不规则钢筋混凝土异形柱框架结构的抗震性能.pdf

第 2 9卷 第 4期 2 0 0 7年 8月 Vo1 ． 2 9 NO ． 4 Au g． 2 0 07 不规则钢筋混凝 土异形柱框架结构 的抗震性 能 唐 剑 ， 段朝程 ， 杨 溥 1 ． 江西科技师范学 院 土木工程系 ，江西南 昌 3 3 0 0 1 3 ； 2 ． 重庆大学 土木 工程学 院，重庆4 0 0 0 4 5 摘要 按现行 规 范及技 术规 程设计 了设 防烈度 为 8度 的一 个不规 则 的钢筋 混凝 土异形 柱框 架结构 ， 并进 行 了 双 向 水 平 地 震 作 用 下 的 空 间 三 维 非 线 性 地 震 反 应 分 析 ， 考 查 了异 形 柱 框 架 结 构 在 罕 遇 地 震 水 准 下 的 整 体 抗 震 性 能 ， 对 结 构 能 否 达 到 抗 震 设 防 目标 进 行 了初 步 评 价 。 结 果 表 明 ， 8度 区 按 规 范设 计 的 结 构 在 罕 遇 烈 度 地 震 作 用 下 基 本 能 够 达 到 预 期 的抗 震 设 防 目标 。 关键 词 异形柱 ； 钢 筋 混凝 土框 架结构 ；非 线性地 震反 应分 析 ；抗震 性 能 中图分 类号 TU3 7 5 ． 3 文 献标 志码 A 文章编 号 1 0 0 6 7 3 2 9 2 0 0 7 0 4 0 0 9 0 0 5 S e i s m i c Pe r f o r m a nc e o f Re g u l a r RC Fr a me wi t h S pe c i a l l y Sh a p e d Co l u mn s TANG J i a n ， DUAN Z h a o c h e n g ，YANG Pu 。 1 ． F a c u l t y o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， J i a n g x i S c i e n c e＆ ， Te c h n o l o g y No r ma l Un i v e r s i t y ， Na n c h a n g 3 3 0 0 1 3 ， Ch i n a ； 2 ． Co l l e g e o f C i v i l En g i n e e r i n g， Ch on gq i n g Un i v e r s i t y， Cho ng qi ng 4 00 04 5， Chi na Abs t r a c t Ac c o r di ng t o t he c o de a nd t e c h ni c a l r e g ul a t i o n， a n i r r e gu l a r RC f r a me wi t h s pe c i a l l y s h a pe d c ol u mns h a s be e n d e s i g ne d， whi c h s i t ua t e d a t t he a r e a o f f o r t i f i c a t i o n i nt e ns i t y 8 ．Su bs e q ue nt l y， t he n on l i ne a r d y na mi c a na l ys i s h a s be e n c a r r i e d o ut f or t he s t r u c t u r e b y i n put t i n g gr ou n d mot i on s i n t wo d i r e c t i o ns ．Af t e r s u m mi n g u p t he c a l c u l a t i o n r e s ul t s， t h i s pa pe r ha s e xa m i n e d s e i s mi c pe r f o r m a nc e o f t h e s t r uc t ur e un de r t he r a r e s e i s mi c a c t i on s a nd gi v e n a pr i ma r y e v a l ua t i o n o n t he s t r uc t u r e t o s e e i f i t c o ul d a c h i e v e t h e p r e de t e r mi ne d a n t i s e i s mi c a i m s ． I t i nd i c a t e s t ha t t h e s t r u c t u r e d e s i g ne d a c c or d i n g t o t he c o de s c a n a c h i e ve t he p r e de t e r mi ne d a nt i s e i s mi c a i m un de r t h e r a r e e a r t hq ua ke ． Ke y wo r ds s pe c i a l l y s ha pe d c o l umn；RC f r a m e ；n on l i ne a r s e i s m i c r e s p o ns e a na l y s i s；a nt i s e i s m i c p e r f or ma n c e 近年来 ， 应工程实践的迫切需要， 国内各有关单位 对钢筋 混 凝 土 异形 柱 框 架结 构进 行 了 大 量 的试 验 研 究 [ 1 和理论 分 析工作 。其 中试 验研 究工 作 主要 集 中 在 异形 柱构件 和框 架结 构模 型 的振 动 台试 验 上 ， 由于 受 到设 备和经 费 的限 制 ， 进 行 系列 的较 大 尺寸 的整 体 结 构动 力或静 力试验 不现 实 。而理论 分析 上对 异形柱 结构整体空间非线性分析方法的研究不够深入 ， 还 没 有一种 能 够较好 反 映钢筋 混凝 土异形 柱结 构主要受 力 特 点并 得 到 比较 广 泛认 可 的 非线 性 分 析 手段 和 工 具 ， 结 构 的弹塑 性变 形无 法 实 际操 作 ， 所 设 计 的结 构 能 否 满 足“ 大 震不倒 ” 的抗 震设 防要 求 还 不 清楚 ， 因此 开 展 对异形柱框架结构的空间地震非线性动力反应分析和 整 体抗震 性能 的研 究 ， 是 十分 必要 的 。 基 于上述 目的 ， 采 用 基 于有 限 单 元柔 度 法 的纤 维 模型梁柱单元 ， 本文对不 规则异形柱框架结构进 行双 向水平地震作用下的三维非线性地震反应分析 ， 并考 察 按照 规范 设计 的不 规则异 形柱 框架结 构 在罕遇 地震 水 准下 的抗震 性能 ， 对 结 构 能 否达 到抗 震 设 防 目标 进 行初 步 的评 价 。 1 分析模型 1 ． 1 结构 方 案与概 况 依照 建筑 抗震 设计 规 范 G B 5 0 0 J l 一2 0 0 1 与 混凝 土 异形 柱结 构 技 术 规 程 J G J 1 4 9 2 0 0 6 [ 5 设 计 了设 防烈 度 为 8度 、 Ⅱ类 场 地 的一个 3跨 2跨 ， 局 部六层的异形柱框架结构 ， 框架抗震等级为二级 。结 构的柱 、 梁、 板均采用 C 3 0混凝土， 板厚 1 0 0 mi T t ， 层高 3 m； 结 构 基 本 周 期 为 0 ． 7 4 S 。构 件 配 筋按 S ATWE 结果 进行 设计 ， 除 底 层 4轴 线 处 异 形 柱 纵筋 全 为 d 2 5 外 ， 其它异形柱纵筋全为 巾 1 8 ， 所有柱 中箍筋沿柱高全 * 收稿 日期 2 0 0 7 ～0 2 0 2 作者简介 唐剑 1 9 7 8 一 ， 男 ， 江西南昌人 。 讲 师， 硕士 ， 主要从事结构工程 及防灾减灾工程研究 。 报 学 学 蛐 大 箩 呷 建 庆 重 m 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 唐 剑 ， 等 不规 则钢 筋混凝 土异 形柱 框 架结构 的抗 震性 能 9 1 长加密 布置 4 1 0 1 0 0 。梁 截 面为 2 0 0 5 0 0 mm， 梁 中 箍 筋 为 中 8 1 0 0 ／ 2 0 0 。柱 、 梁结 构布置 及配 筋如 图 1 。 -一 i K Z1 一 K Z2 一 K 一 KZ 1 ⑥ 一 KZ6 ⋯⋯’ KZ2 KZ1 、 、 、Z2 、 、 謇 善 口 K z 2 K⋯ Z 3 竺 _ l l 一 j _ ’X I I ／KZI ／KZ2 ／KZ2 KZI、 Q 一 一 一一 一一 一 一 一一 一 ⋯ 一 一 0 一 ① ② ③ ④ 图 1 结构 平、 立面布置 图及柱配 筋图 2 ． 2 结构 弹性水 平位 移及 轴压 比 的验算 结 构 的弹性水 平 变形 在 S AP 中用 振 型 分 解 反 应 谱 法计 算 考 虑双 向地震 作用 输入 下 的扭转 反 应 。结 构 在多遇 地 震 作 用 下 的最 大 水 平 弹 性 层 间 位 移 角 为 1 ／ 6 7 6 X 向 和 1 ／ 9 1 5 y 向 ， 满 足 设 计 规 范 的 要 求 1 ／ 5 5 0 。另外 ， 在 X 方 向 上各 楼层 最 大 弹 性 水平 层 间位 移 与该层 两端 弹性水 平层 间位 移平 均值 的 比值 如 表 1 。结果 表 明 ， 该 结 构 已经 属 于扭 转 不 规 则 的范 畴 了。 表 1 结构各楼层最大弹性水 平层 间位 移与该楼层两端弹性水 平位移平均值 的比值 层数 第 l层 第 2层 第 3层 第 4层 第 5层 第 6层 比值 1 ． 1 9 1 ． 2 O 1 ． 2 l 1 ． 2 2 1 ． 1 8 1 ． 1 7 L形 、 T 形 、 十形 柱 轴 压 比分 别 为 0 ． 3 3 、 0 ． 5 0 、 0 ． 5 9 ， 均 未超过 规程 对异形 柱 轴压 比的 限值 0 ． 5 0 、 0 ． 5 5 、 0 ．6 0。 2 ． 3非线性 动 力分析模 型 与方 法 采用基于有限单元柔度法的纤维模型的梁柱单元 编制的非线性动力分析程序 由重庆大学土木工程学 院提供 。纤维模型梁柱单元即将梁柱单元截面离散 化 为若干 纵 向纤 维 ， 忽略 剪切 影响 ， 认 为每 根纤维 处 于 单向应力状态 可以在材料 的单轴应力一应变关 系中 考虑 箍筋横 向约 束影 响 ， 采 用 平 截 面假 定 ， 依 据 有 限 单元柔度法理论来建立梁柱单元刚度矩 阵， 再根据相 应纤维材料的单轴应力 一应变关系计算整个截面的力 与变形 的非 线性 关系 。程序 中钢筋 采用 了考 虑等 向应 变硬化影响的本构模型； 混凝土采用了修正的 Ke n t P a r k模型。该分析程序 的分析效率和分析精度 已在 普通矩形柱构件和结构层次l 6 ] 、 异形柱构件层次 上 得到 了验证 。 2 ． 4地震 动的 选取 与输入 ／KZ4 ／KZ2 KZI＼ ．．⋯⋯＆ 一 一⋯ ， 6 【 瑚 6 卿 ， 1 2 0 0 ② ③ ④ 证 量 L／好 ￡[] 且 日 罡 罡 按照 双指 标方 案 、 “ 3 1 ” 的地 震 波 样 本 容量 进 行 选 波 ， 选取 的 地 震 动 见 表 2 其 中 AC C 1 0为 人 造 地 震 动 。采用 S AP 2 0 0 0进行 了振 型分解 反 应谱 分析 和 弹性 动力 时程分 析 ， 计 算 结果 如 表 2 ， 表 明选 出 的地 震 波能满足现行抗规范对结构底部剪力的要求 。 表 2 结 构 弹 性 时程 分 析 与振 型分 解 反 应谱 分 析 所得 底 部 剪 力 对 比 输入 的地震动记录 US A 0 0 6 4 1 US A 0 2 5 8 l I ND 0 0 3 6 4 AC C1 0 由于 结构 平 面布 置不 规则 ， 分 别 沿 X 方 向输 入所 选 地 震 波 ， y 方 向输 入 所 选 地震 波 在 另一 个 方 向上 的 水 平分 量 ， 同 时 X、 y 方 向的幅值 之 比为 1 0 ． 8 5 。 3 罕 遇 地震 作 用 下 结 构 反 应 结 果 分 析 本 文在 进行 结构 的非 线 性 反 应分 析 时 ， 由结 构 整 体的表现 如层间位移角 、 层扭转角 ， 进而到单个构件 的 状态 如截 面 的弯矩 一 曲率 关 系 、 纤 维 的 应力 应 变 两个 方 面来考 查 结 构 的反 应 。 由于 X 方 向输 入 地震 波的幅值较大， 且扭转效应较大 ， 因此考查的均是沿结 构 X 向的反应 。 3 ． 1 层 间位 移角 、 层 间扭转 角 、 楼 层侧 移 在 4 条 地 震波输 入 峰值 加 速 度 为 4 m／ s 下 ， 结 构各层的最大层间位移角、 最大层 间扭转角及结构顶 点侧移见表 3 ； 结构各层左右两端最大层间位移与最 大层间位移平均值 的比值见表 4 ； 结构各层左右两端 的层 间位 移角 、 层 间扭转 角见 图 2和 图 3 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 2 重 庆 建 筑 大 学 学 报 第 2 9卷 结构左端最大层间位移角 i ／／] l 5 6 二 i ／ i 2 3 二 i ／ i 6 3 二 i ／ 1 6 3 二 结构右端最大层问位移角 i ， l 0 8 二 i ／／ 9 i 二 i ／ i i 8 二 i ／ 9 0 二 结构最大层 问扭转角 r a d 0 ． 0 0 1 0 4 二0 ． 0 0 i 3 i 二0 ． 0 0 1 3 3 二0 ． 0 0 i 5 9 二 结构顶点最大侧移 ／ I l l Il l 1 0 1 ． 3 i 2 4 ． 0 i 0 0 ． 6 1 0 6 ． 7 最大侧移／ 结构 总高度 l ／ i g 8 i ／ i 4 5 i ／ i g 9 i ／ i 6 9 注 “ ” 中的数字表示最大层问位移角发生 的楼层 。 表 4 罕遇地震输入下结构各层最大层间位移与该层 两端层 间 位 移 平 均 值 之 比 从表 3 ～4 、 图 2 ～3可 以看 出 I 在 4条波输入下 ， 结构各层的左右两端的层问 位移 不 同 ， 结构右 端 明显要 比左端 大 。 2 在 4条波输入下， 结构层 间最大扭转角最大值 为 0 ． 0 0 I 5 9 r a d 相 当于结构底层左右两端 同一时刻 的位移 差最 大为 2 8 ． 6 2 mm ， 表 明楼 层 的扭转 已经很 明 显 了。 3 结 构各 层最 大层 问位移 与该层 两端 层 间位移平 均值 之 比一般 以第 四层 最 大 ， 在 4条波 的输 入 下最 大 值为 1 ． 3 0 。 图 2 结构各层 的最大层间扭转角 图 3 罕遇地震输入下结 构各层 的最大层 间位移 角 弯矩 - m 弯矩，k N． m弯 舢- m窍靓 N ‘ m 弯 ‘ m ～ 4 0 0 2 0 0 曲率 ，Q 0 晒0 0 l 0 0 l ～ 4 06 粹 20 0 D 啷凹 1 0 0 l ～ 4 0 0 降 2 0 0 b 哪R 0 1 a 0 1 ～ 40 0 2 0 0 曲 一 r 螂0 1 1 0 f -4 O 0 曲率 r Q 晒n 0 1 0 1 4o o 弯肌 N‘ m 弯舢‘ m弯矩 m 弯矩 心 ‘ m 一 Ⅻ l∞ ／ 曲率 啪 0 Q 衄Ⅲ0 0 [ 捌 一 Ⅻ l ，0 脚 d ，Q 衄0 m 6 0 0 c 瑚 一 Ⅻ m 曲 率 啪 0 Q 衄n0 咂 0 0 【 m 二层右端边粱 A C C 1 0 屠左 冲集 A O C 1 0 图 4 罕遇地震输入下结构梁柱的弯矩～曲率关系 3 ． 2 梁柱 截面 的弯矩 一曲率关 系 由于结构左右两端的柱 、 梁反应不相同， 因此分别 选取结构左右两端 的柱及梁来考察 。在 4条地震波输 入 峰值 加速 度为 4 m／ s 下 ， 结 构左 右 两 端 的底层 柱 一 Ⅻ l ∞ ． 裤 0 脚n 0 Ⅱ 底和二层梁端 的截面弯矩 一曲率关 系如 图 4所示 仅 给出 A C C1 0波输 入下 的弯矩 一曲率关系 曲线 。从 图 4中可 以看 出 结构右端中梁 、 边梁已经有较明显的 屈服现象 ， 但屈服程度并不深， 左端 中梁 、 边梁则看不 J 9 O 3 2 6 4 O 1 ．6 1 1 O 8 l ， ， ／O 0／ j l【 0 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 唐 剑 ， 等 不规 则钢筋 混凝 土异 形柱框 架结构 的抗震 性 能 9 3 到明显的屈服； 所有底层柱都 已经有了较为明显 的屈 服 ， 屈 服 的程 度 比梁要 深得 多 。 3 ． 3 梁柱截 面 的纤维 应变 在 4条地 震 波 峰 值加 速度 为 4 m／ s 输 入 下 ， 结 构梁柱纤 维最 大应 变如 表 5 。结果 表 明 1 对混凝 土 的最大 压应 变 ， 结 构右 端 均大 于左 端 。 边梁梁端截面为 0 ． 0 0 2 3 8 ， 中梁梁端截面为 0 ． 0 0 2 5 6 ， 距 0 ． 0 0 4的混 凝土 极 限 压应 变 还 有 一 定 的距 离 ； 角 柱 下端为 0 ． 0 0 3 2 4 ， 边柱下端为 0 ． 0 0 4 2 6 ， 中柱下 端为 0 ． 0 0 4 2 6 ， 均 比梁 的大很 多 ， 角柱 距极 限压 应变 还有 一 定 的距 离 ， 但 边 柱 、 中柱 已经超 过 了极 限压应 变 。 2 对钢筋的最大拉应变 ， 结构右端的梁均 大于左 端的梁 ， 结构右端的柱均小于左端的柱。边梁 梁端截 面 为 0 ． 0 0 3 0 8 ， 中梁 梁端 截面 为 0 ． 0 0 2 6 7 ． 分别 达 到 了 1 ． 6 倍 、 1 ． 4倍 的钢筋 屈 服应变 ； 角柱 下 端为 0 ． 0 0 5 8 5 ， 边 柱下 端 为 0 ． 0 0 4 7 7 ， 中柱下 端为 0 ． 0 0 4 4 1 ， 均 比梁 的 要大很多， 分别达到了 3 ． 0倍 、 2 ． 5 倍 和 2 ． 3 倍 的钢筋 屈 服应 变 。 表 5 罕遇地震输入下梁柱 纤维最大 应变 注 “ L_ l 中 的数 字 表 不 最 大 应 变 发 生 的 楼 层 。 3 ． 4 梁 柱 出铰先 后顺 序 为 了更好 地评 价结 构是 否能 满足 “ 强柱 弱梁 ” 的要 求 ， 给 出在 四条 波下 结 构 梁 、 柱 出 现 塑性 铰 的时 刻 以 受 拉钢筋 刚达 到屈 服应 变为 出铰 的时 刻 ， 如 表 6 。结 果 表明 ， 不 同的地震 波输 入下 ， 结构 梁柱 出铰 顺序 与 时 刻都不一样 。总体看来 ， 结构在罕遇地震作用 下底层 柱底全部出铰 ， 而结构左端梁基本不出铰， 结构右端梁 全 部 出铰 ； 且从 出铰 的先 后 顺 序来 看 ， 柱 铰 出得 较 早 、 较 多 ， 梁铰 出得 较迟 、 较 少 ， 而且 柱 铰 的 转 动远 大 于梁 铰 的转 动 ， 这样 在大 震 下结 构 将 主 要 依 靠 柱铰 来 进 行 消耗 地震能 量 ， 结 构 的抗震 性 能较差 。 表 6 罕 遇地 震下 8 度 区结构 的出铰 时刻／ s 4 结构 抗震性能评价 在对 不 规则钢 筋 混凝 土异形 柱框 架结 构进 行 了非 线性 地震 反 应分析 的基 础上 ， 参 照相 关规 范 、 规 程及 文 献对 该结 构 的整体 抗震 性 能评判 结果 如下 1 按总体失效准则 。对于“ 大震不倒” 设防 目标的 评价， 采用层间位移角允许值 1 ／ 6 5 作为评价结构总体 失效准则 。在罕遇地震输入下， 结构左右两端的最大 层 问位 移 角 分 别 为 1 ／ 1 2 3 、 1 ／ 9 0 ， 均 未 超 过 1 ／ 6 5 。 因 此 ， 认 为 8度 区结 构左 右 两 端均 能够 满 足 “ 大震 不 倒” 的要求 。 2 按局部失效准则 。在罕遇地震输入下 ， 从构件 截面的弯矩 一曲率关系以及纤维的应变可以看到 结 构左端梁中钢筋基本上没有屈服 ， 右端梁中钢 筋普遍 屈服 ， 但 混 凝土 的压 应 变距 极 限压 应 变 还 有 一定 的距 离， 截面的弯矩一曲率滞 回曲线有一定的屈服现象 ； 结 构底 层柱 中大 部分 钢 筋都 已屈 服 ， 混 凝 土 最 大 压应 变 已超过了极限压应变 ， 截面的弯矩 一曲率滞 回曲线出 现 了非常 明显 的屈 服 现 象 。从 出铰顺 序来 看 ， 结 构 除 底层 柱底 以外 二层 柱 也有 少 部 分 出铰 ， 而 且 柱铰 出得 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 4 重 庆 建 筑 大 学 学 报 第 2 9卷 较早 、 较多 ， 梁铰 出得较 迟 、 较 少 ， 柱铰 的转动 远大 于梁 铰的转动， 这样在大震下结构将 主要依靠柱铰来进行 消耗 地震能 量 ， 结 构 的抗 震性 能较 差 。 综上所述， 按现行规范及技术规程设计 的设防烈 度为 8度、 Ⅱ类场地 、 设计地震分组第一组的不规则钢 筋 混凝 土异形 柱框 架 结构 ， 能 够 基 本满 足 “ 大震 不 倒 ” 的要求 。 参考文献 [ 1 ] 刘军进 ， 吕志涛 ， 冯健 ， 等． 9层 带转 换层 钢筋 混凝土 异 形柱框架结构模型 振动 台试验 研究 [ J ] ． 建 筑结 构学 报 ， 2 00 2。 2 31 2 1 2 6 ． [ 2 ] 李杰 ， 肖建庄 ， 陈建兵 ， 等． 钢筋 混凝土异型柱结 构振动 台 上接 第 4 8页 [ 5 ] 邵晓健． 不同强度混凝土梁柱节点的抗震性能 [ D ] ． 上海 同济大学 ， 2 0 0 2 ． [ 6 ] 林 仙 尔 ， 不 同强 度 混凝 土 梁板 柱 节点 的抗 震性 能 研 究 [ D ] ． 上海 同济大学 ， 2 0 0 2 ． [ 7 ] 徐斌， 程懋擎 ， 张美励， 等． 核心区混凝土强度低于柱的框 架节点受力性能试验研究 E C ] ． 第十届高层 建筑抗震技术 交流会议论 文集． 广州 ， 2 0 0 5 ． [ 8 ] G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范I S ] ． ⋯ ～‘一0 ‘ c ‘c ‘c 一 一c 上接 第 7 4页 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] TI M0S HENK0 S P， GRRE J M． Th e o r y o f El a s t i c S t a b i l i t y M ] ． Ne w Yo r k M c Or a w H ’ l 】 ， l 9 6 1 ． DEME TER G． F ERTI S ． No n l i n e a r Me c h a n i c s 2 e d[ M] ． CRC Pr e s s ， 1 99 9 ． 谢 贻权 ， 何福保．弹性和塑性 力学 中的有 限单元 法[ M] ． 北 京 机械工业 出版社 ， 1 9 8 1 ． 项海帆 ， 刘 光栋． 拱 结构 的稳定 与振动 [ M] ． 北 京 人 民交 通出版社 ， 1 9 9 1 ． 李 国豪． 桥 梁 稳定 与振 动 [ M] ． 北 京 中国铁 道 出版 社 ， ] 9 96． [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] I S ] 试验研究[ J ] ． 土木工程学报 ， 2 0 0 2 ， 3 5 3 7 1 2 ． 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