強(qiáng)柱弱梁對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)抗震損傷耗能的影響

白潤山 趙帥帥

(河北建筑工程學(xué)院 河北 張家口 075000)

一、“強(qiáng)柱弱梁”設(shè)計(jì)在鋼框架結(jié)構(gòu)中的重要性

“強(qiáng)柱弱梁”指的是使框架結(jié)構(gòu)塑性鉸出現(xiàn)在梁端的設(shè)計(jì)要求。用以提高結(jié)構(gòu)的變形能力，防止在強(qiáng)烈地震作用下倒塌。在強(qiáng)震作用下獲得框架相對(duì)穩(wěn)定的累計(jì)滯回耗能分布，關(guān)鍵在于控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”機(jī)制。但“強(qiáng)柱弱梁”的變化對(duì)框架結(jié)構(gòu)損傷耗能機(jī)制的控制有怎樣的影響還需進(jìn)一步研究。

二、鋼框架模型的設(shè)計(jì)

將能力系數(shù)與能力比轉(zhuǎn)化成應(yīng)力比和應(yīng)力比比值后設(shè)計(jì)如下模型：模型一：按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)，盡量調(diào)整梁、柱的應(yīng)力比接近1；模型二：梁應(yīng)力比與模型一相同，柱應(yīng)力比為模型一梁應(yīng)力比的0.8倍，模型三：梁應(yīng)力比與模型一相同，柱應(yīng)力比為模型一梁應(yīng)力比的0.6倍；模型四：柱應(yīng)力比與模型二相同，梁應(yīng)力比為模型二梁應(yīng)力比的0.8倍；模型五：柱應(yīng)力比與模型三相同，梁應(yīng)力比為模型二梁應(yīng)力比的0.8倍；模型六：一層柱應(yīng)力的應(yīng)力比為模型二柱應(yīng)力比的0.8倍，一層梁應(yīng)力的應(yīng)力比為模型二梁應(yīng)力比的0.8倍，其他層同模型二；模型七：一層柱應(yīng)力的應(yīng)力比為模型三柱應(yīng)力比的0.8倍，一層梁應(yīng)力的應(yīng)力比為模型三梁應(yīng)力比的0.8倍，其他層同模型三；模型八：一層柱應(yīng)力的應(yīng)力比為模型四柱應(yīng)力比的0.8倍，一層梁應(yīng)力的應(yīng)力比為模型四的梁應(yīng)力比擴(kuò)大0.8倍，其他層同模型四；模型九：一、二層柱應(yīng)力的應(yīng)力比為模型二的柱應(yīng)力比擴(kuò)大0.8倍，一、二層梁應(yīng)力的應(yīng)力比為模型二的梁應(yīng)力比擴(kuò)大0.8倍，其他層同模型二；模型十：一、二層柱應(yīng)力的應(yīng)力比為模型三的柱應(yīng)力比擴(kuò)大0.8倍，一、二層梁應(yīng)力的應(yīng)力比為模型三的梁應(yīng)力比擴(kuò)大0.8倍，其他層同模型三；模型十一：一、二層柱應(yīng)力的應(yīng)力比為模型四的柱應(yīng)力比擴(kuò)大0.8倍，一、二層梁應(yīng)力的應(yīng)力比為模型四的梁應(yīng)力比擴(kuò)大0.8倍，其他層同模型四。

三、設(shè)計(jì)算例

鋼框架示例設(shè)計(jì)(張家口下花園區(qū)、懷來縣、涿鹿縣)，地震分組：第二組；地震作用：水平地震作用；設(shè)防烈度：8 度(0.2g)；場(chǎng)地類別：Ⅱ類；鋼材材質(zhì)：Q235B；跨數(shù)：橫向 3 跨，縱向 6 榀；跨度：橫向 6m，縱向 6m；層數(shù)：10 層；層高:3.6m；女兒墻高:1.2m；女兒墻厚度:0.24m。外墻采用混凝土空心小砌塊，厚度0.2m，該工程中梁和柱均采用焊接H型截面。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，在設(shè)計(jì)基本地震加速度為 0.2g 的地區(qū)，8度抗震設(shè)防烈度下相應(yīng)的中震和大震的水平地震影響系數(shù)的最大值應(yīng)分別取為 0.45 和0.90。

使用PKPM設(shè)計(jì)十一個(gè)鋼框架模型，再用Abaqus軟件進(jìn)行時(shí)程分析得到下圖1、2、3。

圖1

由圖2各個(gè)模型的柱滯回耗能占比沿樓層分布情況可以發(fā)現(xiàn)：模型二的一層柱滯回耗能占比達(dá)到0.95左右，其他層幾乎為零；模型六一層柱滯回耗能占比達(dá)到0.38左右，二層柱在0.3左右，其他層柱滯回耗占比都較為均勻，在0.1左右；

圖2

進(jìn)一步確定同一樓層中各個(gè)柱滯回耗能的分布情況，為了方便分析將柱進(jìn)行編號(hào)，軸線 A、B、C、D 分別對(duì)應(yīng)的柱編號(hào)為 1、2、3、4，其中編號(hào)為 2、3 的柱為中柱，編號(hào)為 1、4 的柱為邊柱。平面圖如圖1所示，柱的滯回耗能如圖3所示，各個(gè)模型的各榀框架中各個(gè)柱滯回耗能占比大約呈對(duì)稱分布，模型一的中柱耗能占比多于邊柱0.01左右，其他模型邊柱耗能占比都多于中柱，模型四和模型十一柱的耗能占比較均勻。

圖3

四、結(jié)論

根據(jù)層高與柱耗能占比的關(guān)系可以看出，梁柱能力比為0.8時(shí)，結(jié)構(gòu)的損傷耗能主要由底層承擔(dān)，當(dāng)取0.6時(shí)，損傷耗能不只有底層構(gòu)件承擔(dān)，一半甚至一半以上的能量可以由二層及以上的樓層構(gòu)件分擔(dān)，這大大降低了底層構(gòu)件因承受的能量過多而發(fā)生破壞的幾率；增大梁構(gòu)件的能力系數(shù)也能對(duì)結(jié)構(gòu)整體的耗能分布起到有利的影響；與提高結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件的能力系數(shù)相比，只改變底層與二層構(gòu)件的能力系數(shù)較為方便，而且效果也十分明顯，結(jié)構(gòu)整體的耗能與柱耗能都較均勻，鋼材用量在實(shí)際工程上也會(huì)更經(jīng)濟(jì)。