框架結構“強柱弱梁”屈服機制研究

郭靳時，段 延，李 睿

(吉林建筑大學，吉林 長春 130118)

0 前 言

國內多層民用建筑設計中因框架結構具有更加靈活的分配空間，具有結構整體性好等優點，因而尤為常用，但框架結構的節點應力集中且側向剛度小，屬柔性結構，在強地震作用下，結構產生較大水平位移，易發生嚴重的非結構性破壞。

1989年的抗震規范中，針對“大震不倒”的設防目標，提出“強柱弱梁”的理想破壞形式。對于如何改善結構細節使其滿足設防標準，如何使其在地震中有較多的“強柱弱梁”的破壞發生，國內外多位研究員[1-2]針對本問題從不同角度提出了解決方法，張潔[3]通過對樓板開角縫和無角縫兩種模型分析了樓板設置有角縫可易使結構滿足“強柱弱梁”破壞機制條件。

本文創建普通框架與樓板開邊縫框架兩種模型，利用ABAQUS分析軟件分析計算，樓板開縫框架在地震作用下的屈服機制。

1 框架結構樓板開邊縫的有限元模型

1.1 模型概況

設計一棟3層2×3跨的框架結構，模型甲的層高為3 300 mm，X方向梁跨7 200 mm，Y方向梁跨3 600 mm，100 mm的樓板厚度，500 mm×500 mm的柱截面,模型乙在甲的設計基礎上在樓板與框架柱、框架梁的連接處增設15 mm的縫，示意圖如圖1所示。

圖1 開縫布置圖

1.2 材料計算參數

均采用質量密度為2 400 kg/m3的C30混凝土，縱筋使用彈性模量為2.00×105N/mm2的HRB400級鋼筋，箍筋使用彈性模量為2.10×105N/mm2的HPB300級鋼筋，泊松比為0.3，鋼筋的質量密度為7 800 kg/m3。

1.3 模型的建立

通過八節點三維實體線性壓縮積分單元(C3D8R)，如圖2所示，模擬試件中單元選擇。

圖2 C3D8R單元

模型中鋼筋均用兩節點三維桁架單元(T3D2)，如圖3所示。

圖3 T3D2單元

通過材料模板確定參數，經組裝后應用旋轉，平移裝配方法建立整體模型。為實現模擬與實驗同步類似，綁定(Tie)命令用于實現一層柱頂部與二層柱底部，梁柱接觸面，次梁與主梁的連接。最后進行種子布置和網格劃分。

2 樓板開縫混凝土應力分析

2.1 EL波作用對比分析

對比分析在EL波作用下，樓板開縫框架和普通框架結構的混凝土應力云圖，如圖4～5所示。應力應變云圖可以直觀地反映出結構構件的受力特征。

圖4 樓板開縫框架云圖

圖5 普通樓板框架云圖

2.2 多種地震波作用

根據規范另增選天津波、人工波兩種不同地震波對樓板開邊縫框架結構作用下，得到混凝土在縱向鋼筋達到最大應力時的應力分析云圖，如圖6～7所示。

圖6 天津波作用下混凝土損傷云圖

圖7 人工波作用下混凝土損傷云圖

3 結 論

通過本文對比分析，相較于普通框架結構，樓板開縫框架結構使梁柱節點應力更加分散，梁端應力更加集中，而柱端混凝土只出現輕微受損，因此開縫措施更利于塑性鉸的形成，對結構實現“強柱弱梁”破壞機制有改善效果。

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