垂直于水平方向上的最大楼层侧移数值,根据实验的数据可知,三个框剪结构在垂直和水平两个主轴方向上的最大楼层侧移数值,与最开始形成的原先结构的侧移差值会根据指标的增加而改变,比如随着结构层数的增大,侧移差值也会随之增大,直至增至最大差值。这也表明,滑移柱的布置方式在发生多遇地震Chi-Chi波动的情况下,会对框剪结构的侧移数值造成影响。通常情况下,主轴方向的侧移会有所减少,垂直方向的侧移减小程度会比水平方向的大。三个框剪结构在横纵向的侧移曲线都在逐渐上升,并且曲线趋于重叠。在不同的布置方向上,其侧移竖直的变化走向和差值也基本相通。除此之外,在多遇地震Whittier Narrows波的作用下,三种框剪结构会随着结构层数的递增而出现侧移差值增大的现象。这说明在此种布置情况下,垂直方向的楼层侧移减小程度还是大于水平方向,整体曲线逐渐上升,侧移数据也基本相同。在多遇地震Art Wave波的作用下,框剪结构在水平与垂直方向上的楼层侧移数值以及侧移曲线发生了一些细微的变化[4]。三种框架结构的试验结果显示,不管是水平还是垂直方向上的这一数值与原结构的侧移差值,都会受到结构层数的影响,层数增加,其侧移差值也会增大。在不同的滑移柱的布置情况下,多遇地震的Art Wave波对框剪结构的影响呈现着不一样的走势,其侧移数值变化曲线几乎达到了重叠。当曲线数值到达结构顶部时,其差值也达到了最大。滑移柱布置方式对水平向的位移响应基本达到一致,垂直方向的侧移数值基本相同,所以滑移柱的布置方式能有效降低框剪结构的楼层侧移程度,且可通过调整布置形式,将楼层侧移的变化方向调整至更加适宜的水平,以确保在不同的多遇地震情况下,抗剪结构都能够具备较强的抗倒塌能力,能够在实际的震动中保持更加优良的抗震抗压性能。

4.4 滑移柱布置前后楼层剪力计算分析

首先,分析在Chi-Chi波作用下框剪结构在水平与垂直方向上的层间剪力,不同楼层之间的最大层间剪力有所区别,根据所得到的数据可知,在此地震波作用下,三个框剪结构在水平和垂直的主轴方向上能够达到的最大层间剪力都小于原先结构的层间剪力,最大层间剪力的数值在不同程度上有所区别。除此之外,水平和垂直方向上的层间剪力相对于原先的结构而言,柱顶滑移框剪结构的下降幅度也基本相同,所以可以得出结论:不同布置方式对于层间剪力的影响通常不大。在地震作用波的作用力下,框剪结构在水平和垂直方向上的最大层间剪力下降幅程度不同,垂直方向上的降幅程度会比水平方向上的更优。除此之外,布置滑移柱后,滑移柱框剪结构中的剪力下降幅度会更为明显。在多遇地震Whittier Narrows波的作用下,同样可以得出各个柱顶滑移框剪结构在水平和垂直方向上的层间剪力下降幅度,与原先结构的下降幅度基本相同的结论。不同的布置方式对层间剪力的差值影响不会太大,尤其是针对框架混凝土剪力墙结构的基底剪力而言,下降幅度基本一致,但是水平方向的下降幅度会比垂直方向的降幅程度更加显著。层间剪力降幅最大的情况基本都出现在框剪结构的中部,并且也是在布置了滑移柱后,整体框剪结构的楼层剪力下降幅度最为明显。在多遇地震Art Wave波的作用下,三个框架混凝土剪力墙结构受到滑移柱不同布置方式的影响也不大,这种情况下,与原结构相比,框剪结构在水平方向上降幅为15%,垂直方向上的框剪结构下降幅度为7%。最大的降幅通常出现在框剪结构的中部,属于布置中滑移柱结构之后,其整体楼层的剪力下降幅度才更为明显。通过上述分析可知,在不同的地震波作用下,滑移柱的布置形式能够对结构楼层的剪力造成影响,恰当的布置方式能够有效降低框剪结构的楼层剪力,而且通常来说,中部和上部的楼层其剪力下降幅度更为明显。

5 结语

近年来,随着地震活跃度的持续增加,很多建筑结构都会因为地震受到不同程度的破坏,为了不断提升框剪结构的抗震性能,需要采取新型专业技术。因优势明显,越来越多的建筑工程采用柱顶滑移钢筋混凝土框剪结构,对其抗震性能进行分析,在遇到不同的地震波作用力下,框剪结构自身弹性、静力弹塑性、弹塑性动力时程的变化。高度的改变和水平侧移也会发生相应的变化,研究位移变形曲线能够有效分析出抗震性能的变化。