豎向荷載對梁鉸耗能性能的影響

原　媛，石瓊輝，劉清清

(1．中國建材國際工程集團有限公司，深圳 518000；

2．深圳建筑設計研究總院有限公司，深圳 518000)

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豎向荷載對梁鉸耗能性能的影響

原媛1，石瓊輝2，劉清清2

(1．中國建材國際工程集團有限公司，深圳 518000；

2．深圳建筑設計研究總院有限公司，深圳 518000)

摘要：該文通過對某超高層的動力彈塑性時程分析，考察了豎向荷載對框架梁端塑性鉸的耗能能力的影響。

關鍵詞：動力彈塑性時程分析；滯回曲線；耗能能力；塑性鉸

結構抗震性能設計中，框架梁和連梁都是主要的耗能構件[1]，而兩者的主要區別在于框架梁需要承擔豎向荷載而連梁不需承擔。由于建筑功能對空間的要求，框架的跨高比一般較大[2]，截面越小，配筋率越大，豎向荷載影響越大；而框架梁通過產生塑性鉸來消耗地震和豎向荷載產生的能量。

該文通過對比某一結構在同一地震作用下的兩種不同的初始工況，分別為考慮豎向荷載作用和不考慮豎向荷載作用，分析考察框架梁鉸的耗能能力。

1框架梁的概況

該工程是超高層酒店建筑，共50層，總高度為202 m。采用混凝土框架核心筒結構，其動力彈塑性時程分析的初始工況為恒載加0.5倍的活載。初始工況的平均作用為15 kN/m2，常規設計的配筋率為2.5%左右。

層間位移較大的層其構件的損傷較大。為考察梁鉸的耗能，選取Y向層間位移角較大的30層的Y向框架梁進行分析，各梁鉸位置見圖1。

2地震作用與梁鉸滯回模型

地震作用的地震波是指安評單位提供的人工場地擬合波。場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.35，其時程曲線如圖2所示。

彈塑性時程分析時非線性梁柱單元采用彎矩-旋轉角類型單元，滯回曲線采用武田三折線模型，是根據構件試驗結果整理的恢復力模型。第一屈服為截面外側受彎開裂時模擬開裂強度，第二屈服默認為受壓一側最外端的混凝土達到極限應變時模擬屈服強度。對于型鋼混凝土截面對屈服判定方法與鋼筋混凝土截面相同。圖3為武田三折線模型滯回曲線[3]。

動力時程采用有限元分析軟件Midas building。將剪力墻分割成一定數量的豎向和水平向的纖維單元來考慮墻體的非線性。纖維單元的本構關系如下：混凝土的本構模型采用《混凝土結構設計規范》附錄中的單軸受壓應力-應變本構模型；鋼筋采用雙折線模型，屈服后剛度使用0.1倍的屈服前的彈性剛度，無論屈服與否，卸載和重新加載時均使用彈性剛度；墻單元剪切本構模型，由程序提供理想彈塑性模型，屈服后剛度為0，屈服前卸載和重新加載時使用彈性剛度，屈服后卸載時指向原點，重新加載時使用卸載剛度重新加載。

3滯回曲線與耗能分析

分析豎向荷載作用時，以梁鉸5 549為例進行滯回曲線與耗能分析。

考慮初始工況時的滯回曲線見圖4。

旋轉角時程曲線見圖5：從圖5中可以看出，考慮初始工況時，由于豎向荷載作用，有初始的旋轉角。

其彎矩時程曲線比較見圖6：從圖6中可以看出，考慮初始工況時，由于豎向荷載作用，在時程開始和結束都存在的彎矩。其絕對最大彎矩分別為：考慮初始工況時在10.6 s為-2 640 kN·m；不考慮初始工況時在8.2 s為1 590 kN·m。

采用彎矩與旋轉角的乘積的積分作為鉸的累計能量，其時程曲線如圖7：從圖7中可以看出，考慮初始工況的地震耗能小于不考慮初始工況的耗能。

4結論

從以上分析得知，主要結論如下：

a.彈塑性時程分析考慮初始工況對計算結果有重大影響。

b.框架梁鉸在豎向荷載作用下，可能出現負筋一側耗能的情況，其耗能能力下降。

從第二點結論出發，規范可知連梁其上如搭有主梁，其耗能能力會下降，不利于抗震；大跨度框架的豎向荷載作用大，為提高安全度規范提高抗戰等級[4]，并不是最有效的做法，建議大跨度框架提高其抗力從而提高其安全度；豎向荷載大的框架節點，宜根據其底筋可能不屈服這一特征，進行延性設計的改進。

參考文獻

[1]JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[2]GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

[3]國家標準建筑抗震設計規范管理組. 建筑抗震設計規范[M]. 北京：地震出版社，2010.

[4]北京邁達斯技術有限公司. Midas building技術手冊[M]. 北京：中國計劃出版社，2012.

Vertical Load’s Influence on Beam end Plastic

Hinges’ Energy Dissipation

YUANYuan1,SHIQiong-hui2,LIUQing-qing2

(1.China Triumph International Engineering Group Co, Ltd，Shenzhen 518000，China；

2.Shenzhen General Institute of Architectural Design and Research，Shenzhen 518000，China)

Abstract:This paper explores the vertical load’s influence on beam end plastic hinges’ energy dissipation through the elastic-plastic dynamic analysis of a super-high building.

Key words:elastic-plastic dynamic analysis;hysteretic curves;energy dissipation;plastic hinges

作者簡介：原媛(1981-)，工程師.E-mail:13632692358@139.com

收稿日期：2015-08-09.

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.06.013