索-區(qū)域約束混凝土框架抗震性能分析★

尚 茂，張曉虎，羅愛(ài)忠，張效忠，韓六平

(貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700)

1 概述

框架結(jié)構(gòu)具有可靈活布置的建筑空間，使用較方便，但橫向剛度很低。剪力墻結(jié)構(gòu)具有剛度大，但延性差，地震作用下易發(fā)生脆性破壞。貴州大學(xué)曹新明教授提出區(qū)域約束混凝土結(jié)構(gòu)，并對(duì)其展開(kāi)了一系列研究，大量的研究表明區(qū)域約束混凝土能夠大幅提高框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和延性，但是區(qū)域約束混凝土框架的抗側(cè)剛度與剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度相比還是差太大。為解決區(qū)域約束混凝土框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度小以及剪力墻結(jié)構(gòu)延性差的問(wèn)題，本文提出索-區(qū)域約束混凝土框架結(jié)構(gòu)，利用索限制框架側(cè)移以及索的高抗拉強(qiáng)度，使得索-區(qū)域約束混凝土框架結(jié)構(gòu)更加充分運(yùn)用了混凝土抗壓強(qiáng)度和索與鋼筋的抗拉強(qiáng)度[1-10]。

2 區(qū)域約束混凝土理論基礎(chǔ)

區(qū)域約束混凝土理論自從提出以來(lái)進(jìn)行了大量的研究和分析，得到了區(qū)域約束混凝土的本構(gòu)模型并出版了相關(guān)規(guī)范[11]；區(qū)域約束混凝土本構(gòu)關(guān)系曲線(xiàn)分為三個(gè)部分：第一部分為拋物線(xiàn)上升，第二部分為斜直線(xiàn)下降，第三部分為水平線(xiàn)；區(qū)域約束混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式為：

當(dāng)εc≤εcc時(shí)：

(1)

當(dāng)εcc<ε≤4εcc時(shí)：

(2)

當(dāng)4εcc<ε時(shí)：

(3)

其中約束后的混凝土強(qiáng)度f(wàn)cc按式(4)進(jìn)行計(jì)算：

fcc=(1+k)fc

(4)

提高后的混凝土應(yīng)變?yōu)椋?/p>

εcc=ε0(1.19+2.257k)

(5)

K為綜合約束強(qiáng)度系數(shù)，按式(6)計(jì)算：

(6)

其中,ρs為縱筋配筋率；fy為縱筋屈服強(qiáng)度；ρv為配箍率；fyv為縱筋配筋率；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度；σc為混凝土壓應(yīng)變?yōu)棣與時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。繪制得到的區(qū)域約束混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

3 構(gòu)件設(shè)計(jì)

本文運(yùn)用ABAQUS對(duì)三種跨度均為6 000 mm的框架進(jìn)行低周往復(fù)荷載數(shù)值模擬(如圖2所示)，各種構(gòu)件的設(shè)置參數(shù)如表1所示。

4 鋼筋本構(gòu)關(guān)系

鋼筋本構(gòu)由三部分組成，即彈性階段、屈服階段和強(qiáng)化階段，其應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系如圖3所示。鋼筋在屈服之前為完全理想彈性體，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的斜率為恒定的值，到屈服應(yīng)力之后有一小段屈服平臺(tái)，鋼筋的應(yīng)力不隨應(yīng)變的增大而改變，當(dāng)應(yīng)變?cè)黾拥揭欢〝?shù)值后，應(yīng)力又開(kāi)始隨著應(yīng)變?cè)龃蠖龃?，曲線(xiàn)的斜率變?yōu)樵瓉?lái)的0.1倍。輸入到ABAQUS中的鋼筋各項(xiàng)參數(shù)如表2所示。

當(dāng):

ε≤εy0時(shí)，σ=Esε

(7)

當(dāng):

εy0<ε<εy1時(shí)，σ=fy

(8)

當(dāng):

ε>εy1時(shí)，σ=0.1Esε

(9)

表1 構(gòu)件基本參數(shù)

表2 鋼筋參數(shù)

5 數(shù)值模擬結(jié)果

通過(guò)提取ABAQUS數(shù)值模擬結(jié)果，繪制滯回曲線(xiàn)、骨架曲線(xiàn)和耗能曲線(xiàn)如圖4～圖6所示，并提取出每種工況下峰值荷載以及峰值荷載對(duì)應(yīng)的位移如表3所示。

由圖4可知：

1)軸壓比0.7，0.9，1.1時(shí)，三種框架的滯回曲線(xiàn)均較飽滿(mǎn)，呈現(xiàn)出有較小鋼筋滑移的弓形，表明三種框架結(jié)構(gòu)在高軸壓比下抗震性能仍然保持良好。

2)當(dāng)軸壓比不大于1.1時(shí)，隨著軸壓比的增加，框架的水平極限承載力和抗震性能逐漸增加，當(dāng)軸壓比大于1.1時(shí)，框架的水平極限承載力依然增大，但是水平極限承載力到達(dá)峰值以后下降迅速，消耗能量也逐漸降低，說(shuō)明軸壓比超過(guò)1.1后框架的抗震性能開(kāi)始逐漸降低。

3)區(qū)域約束混凝土張拉索以后，剛度和承載力得到了顯著的提升，在軸壓比不大于1.1之前，水平承載力下降速度與未設(shè)置柔索的區(qū)域約束混凝土框架要緩慢很多，且承載力下降一段之后，由于柔索對(duì)框架承載力的貢獻(xiàn)大于混凝土承載力降低引起的承載力降低，因此框架的水平承載力又開(kāi)始逐漸上升。

4)索的兩種不同構(gòu)造均對(duì)框架承載力顯著提高，但索的兩種不同構(gòu)造形式的框架承載力及耗能能力差別較小，差異可忽略，說(shuō)明索的兩種設(shè)置方式對(duì)框架承載力改善效果相同。

由表3可知：

1)6種軸壓比下，未設(shè)索的區(qū)域約束混凝土框架的初始抗側(cè)剛度基本保持一致，且隨著軸壓比的逐漸增大，區(qū)域約束混凝土框架的水平峰值承載力在逐漸增大，軸壓比從0.5依次增大到0.7，0.9，1.1，水平峰值承載力依次增加了7%，9%，14%。

2)6種軸壓比下，第一種索-區(qū)域約束混凝土框架軸壓比從0.5依次增大到0.7，0.9，1.1，水平峰值承載力較軸壓比0.5時(shí)水平峰值承載力依次增加了3.5%，5.8%，5.1%；第二種索-區(qū)域約束混凝土框架軸壓比從0.5依次增大到0.7，0.9，1.5，水平峰值承載力較軸壓比0.5時(shí)水平峰值承載力依次增加了7.7%，9.4%，14.5%。

3)在相同軸壓比下，兩種索-區(qū)域約束混凝土框架的水平峰值承載力均大于未設(shè)索的區(qū)域約束混凝土框架的水平峰值承載力，兩種索-區(qū)域約束混凝土框架的承載力到達(dá)峰值以后承載力下降速率比未設(shè)索的區(qū)域約束混凝土框架的承載力下降速率慢。

表3 不同軸壓比下三種結(jié)構(gòu)的水平峰值荷載與位移

4)在相同軸壓比0.5，0.7，0.9，1.1下，第一種索-區(qū)域約束混凝土框架的水平峰值承載力較未設(shè)索框架水平峰值承載力提高百分比為19.3%，15.4%，15.5%，10%；第二種索-區(qū)域約束混凝土框架的水平峰值承載力較未設(shè)索框架水平峰值承載力提高百分比為14.2%，15%，14.2%，14.7%。

圖6為三種框架耗能能力與軸壓比的變化關(guān)系，均表現(xiàn)出隨著軸壓比的增加，耗能能力逐漸減弱；兩種索-區(qū)域約束混凝土框架的耗能能力較未設(shè)索的區(qū)域約束混凝土框架有大幅度提升，兩種設(shè)索方式對(duì)框架耗能能力改善效果基本相同。

6 結(jié)論

索-區(qū)域約束混凝土框架是基于區(qū)域約束體系的基礎(chǔ)上提出的新型結(jié)構(gòu)形式，繼承區(qū)域約束混凝土優(yōu)良的受力特點(diǎn)和受力性能，把區(qū)域約束與柔索的張拉結(jié)合到一起，進(jìn)一步改善了框架結(jié)構(gòu)體系的受力性能。

本文利用ABAQUS有限元軟件對(duì)未設(shè)索的區(qū)域約束混凝土框架RCC和兩種索-區(qū)域約束混凝土框架YSRCC，YSRCC(2)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析：

1)索-區(qū)域約束混凝土框架抗震性能優(yōu)于未設(shè)索的區(qū)域約束混凝土框架。

2)索-區(qū)域約束混凝土框架與未設(shè)索的區(qū)域約束混凝土框架的耗能能力均隨著軸壓比的增加而逐漸降低。

3)不同柔索張拉方式對(duì)區(qū)域約束混凝土框架水平承載力、抗震性能改善程度基本相同。

4)軸壓比到達(dá)1.1以后，三種框架隨軸壓比的增加，骨架曲線(xiàn)下降變快，延性降低。

5)軸壓比從0.5增加到1.1，索-區(qū)域約束混凝土框架YSRCC比未設(shè)索的區(qū)域約束混凝土框架耗能分別提高7.2%，12.5%，14.3%，14.0%，索-區(qū)域約束混凝土框架YSRCC(2)比未設(shè)索的區(qū)域約束混凝土框架耗能分別提高10.0%，13.7%，11.9%，13.2%。

區(qū)域約束混凝土已經(jīng)進(jìn)行了多年的研究，取得了豐碩的理論成果，在區(qū)域約束混凝土的理論基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了新型的結(jié)構(gòu)形式，即柔索-區(qū)域約束混凝土框架結(jié)構(gòu)，柔索框架結(jié)構(gòu)理論目前處于初步探索階段。本課題針對(duì)不同軸壓比、柔索張拉方式對(duì)柔索-區(qū)域約束混凝土框架抗震性能進(jìn)行了模擬分析研究。