帶不同剛度連梁高層框架剪力墻結構抗震性能分析

覃 卯，羅 迅，田豐華

(重慶大學 土木工程學院，重慶 400044)

0 前 言

目前剪力墻結構和框架剪力墻結構在設計中存在以下問題：在地震作用下，連接兩片墻肢的連梁內部往往內力很大，依據常規配筋方式經常出現超筋現象，這一問題在小跨高比連梁中尤為突出。

關于如何解決這一問題，文獻[1]中給出了兩種方案：一是對連梁剛度予以折減；二是采取交叉斜筋等復合配筋方式。第一種方案可能導致連梁剛度過低;而第二種方式連梁形成塑性鉸時間相對較晚，塑性耗能能力相對較小，大震作用下可能起不到保護墻肢的作用。關于采用哪種方案對高層剪力墻結構抵抗地震作用能力較好，工程界缺乏統一結論。

部分國內外研究者[2-3]通過改變連梁剛度折減系數，考察了其對剪力墻結構的整體性能和構件內力的影響，并在此基礎上得出連梁剛度折減系數對剪力墻結構抗震性能影響程度方面的結論。部分研究者[4]基于典型框支剪力墻結構算例，通過兩種不同分析程序的對比分析，研究了結構中不同連梁剛度對結構地震響應的影響。

但影響連梁抗震性能的因素較多，除與剪力墻之間相互作用對結構的影響外，連梁本身在彎矩、軸力以及墻肢轉動作用下的延性性能實際上也和理想的實驗條件差別很大，目前研究者對連梁在復雜受力下的延性性能的闡述是不完善的，為正確認識連梁性能對結構整體抗震性能的影響，本文展開了此項研究。

1 結構算例設計和有限元模型建立

1.1 結構算例設計

本文利用PKPM進行結構設計，以連梁剛度與剪力墻墻肢長度為變量，建立5個18層的框架剪力墻結構算例。各算例基本信息見表1。其中，算例1、2、3只改變連梁剛度折減系數；算例4、5在算例1的基礎上同時改變連梁剛度折減系數和橫向剪力墻墻肢長度，以保持基本周期不變。

表1 各算例基本信息表

算例1中1～5層連梁剪壓比超過0.2，采用交叉斜筋；其他連梁均采用普通配筋。規范[1]規定，跨高比超過5的連梁按框架梁設計。

1.2 有限元模型

利用ABAQUS對各算例進行建模，用選波程序選取3條地震波(El-centro、Taft、Hachinohe),對各模型進行地震作用時程分析，考察罕遇地震作用下各模型的破壞形態、塑性鉸分布、耗能能力、極限承載力等變化趨勢，梳理不同參數影響下的框架剪力墻結構綜合抗震性能規律。為簡化計算過程，本文將空間模型簡化為單榀結構進行計算，如圖1所示，考慮結構其他部分對其約束作用，對應建立Y向抗側移約束。

圖1 框架剪力墻模型圖

2 框架梁與連梁的損傷規律

2.1 框架梁和連梁的屈服順序

各算例在地震波下框架梁、連梁的屈服順序為：算例1、2、4、5均是框架梁先屈服，連梁后屈服；但算例3反之。

2.2 結構剛度退化曲線

以連梁和框架梁的屈服時刻及連梁最大鋼筋應變時刻為關鍵點，選出其所在的頂點位移時程曲線所在的位移上升段，并插入若干時刻點，再從底部剪力時程曲線中找出對應時刻點的底部剪力，用底部剪力除以頂點位移得出相應的結構割線剛度，最后繪制割線剛度隨頂點位移的剛度退化曲線。

圖2 El-Centro波下各算例的剛度退化曲線

對比算例1、2、3可發現，剛度早期退化時，算例3最快，算例1最慢，在受力后期剛度緩慢下降，最后基本趨于穩定。在持時全過程，算例1的剛度最大，算例3的剛度最小。主要原因是算例2、3的連梁剛度進行了折減，引起連梁屈服時刻大幅提前，框架梁的屈服時刻略有提前，故算例3比算例2、算例2比算例1先行進入彈塑性受力狀態，在基本相同剪力作用下，結構的頂點位移更大。

3 剪力墻、連梁剪力分布規律

提取El-centro波作用下各算例第3層連梁剪力時程曲線，發現水平地震作用下連梁剪力時程曲線形狀與趨勢和所輸入地震波形相近，但在各算例中略有差異，采用復合配筋且未進行剛度折減的算例1連梁剪力較其他算例更大，而剛度折減系數為0.6的算例2、4中連梁剪力又分別大于剛度折減系數為0.3的算例3、5。其余兩條地震波作用下連梁的剪力反應規律基本相同。

算例1結構的整體反應如頂點位移等較其他算例更小，其第3、5層連梁剪力更大，這是由于連梁剛度對于結構中剪力在樓層間的分配起著一定作用。算例1中第3、5層連梁采用了復合配筋，對混凝土約束更強，對墻肢約束也更強，故結構整體反應小，同時采用了復合配筋的連梁剛度大，使得所在樓層整體剛度更大，剪力分配更大，而未配置的則相對較小。

4 連梁內部軸力分布規律及其延性分析

4.1 連梁軸力在不同算例中的分布規律

軸力對連梁抗震性能有著較大影響，可能導致連梁延性不足，而在設計中常常被忽視，故本文提取各算例第3、5層的連梁軸力進行分析。

在水平地震作用下連梁截面軸力算例5最大，算例4其次，算例1、2、3相對較小，這是由于算例4、5剪力墻墻肢長度更大，對連梁變形約束作用更強，因而在連梁中產生的軸力更大?？梢?，在水平地震作用下，框剪結構連梁截面內力中，軸力占比很大，對連梁的工作狀態影響很大，可能導致連梁混凝土發生斜壓破壞，而在規范關于連梁條例制定的實驗中，并未考慮連梁中軸力的影響，依此條例設計的連梁可能存在實際工作狀態中軸力較大而延性不足的缺陷，從而發生預期之外的破壞形式，故應在設計中適當考慮。

4.2 水平地震作用下連梁延性分析

通過連梁鋼筋屈服時刻表、連梁混凝土最大主壓應變時程曲線及連梁總反應時程曲線，得到連梁鋼筋屈服時刻與混凝土壓碎時刻的連梁反應及最大連梁反應，相除得連梁的延性系數與延性需求，計算所得算例2、3總體上連梁延性系數與延性需求相近，滿足結構延性設計要求。

而對于采用了復合配筋的算例1連梁，第3層鋼筋未屈服，第5層連梁僅斜筋屈服且延性系數為1.056小于延性需求1.196，跨中區域混凝土均發生斜壓破壞，主要原因在于連梁受到兩側剪力墻轉動變形和軸向變形的影響，算例1中其他層連梁剛度小，軸力較小，而第3、5層連梁采用復合配筋，剛度較強，剪力墻與連梁的相互作用增強，軸力增大，導致過早的剪壓破壞。可見采用了復合配筋的連梁，增強了剪力墻與連梁間的相關關系，導致剪力墻施加于連梁上除水平力外的其他力如軸力更大，引起連梁混凝土應變更大，未按預期方式展現延性。

5 不同連梁剛度折減系數結構對比

對比算例1、2、3可以發現，算例1的應變值最小，算例3的應變值最大，且算例1與算例2的峰值差距大于算例2與算例3的峰值差距。這是因為算例1到算例2除了進行連梁剛度折減以外，算例1還采用了復合配筋。

對比算例4、5可以發現，算例4比算例5有更大的縱筋應變，這是因為算例4與算例5進行了剪力墻墻肢的加長，且算例5的剪力墻墻肢加長更多，所以連梁受到的反應更小，連梁縱筋應變更小。

同樣參考其他層的縱筋應變值對比，可以得到以下結論。

1)結構連梁折減越大，連梁縱筋應變越大。

2)連梁在配置菱形筋和交叉斜筋后，對于連梁縱筋的受力有幫助作用，縱筋的應變更小。

3)剪力墻墻肢加強，連梁縱筋應變更小。

6 結 論

通過ABAQUS對帶不同剛度連梁的5組高層框架剪力墻結構算例進行罕遇地震下綜合地震反應分析，可以得出以下結論。

1)連梁對結構整體剛度的貢獻大于框架梁，故在進行框架剪力墻結構設計時，可以考慮使框架梁作為結構抗震第一道防線，連梁作為第二道防線，從而保證結構在具有較高剛度的同時，也具有較大的耗能能力。

2)連梁在框架剪力墻結構中，還受兩側剪力墻墻肢轉動變形與軸向變形的影響，在連梁中建立很大的軸力，采用復合配筋的連梁，剛度更大，連梁與剪力墻的相互作用更強，更易引起混凝土的斜壓破壞，結構延性難于充分發揮，在結構設計時，應充分考慮軸力對連梁的影響，宜進一步降低剪壓比等參數的限值。

因此，在進行剛度折減后的框架-剪力墻結構設計時，連梁采用復合配筋方式可以使結構具有合理的出鉸機制，但同時要注意對連梁減壓比進行更嚴格的限制。

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