07异形柱框架结构中支撑与填充墙作用的对比研究.pdf

第 卷 第“期建筑结构 年“月 上海市建筑科技发展基金资助项目。 异形柱框架结构中支撑与填充墙作用的对比研究 李杰刘威 （同济大学建筑工程系上海 “ ） ［提要］ 根据异形柱纯框架、 异形柱框桁架和异形柱填充墙框架的低周反复试验结果， 对比了三种结构形式 在承载能力、 抗侧刚度以及耗能方面的差异， 并分析了支撑和填充墙对框架的作用， 及其作用的变化过程。 ［关键词］ 异形柱框架框桁架填充墙承载力刚度耗能 6 , 2 , 6 . , ’ 7* ’ * 3 ; 7 . - - . 2 , . / ’ . - - 8 7 . * 7, 4 / ’ ; 3 * * 2 * - / 0 - 3 8 6 8 3 * ／， 异形柱的肢宽厚比为 。模型设计时， 首先设计纯 框架， 根据 混凝土结构设计规范（A B C D “） 和 建 筑抗震设计规范（A B C D “） ， 按E度抗震设防标准 进行设计。梁、 柱纵向钢筋采用级钢筋， 箍筋采用“ 级钢筋， 并且在柱端部设置了暗柱， 以加强柱的延性。 为了与纯框架进行对比， 框桁架和填充墙框架的梁、 柱配筋以及材料与纯框架完全相同。框桁架在其中 一跨设置了人字支撑， 支撑纵筋采用“级钢筋， 填充墙 框架采用小型混凝土空心砌块进行填充， 并在填充墙 中每隔F 44设置了“ G的水平拉筋， 制作时采用 先砌墙、 后浇梁柱的方案。异形柱纯框架的模型图见 图， 框桁架的模型图见图， 填充墙框架的模型图见 图。混凝土和钢筋的实测强度指标见表， 。 为了保证柱下端固定， 防止试验中出现基础移动， 设计了相对刚度较大的底梁。同时为了防止柱顶施加 垂直荷载时， 梁柱节点出现局部承压破坏， 在荷载作用 位置设置了钢垫板。 试验加载制度采用荷载变形混合控制， 分为荷载 控制阶段和位移控制阶段。荷载控制阶段每级荷载量 级循环一次， 位移控制阶段每一位移量级循环三次。 在加载过程中， 异形柱纯框架模型的中柱轴压比 为 H G D， 边柱轴压比为 H D ， 荷载控制阶段共施加 三级， 分别为 ， “ 和 F I J， 位移控制阶段从 44 开始， 44一级， 共施加了六级。结构破坏顺序为梁 端中柱根部腹板边柱根部腹板边柱根部翼缘边柱 图异形柱纯框架模型图 中部腹板 （斜裂缝） 。异形柱框桁架模型的中柱轴压 比为 H F ， 边柱轴压比为 H E F， 荷载控制阶段共施 加三级， 分别为 ， “ 和 F I J， 位移控制阶段从F 44 开始， F 44一级， 共施加了八级。结构破坏顺序为斜 撑中部梁端斜撑根部梁与斜撑节点处边柱根部腹 板边柱根部翼缘边柱中部腹板 （斜裂缝） 。异形柱填 充墙 框 架 的 中 柱 轴 压 比 为 H E ， 边 柱 轴 压 比 为 H D G， 荷 载 控 制 阶 段 共 施 加 三 级， 分 别 为 ，“ 和 I J， 位移控制阶段从F 44开始，F 44一级， 先施加 了八 级， 由 于 试 验 设 备 的 原 因， 中 柱 轴 压 比 降 为 H E ， 边柱轴压比降为 H G， 又施加了四级。结构 破坏顺序为砂浆 （水平裂缝） 梁端砂浆 （垂直裂缝）砌 体脱落边柱根部翼缘 （水平裂缝） 边柱中部腹板 （斜 裂缝） 。 二、 性能分析 H骨架曲线 G 混凝土力学性能指标 （／““ ） 表 模型层数抗压强度弹性模量 （ ） 框架 框’桁架 填充墙框架 空心砌块 砂浆 * , - . , , , , * * * 钢筋力学性能指标 （／““ ） 表“ 钢筋屈服强度/极限强度0弹性模量 （1 -） “* * - . - “ , “ - -* * “ , - - “ - * * “ * . -- - 图异形柱框’桁架模型图 图异形柱填充墙框架模型图 图模型骨架曲线 骨架曲线是每一级循环的滞回曲线峰值点的包络 线， 也即滞回曲线的外包络线。在一般情况下， 结构的 骨架曲线与相应单调加载的“ 曲线相似， 能够比较 明确地反映结构的强度、 变形等性能。图为 三 个模型的骨架曲线， 从中 可以看出， 结构在水平反 复荷载下经历了弹性极 限、 屈服、 最大荷载诸点， 最后达到破坏。 异形柱结构模型各加载阶段荷载 （2 ） 、 位移 （““） 、 刚度 （2 ／““） 及延性系数表 模型纯框架框’桁架填充墙框架 方向正向 （拉）负向 （推）正向 （拉） 负向 （推） 正向 （拉） 负向 （推） 弹 性 极 限 点 屈 服 荷 载 点 最 大 荷 载 点 结 构 破 坏 点 “3 * * - . 3, , * - * * . “3／3 , . - - - * .- - * 3／／ ／ , ／. , .／* ／* * ,／. “/ . * , . . , / * - . . -, . , “/／/ * - . , * * * /／／ -／ ／ ／ -／ ／ “4 . * - - , 4- - , * . , * - . , “4／4- - .. * . , . . 4／／- ／* ／ -／ ／ ／ “0 . , . . . 0 约为* * - * . . “0／0 约为 , - , 0／ 约为／ ／, ／. ／* ／. 0／/ 约为 , , . - 注因试验加载的问题， 异形柱纯框架骨架曲线正向没有下降 段， 负向下降段达不到极限荷载的, -5， 此处的值是根据曲线下降 趋势估算的。 强度、 刚度和延性 三个模型在开裂点、 屈服点、 最高荷载点和破坏点 的荷载值以及相应的位移值、 抗侧刚度、 延性系数等见 表， 其中结构破坏点定义为骨架曲线下降到最大荷 载的, -5时所对应的点。三个模型在各加载阶段承 载力、 刚度对比见表。分析表， 数据可以得出 （） 与纯框架相比， 框’桁架和填充墙框架的屈服 荷载和最大承载能力都有较大幅度提高。其中， 框’桁 架平均屈服荷载提高 5， 平均最大承载能力提高 ,5， 填充墙框架平均屈服荷载提高 ,5， 平均最大 承载能力提高* 5。 （） 定义抗侧刚度公式为 6“／（2 ／““） ， 其 中“为结构顶点的水平荷载， 为在水平荷载作用下 结构顶点的水平位移。与纯框架相比， 框’桁架各阶段 的抗侧刚度平均约为其 .倍， 而填充墙框架各阶段 抗侧刚度则约为其 .倍。 （） 图-， *分别是模型在荷载控制阶段抗侧刚度 “／与荷载“以及位移控制阶段的抗侧刚度“／与 位移的关系图 （位移控制时抗侧刚度取三次等位移 循环抗侧刚度的平均值） 。由图中可以看出， 在荷载控 制阶段以及位移控制的初始阶段， 异形柱纯框架抗侧 刚度最低， 框’桁架次之， 填充墙框架最高。这说明在 加载初期， 框’桁架中的支撑和填充墙框架中的填充墙 对结构的抗侧刚度贡献很大。随着位移的增加， 框’桁 架和填充墙框架的抗侧刚度下降得很快， 而纯框架抗 侧刚度的降低则比较平缓。在位移控制阶段后期， 当 . 三种结构形式各加载阶段承载力、 刚度比较表 比较范围加载方向弹性极限点屈服荷载点最大荷载点 框桁架承载力 纯框架承载力 框桁架刚度 纯框架刚度 填充墙框架承载力 纯框架承载力 填充墙框架刚度 纯框架刚度 正向 “ “ ’“ “ 负向 “ “ “ * 平均 “ “ “ 正向 * ’ 负向 “ 平均 , * ’ 正向 “ ’ “ * “ ’ 负向 “ “ “ * 平均 “ , “ “ 正向 负向 , , * 平均 ’ “ 图*荷载控制抗侧刚度图位移控制抗侧刚度 支撑和填充墙出现严重破坏后， 框桁架和填充墙框架 抗侧刚度逐渐接近纯框架， 这表明此时由于支撑和填 充墙的破坏， 两者对抗侧刚度的贡献已经不大， 结构主 要靠尚未严重破坏的框架来承受水平荷载。 采用线性回归， 可以得到三种结构随位移增加的 结构抗侧刚度退化公式如下 ／“ “ “ , ’ （“） 式中 为结构正、 负向平均抗侧刚度；为结构正、 负向平均初始抗侧刚度， 即荷载控制阶段- . /时 的平均抗侧刚度； 为结构位移。 上式与试验数据比较结果参见图,。 （） 结构的延性是衡量结构通过大幅度非弹性变 形来耗散地震能量的性能的一个指标。用位移延性系 数0／1衡量结构的延性， 纯框架模型和框桁架模型 的延性系数都在 ’左右， 而填充墙框架的延性系数 大约为 *。 图,结构抗侧刚度随位移增长退化 耗能 图， ’分别为在荷载控制和位移控制两个阶段中 三个模型的耗能对比图。从图中可以看出 在荷载控 制阶段， 纯框架的耗能最大， 说明此时纯框架结构的非 线性变形比另两个模型严重， 而框桁架和填充墙的耗 能相似； 在位移控制阶段， 三者耗能相差不多。在开始 阶段， 填充墙框架耗能最大， 框桁架居中， 而纯框架最 小， 此时纯框架虽然非线性变形更加严重， 但是由于此 时在相同位移下纯框架的荷载比框桁架和填充墙框 架的要小， 从而导致纯框架由于滞回环峰值点较低而 包围的面积小。在位移控制中间阶段， 框桁架耗能最 大， 填充墙框架次之， 而纯框架最小。在最后阶段， 框 桁架已经破坏， 而填充墙框架和纯框架的耗能相似， 这 表明此时填充墙框架中填充墙耗能能力已经不大了， 两者都是靠框架耗能。 三、 结论 （“） 异形柱纯框架结构在设置了支撑后， 承载力和 抗侧刚度都有明显提高， 延性性能基本保持不变。而 异形柱纯框架结构在添加填充墙后， 不但承载力和抗 侧刚度都有较大提高， 延性性能也有较大提高。在位 移相同时， 框桁架结构耗能稍大于纯框架， 填充墙框 架的耗能在初期稍大于纯框架， 在后期与纯框架相当。 这表明异形柱框桁架结构性能优于异形柱框架结构， 而异形柱填充墙框架的性能又优于异形柱框桁架结 构和异形柱框架结构。 图荷载控制阶段模型耗能图’位移控制阶段模型平均耗能 （） 三类结构在非线性变形阶段的刚度退化规律 基本一致， 且可以取如式 （“） 所示的基本形式。这一点 在结构弹塑性分析中具有一定参考价值。 （） 框桁架结构具有支撑梁柱的基本破坏次序， 因此可以将支撑看作结构第一道防线， 这符合结构抗 震中的多道防线原则。填充墙框架中填充墙起着与框 桁架结构中的支撑相似的作用。在加载初期， 这两类 结构支撑和填充墙对抗侧刚度贡献很大。随着荷载的 增加， 支撑和填充墙因破坏对结构的贡献不断减小。 在结构严重破坏阶段， 支撑和填充墙基本上失去作用。 参考文献 “ 李 杰等2钢筋混凝土异形柱框桁架结构振动台试验研究2见 钢筋混凝土异形柱抗侧力结构体系研究报告集， 同济大学， 2 刘 威， 李杰2钢筋混凝土异形柱框桁架结构低周反复试验研 究2结构工程师， 增刊2 李 杰， 李国强2地震工程学导论2地震出版社， “ ’ ’ 2 曹万林， 王光远等2钢筋混凝土异形柱框架抗震设计若干问题的 研究2地震工程与工程振动， “ ’ ’ ， （“）2 * 徐云扉， 胡庆昌等2低周反复荷载下两跨三层钢筋混凝土框架受 力性能的试验研究2建筑结构学报， “ ’ ’ ， （*）2