張 永 強(qiáng)

(山西省華城建筑設(shè)計公司，山西 太原 030013)

框架結(jié)構(gòu)變梁異型節(jié)點核芯區(qū)彈塑性靜力分析

張 永 強(qiáng)

(山西省華城建筑設(shè)計公司，山西 太原 030013)

運用房屋建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件MIDAS GEN，模擬并對比了變梁異型節(jié)點核芯區(qū)是否剪切變形下結(jié)構(gòu)整體的周期、位移、性能點、層間剪力、層間位移角等，以此為依據(jù)提出了基于塑性鉸理論下變梁異型節(jié)點的框架結(jié)構(gòu)，在罕遇地震時梁柱節(jié)點處剛域值改變時結(jié)構(gòu)的整體性能評估體系，研究表明：考慮框架結(jié)構(gòu)的變梁異型節(jié)點核芯區(qū)的剪切變形，其結(jié)果將直接影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形，同時對結(jié)構(gòu)的整體抗震性能也產(chǎn)生較大的影響。

罕遇地震，框架結(jié)構(gòu)，彈塑性靜力分析，塑性鉸，抗震性能

在各類建筑結(jié)構(gòu)中，廣泛的存在鋼筋混凝土框架變梁異型節(jié)點。而此類節(jié)點顯著特點在于連接柱兩側(cè)的梁截面高差較大，在地震發(fā)生后，大量實例證明此節(jié)點在地震作用下的表現(xiàn)明顯不同于常規(guī)節(jié)點。因此研究是否考慮節(jié)點區(qū)的剪切變形及在地震作用下此類節(jié)點對結(jié)構(gòu)的整體影響具有較大的理論意義和實用價值。

1 工程實例

本文提供的模型為某6層辦公樓工程(框架結(jié)構(gòu))，層高均為3.8 m。框架柱截面均為600 mm×600 mm，框梁截面尺寸根據(jù)其跨度的1/10～1/12來選取，混凝土強(qiáng)度等級均為C30，為了更精確的反映出框架梁柱節(jié)點的整體受力情況，本文不考慮樓板對整體結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)(取樓板厚度為0)?？拐鹪O(shè)防烈度7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.15g，設(shè)計地震分組為第2組，場地類別Ⅲ類。采用CQC扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)計算對地震進(jìn)行分析，周期折減系數(shù)取0.7。結(jié)構(gòu)的平面布置及整體模型如圖1，圖2所示。

2 計算分析

為了比較分析框架結(jié)構(gòu)中變梁異型節(jié)點核芯區(qū)剪切變形對結(jié)構(gòu)整體受力的影響，本節(jié)將基于以上模型分別模擬以下兩種情形：1)考慮變梁異型梁柱節(jié)點核芯區(qū)剪切變形;2)不考慮變梁異型梁柱節(jié)點核芯區(qū)剪切變形。對比結(jié)構(gòu)在彈性階段及彈塑性階段，框架變梁異型節(jié)點核芯區(qū)對結(jié)構(gòu)的整體影響。

2.1 模型加載方案與邊界條件假定

在地震作用下梁柱節(jié)點核芯區(qū)的變形是真實存在的，故在模型分析時，對節(jié)點核芯區(qū)做了如下處理：

1)不考慮節(jié)點核芯區(qū)的剪切變形時，指定梁端部剛域值，將模型中所有節(jié)點核芯區(qū)域全部設(shè)定為剛域。2)考慮節(jié)點核芯區(qū)的剪切變形時，釋放節(jié)點核芯區(qū)的剛域約束，模擬在考慮地震作用時，其節(jié)點的真實變形。

2.2 整體結(jié)構(gòu)在彈性階段對比分析

對結(jié)構(gòu)在彈性階段進(jìn)行分析，得出在地震作用下X，Y向各參數(shù)，見表1。從表1數(shù)據(jù)可以看出，整體結(jié)構(gòu)在彈性階段，不考慮核芯區(qū)剪切變形時，X，Y向自振周期、位移均最小，且樓層水平地震剪力最大，這表明結(jié)構(gòu)的整體剛度較大?？紤]核芯區(qū)剪切變形時，在X，Y向自振周期、位移相對較大，且樓層水平地震剪力最小，這表明結(jié)構(gòu)的整體剛度較小。

表1 地震作用下X，Y向各參數(shù)表

2.3 整體結(jié)構(gòu)在彈塑性階段對比分析

本節(jié)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性靜力整體分析，主要研究整體結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，在X，Y向分別施加水平地震作用，側(cè)向力采用模態(tài)加載方式進(jìn)行PUSHOVER分析，對比結(jié)構(gòu)在進(jìn)入彈塑性階段時，節(jié)點核芯區(qū)剪切變形對整體結(jié)構(gòu)的影響。

1)性能點。從軟件的分析結(jié)果來看，在各工況下能力譜曲線均能與需求譜曲線相交得到性能點，說明結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，且得到的能力譜曲線相對較平滑，在中震下基本為彈性或少量出鉸，而大震下大部分工況結(jié)果已經(jīng)進(jìn)入塑性。其性能點處的各項參數(shù)見表2。

表2 性能點處的各項參數(shù)

從表2分析可以看出，在大震作用下，考慮節(jié)點核芯區(qū)的變形時其樓層的彈塑性層間位移比不考慮節(jié)點核芯區(qū)的變形時相對較大，說明結(jié)構(gòu)在考慮變梁異型節(jié)點的剪切變形時，其結(jié)構(gòu)整體延性相對較好。

2)塑性鉸。在進(jìn)行分析時，MIDAS/Gen有限元程序是通過塑性鉸來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的材料非線性，采用集中塑性鉸桿模型表示構(gòu)件的彈塑性性能，本文應(yīng)用“屈服力和屈服位移”歸一化法，定義梁鉸(彎矩、剪力鉸)、柱鉸(PMM鉸)的“廣義力—廣義位移”曲線。通過PUSHOVER分析，得出塑性鉸所占比例，見表3。

表3 塑性鉸所占比例 %

從表3中可以看出，性能鉸大部分處于IO～LS階段，表明結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入屈服階段，且此階段構(gòu)件出現(xiàn)明顯的裂縫。其中，考慮節(jié)點核芯區(qū)變形的情況下，塑性程度較淺，表明結(jié)構(gòu)剛進(jìn)入塑性。當(dāng)不考慮核芯區(qū)變形時，有一部分塑性鉸的發(fā)展程度已較深，表明結(jié)構(gòu)已發(fā)生局部倒塌。

3)層剪力—位移曲線。對比在罕遇地震作用下，不考慮核芯區(qū)變形與考慮核芯區(qū)變形下的層剪力—位移曲線，見圖3，圖4。

從圖3，圖4可以看出：在X向考慮梁柱節(jié)點核芯區(qū)變形時，其控制位移以及基底剪力均比不考慮梁柱節(jié)點核芯區(qū)變形時要大，表明節(jié)點核芯區(qū)的變形對結(jié)構(gòu)的整體抗震能力影響較大。

3 結(jié)語

本文采用有限元分析軟件MIDAS，對框架結(jié)構(gòu)的變梁異型節(jié)點在是否考慮核芯區(qū)變形的問題上進(jìn)行了對比分析。研究表明，在罕遇地震作用下，在不考慮變梁異型節(jié)點核芯區(qū)的變形時，結(jié)構(gòu)整體的剛度增大，吸收地震作用也在增大，對結(jié)構(gòu)在地震下的損傷程度也在加劇。介于以上結(jié)論，研究變梁異型節(jié)點核芯區(qū)在地震反復(fù)作用下的破壞機(jī)理是有實際意義的。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2010版)[S].

[2] 方鄂華.高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概念設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3] 吳 濤，劉伯權(quán)，邢國華.鋼筋混凝土框架變梁異型節(jié)點抗震[M].北京:科學(xué)出版社，2010.

[4] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

Elastoplastic static analysis of framework based on variable shaped beam joint core area

Zhang Yongqiang

(ShanxiHuachengBuildingDesignCompany,Taiyuan030013,China)

In this paper, housing construction structural analysis and design software MIDAS GEN were used， through software emulation and contrast becomes shaped beam joint core zone is cut overall cycle structure, displacement, performance points, interlayer shear, story drift angles deformation, as a basis for proposed based on the theory of change under the plastic hinge frame beam abnormal joints, when the strong earthquake at the beam-column node field value changes just to assess the overall performance of the architecture. The results showed that, shear beam shaped node becomes the core area of the frame structure, and the results will directly affect the internal force and deformation of the structure, while the overall seismic performance of the structure have a greater impact.

strong earthquake, frame structure, elastoplastic static analysis, plastic hinge, the seismic performance

2015-05-29

張永強(qiáng)(1982- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)22-0050-02

TU313

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