SRC柱-鋼梁混合框架抗震性能研究

楚留聲，崔中敏，張俊峰，趙　軍

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州450001)

?

SRC柱-鋼梁混合框架抗震性能研究

楚留聲，崔中敏，張俊峰，趙軍

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州450001)

摘要：對一榀SRC框架進行靜力非線性分析，分析結(jié)果與試驗吻合較好；在此背景下，通過對兩跨三層的SRC柱-鋼梁混合框架進行靜力非線性分析，研究了SRC柱含鋼率和梁柱線剛度比對混合框架抗震性能的影響.結(jié)果表明，SRC柱-鋼梁底層框架實現(xiàn)了“強柱弱梁”破壞模式，混合框架荷載-位移曲線經(jīng)歷了較長的塑性變形階段，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的整體延性.隨著梁柱線剛度比增加，框架破壞模式逐漸從整體“強柱弱梁”過渡為“強梁弱柱”破壞模式，結(jié)構(gòu)延性下降明顯，設(shè)計時可取0.3～0.4作為參考的界限梁柱線剛度比.

關(guān)鍵詞：混合框架；SRC柱-鋼梁；抗震性能;靜力非線性分析

0引言

型鋼混凝土(Steel Reinforced Concrete,簡稱SRC)柱與鋼梁組成的混合框架是目前應(yīng)用較多的由不同構(gòu)件混合而成的結(jié)構(gòu)形式之一.SRC柱中型鋼與外包混凝土共同工作，能夠有效發(fā)揮鋼材和混凝土材料的特性，經(jīng)濟耐用，而且能提供足夠的剛度，是地震區(qū)常用的柱截面形式之一.同時，高層結(jié)構(gòu)中框架通常柱距較大，現(xiàn)實實踐中多采用鋼梁與SRC柱混合來減小結(jié)構(gòu)自重、控制梁跨中裂縫.因此，SRC柱-鋼梁混合框架近年來越來越多地被用于高層框架和混合框架-核心筒混合結(jié)構(gòu)等體系中.

相對于SRC柱-鋼梁混合框架結(jié)構(gòu)在工程實踐中的大量應(yīng)用，其整體結(jié)構(gòu)的抗震性能和設(shè)計方法的研究則處于起步階段.現(xiàn)有的研究成果多側(cè)重于構(gòu)件和節(jié)點層次，對于常見的組合柱、組合梁以及組合節(jié)點，已經(jīng)積累了大量的試驗數(shù)據(jù)，同時建立了較為完善的設(shè)計理論與方法[1].但是由于混合框架體系在地震作用下非線性行為的復(fù)雜性，構(gòu)件層次上的研究成果不足以充分揭示整體受力特性;而在體系層次上設(shè)計人員更為關(guān)心的構(gòu)件集成和體系優(yōu)化問題，其理論研究遠遠滯后于實際的工程實踐.目前，盡管《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[2]和《高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》(CECS 230：2008)[3]對SRC柱-鋼梁的構(gòu)造和設(shè)計作出了說明和建議(后者明確將其定義為混合框架)，但其條文主要是結(jié)合國內(nèi)部分工程實踐經(jīng)驗偏于安全的狀態(tài)下確定的，大部分參考了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)抗震要求，缺乏理論基礎(chǔ).

聶建國等[4]近年對方鋼管混凝土柱-組合梁混合框架結(jié)構(gòu)的受力性能進行了分析，并對其數(shù)值模擬方法進行了系列研究[5]，但以SRC柱為主要抗側(cè)力構(gòu)件的混合框架的抗震性能系統(tǒng)研究則未涉及.徐培福等[6]對30 層的鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)(框架部分為SRC柱-鋼梁混合框架形式)模型進行了擬靜力試驗，結(jié)果為框架部分SRC柱出現(xiàn)塑性鉸，而未出現(xiàn)設(shè)計預(yù)期的“梁鉸”破壞形式.筆者前期研究[7]了混合框架中容易出現(xiàn)的塑性鉸分布形式，并論證了目前抗震規(guī)范在內(nèi)力調(diào)整方面存在的不足.

上述研究在一定程度上涉及了混合框架“強柱弱梁”問題的研究，但對SRC柱-鋼梁混合框架抗震性能和設(shè)計方法的研究尚未系統(tǒng)展開，對于結(jié)構(gòu)“強柱弱梁”內(nèi)力調(diào)整等關(guān)鍵問題的建議尚停留在定性的程度，并未給出明確的調(diào)整系數(shù)作為參考依據(jù).在此背景下，筆者通過對兩跨三層的SRC柱-鋼梁混合框架進行靜力非線性分析，研究了混合框架的破壞狀態(tài)和抗震能力，并討論了SRC柱含鋼率和梁柱線剛度比對其影響.

1試驗及有限元模型參數(shù)

本文的Pushover分析模型中，鋼梁采用SAP2000程序提供的基于FEMA(356)和ATC-40的默認M3鉸，SRC柱則采用CSI公司有限元通用軟件計算得到的PMM鉸，并結(jié)合相關(guān)文獻[8]確定彎矩-曲率恢復(fù)力模型和N-M相關(guān)曲線，塑性鉸均分布在構(gòu)件兩端.按此方法對文獻[9]兩跨三層SRC框架模型對應(yīng)的原尺寸模型進行了模擬.該框架跨度6 m，底部層高4.2 m，二、三層層高3.6 m，混凝土采用C35等級.原模型中2 mm厚和3 mm厚鋼板的屈服強度分別為264 N/mm2和281.7 N/mm2，分析中取其平均值273 N/mm2作為型鋼的屈服強度.表1為模型中SRC構(gòu)件的幾何尺寸.

表1　算例SRC框架各構(gòu)件幾何尺寸

注：表中鋼梁尺寸為后面混合框架中鋼梁尺寸.

根據(jù)配重不足動力模型在彈性及塑性階段的動力相似關(guān)系將Pushover分析結(jié)果轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的Pushover分析結(jié)果和試驗值如圖1所示.

由于Pushover分析中假設(shè)構(gòu)件所有的塑性變形都發(fā)生在鉸內(nèi)，而且在塑性鉸屈服點(面)被觸動之前構(gòu)件變形均為彈性變形，從圖中可以看到，Pushover分析曲線存在較明顯的屈服階段，而試驗曲線相對平緩，但兩條曲線在總體趨勢上吻合較好，曲線剛進入屈服階段處試驗值與Pushover曲線最大相差約6.2%，由此表明筆者使用的鉸屬性參數(shù)對于SRC構(gòu)件的彈塑性分析是適用的.

圖1　SRC框架荷載-位移曲線Fig.1　Load-displacement curve of SRC frame

2SRC柱-鋼梁混合框架抗震性能

對兩跨三層SRC柱-鋼梁混合框架進行了Pushover分析，分析模型在算例的基礎(chǔ)上僅改變鋼梁的尺寸(表1).圖2給出了該混合框架Pushover分析的荷載-位移曲線和構(gòu)件塑性鉸分布，限于篇幅，僅給出主要荷載步塑性鉸情況.

從圖2(a)可以看出，在構(gòu)件達到屈服荷載之前，曲線呈線彈性上升趨勢.位移達到在140 mm左右時，曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，此時梁端開始出現(xiàn)塑性鉸(圖2(b)).此后，隨著加載的繼續(xù)，結(jié)構(gòu)基底剪力值隨著加載位移的增大而增加速度明顯下降，梁端塑性鉸進一步發(fā)展，底層和二層柱端開始出現(xiàn)塑性鉸，但發(fā)展程度較輕.位移值達到360 mm時，結(jié)構(gòu)承載力出現(xiàn)下滑趨勢，表明結(jié)構(gòu)開始進入塑性破壞階段，此后塑性鉸損傷程度進一步增加，但未出現(xiàn)新的塑性鉸.分析結(jié)束時底層梁鉸發(fā)展充分，框架最終以柱端塑性鉸的過度發(fā)展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞.

圖2　混合框架荷載-位移曲線和塑性鉸分布Fig.2　Load-displacement curve and plastic hinge development of hybrid frame

由于該框架選用的鋼梁三層尺寸均相同，同時二、三層SRC柱較小，故算例中二層梁未出現(xiàn)塑性鉸，因此框架二層并不符合“強柱弱梁”設(shè)計原則.盡管如此，由于剪力最大的底層框架實現(xiàn)了“強柱弱梁”破壞模式，使整個混合框架荷載-位移曲線經(jīng)歷了較長的塑性變形階段，結(jié)構(gòu)仍表現(xiàn)出較好的整體延性.

3SRC柱-鋼梁混合框架抗震影響因素

3.1SRC柱含鋼率

依照《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(YB 9082—2006)，型鋼混凝土構(gòu)件的最小含鋼率為2%，最大含鋼率也不宜超過15%;同時,型鋼混凝土構(gòu)件中鋼板的厚度不能小于6 mm.基于這些考慮，建立了3個含鋼率不同的分析模型(含原模型)，相應(yīng)的型鋼混凝土柱中型鋼截面尺寸如表2所示.3組框架Pushover分析的荷載位移-曲線和塑性鉸分布如圖3所示(MODAL0塑性鉸見圖2).

表2　SRC柱含鋼率分析模型參數(shù)

圖3　不同SRC柱含鋼率的混合框架荷載-位移曲線和塑性鉸分布Fig.3　Load-displacement curve and plastic hinge development of hybrid frame with different steel ratio in SRC column

由圖3可知，SRC柱含鋼率在彈性階段對SRC柱-鋼梁混合框架的抗側(cè)承載力和變形基本沒有影響.進入塑性階段之后，其變形和延性與基本模型類似，但SRC柱含鋼率越高明顯表現(xiàn)為構(gòu)件的極限承載力越大.同時，對比3個模型塑性鉸發(fā)展狀況可以發(fā)現(xiàn)，MODAL1二層每道梁一側(cè)均出現(xiàn)了塑性鉸，而SRC柱含鋼率更大的MODAL3二層梁不僅兩端均出現(xiàn)了塑性鉸，并且推覆結(jié)束時塑性鉸的發(fā)展程度也更高.

可見，SRC柱含鋼率在一定程度上影響了混合框架的破壞模式，通常SRC柱含鋼率越高，SRC柱-鋼梁混合框架的塑性鉸發(fā)展得越充分，結(jié)構(gòu)的變形能力和耗能能力越強.

3.2梁柱線剛度比

相比含鋼率對破壞模式的影響，梁柱線剛度比ib/ic是混合框架設(shè)計時更常用的指標.為此，在基本模型的基礎(chǔ)上通過改變鋼梁幾何尺寸來調(diào)整框架的剛度比ib/ic，如表3所示，并以此來考察梁柱線剛度比對結(jié)構(gòu)破壞模式及承載能力的影響.

圖4給出了各組模型的荷載-位移曲線，同時由于篇幅關(guān)系僅給出了MODAL0、MODAL5和MODAL6推覆結(jié)束時的塑性鉸分布.

表3　不同梁柱線剛度比模型參數(shù)

注：表中MODAL2代表前文分析中的基本模型.

圖4　不同梁柱線剛度比的混合框架荷載-位移曲線和塑性鉸分布Fig.4　load-displacement curve and plastic hinge development of hybrid frame with different linear stiffness ratio of beam to column

從圖4可以看出，在梁柱線剛度比較小時，混合框架的荷載-位移曲線比較飽滿，結(jié)構(gòu)屈服后均有較長的屈服階段，表現(xiàn)出較好的延性.底部兩層均出現(xiàn)梁鉸機制，推覆結(jié)束時梁端塑性鉸發(fā)展比較充分，算例中MODAL0和MODAL1均呈現(xiàn)該破壞狀態(tài).隨著梁截面增大，框架的承載力逐漸增加，盡管破壞時塑性鉸發(fā)展程度不同，但混合框架整體延性并未較MODAL0和MODAL1出現(xiàn)較明顯的下降，框架的破壞模式逐漸呈現(xiàn)前述算例中的破壞狀態(tài)，即僅底層梁鉸機制，MODAL2～MODAL5均呈現(xiàn)此破壞形式.梁柱線剛度比繼續(xù)增加，從MODAL6開始，混合框架底層也從梁鉸機制轉(zhuǎn)變?yōu)橹q機制(圖4(d)).對應(yīng)圖4(a)中，框架的承載力與MODAL5非常接近，但框架承載力達到最大之后下降趨勢非常明顯，框架的延性較之前的幾個模型下降很快，結(jié)構(gòu)整體上呈現(xiàn)“強梁弱柱”破壞模式.綜合本文算例，結(jié)構(gòu)破壞模式本質(zhì)上的變化發(fā)生在梁柱線剛度比為0.291～0.411之間，設(shè)計時可取值0.3～0.4作為參考的界限梁柱線剛度比.

4結(jié)論

(1)對兩跨三層SRC柱-鋼梁混合框架Pushover分析結(jié)果表明，底層框架實現(xiàn)了“強柱弱梁”破壞模式，混合框架荷載-位移曲線經(jīng)歷了較長的塑性變形階段，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的整體延性.

(2)SRC柱含鋼率在一定程度上影響混合框架的破壞模式，通常SRC柱含鋼率越高，SRC柱-鋼梁混合框架的塑性鉸發(fā)展得越充分，結(jié)構(gòu)的變形能力和耗能能力越強.

(3)梁柱線剛度比較小時，本文算例中混合框架底部兩層均實現(xiàn)了“強柱弱梁”破壞模式，結(jié)構(gòu)整體延性較好.隨著梁柱線剛度比增加，框架破壞模式逐漸過渡為整體“強梁弱柱”破壞模式，結(jié)構(gòu)延性下降明顯.結(jié)構(gòu)破壞模式本質(zhì)上的變化發(fā)生在梁柱線剛度比為0.291～0.411之間，設(shè)計時可取值0.3～0.4作為參考的界限梁柱線剛度比.

參考文獻：

[1]聶建國.高性能結(jié)構(gòu)體系[C]//科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略基金委員會—中國科學(xué)院2011—2020學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究專題報告集：建筑、環(huán)境與土木工程.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]JGJ 3—2010.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2010.

[3]CECS 230：2008.高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程[S].北京：中國計劃出版社，2008.

[4]聶建國，黃遠.考慮樓板組合作用的方鋼管混凝土組合框架受力性能試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2011，32(3)：99-108.

[5]陶慕軒，聶建國.面向體系非線性分析的鋼管混凝土柱-組合梁節(jié)點多尺度高效數(shù)值模型[J].土木工程學(xué)報，2014,47(9)：57-69.

[6]徐培福，薛彥濤，肖從真，等. 帶轉(zhuǎn)換層型鋼混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)模型擬靜力試驗對抗震設(shè)計的啟示 [J].土木工程學(xué)報，2005,38(9)：1-8.

[7]楚留聲，高丹盈，趙更岐. SRC柱-鋼梁組合框架“強柱弱梁”破壞機制研究[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2009,30(4)：26-29.

[8]楚留聲，白國良.型鋼混凝土框架pushover分析 [J].地震工程與工程振動，2009,29(2)：51-56.

[9]薛建陽, 趙鴻鐵. 型鋼混凝土框架模型的彈塑性地震反應(yīng)分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報, 2000,21(4): 28-33.

Study on the Seismic Performance of SRC Column-Steel Beam Hybrid Frame Structure

CHU Liusheng， CUI Zhongmin, ZHANG Junfeng, ZHAO Jun

(School of Civil Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou450001, China)

Abstract:In this paper, a static nonlinear analysis of SRC frame has been made, and the analytical results agree well with those of the tests. In the same parameter settings, the static nonlinear analysis of a 2-span, 3-story SRC column-steel beam hybrid frame is then carried out to learn its seismic performance when the steel ratio of SRC column and linear stiffness ratio of beam to column is different. The results show that the bottom story of SRC column-steel beam hybrid frame achieve the strong column-weak beam failure mode, so the overall structure experienced a long plastic deformation stage and exhibited good ductility. With the increase of the linear stiffness ratio of beam to column, the failure of hybrid frame gradually turned from the overall “strong column-weak beam” mode into “strong beam-weak column” mode, and the structure ductility reduced Significantly. According to the calculation results, a reference value range 0.3～0.4 is suggested for line stiffness ratio of beam to column in SRC column-steel beam hybrid frame design.

Key words:hybrid frame；SRC column-steel beam；seismic performance；static nonlinear analysis

收稿日期:2015-10-15；

修訂日期：2015-12-20

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51408556，51478438)；河南省高?？萍紕?chuàng)新團隊項目(15IRTSTHN026)，河南省高等學(xué)校重點科研項目(15A560037，14A560019)

作者簡介:楚留聲(1980—)，男，河南禹州人，鄭州大學(xué)副教授，博士，主要從事鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)研究，E-mail:cls981@163.com.

文章編號:1671-6833(2016)03-0056-04

中圖分類號：TU398

文獻標志碼：A

doi:10.13705/j.issn.1671-6833.2016.03.013