两类转换梁式框支短肢剪力墙结构性能研究

孙 军,吴学清,杨群星

(1.河北工程大学 资源学院,河北 邯郸 056038;2.邯郸职业技术学院 建工系,河北 邯郸056001;3.河北工程大学水电学院,河北 邯郸056021)

当高层建筑转换层结构上部为短肢剪力墙,下部为框架结构时,就形成了框支短肢剪力墙结构。近些年来,框支短肢剪力墙结构形式日益受到重视,而转换梁具有传力直接明确、传力路径清楚、构造简单等优点,在高层建筑转换结构中的应用更为广泛。转换梁通过局部加腋或加斜柱的方式改善其竖向受力性能,可以有效降低其截面高度,尽管已大量应用于工程实践,但加腋和加斜柱对结构抗震性能的影响目前还缺乏研究。本文利用ANSYS对转换梁式框支短肢剪力墙结构的抗震试验进行分析,对加腋和加斜柱转换梁的结构性能进行探讨,希望能为工程设计提供参考。

1 试件设计与试验概况

1.1 弹性有限元建模

试验以ANSYS程序进行的弹性有限元分析为基础,按照试验原形建立有限元模型,尺寸如图1、图2所示。为了简化分析过程,对钢筋和混凝土在构件设计分析中将不再区分,且不考虑混凝土开裂、钢筋屈服等非线性因素,采用弹性单元进行分析。弹性有限元分析的有关参数取值如表1所示。

表1 弹性有限元分析中的参数值Tab.1 Parameters for elastic FEA

在分析中采用三维弹性实体单元建模,对于弹性分析所选用的单元类型是SOLID95。

试验时的加载分为两个载荷步,第一个载荷步施加竖向荷载,第二个载荷步施加水平荷载。在建立有限元模型时也采用同样的方式,将基础梁按固端约束,在剪力墙上方传力梁的相应位置施加竖向荷载。由于试件自重相对于承载力很小,在有限元分析时忽略了自重对结构内力的影响,竖向荷载的大小按照短肢剪力墙的试验轴压比为0.3来确定。水平荷载分别按90kN、120kN、150kN、180kN取值进行试算。

1.2 斜柱式试件配筋

试验取用斜柱截面高度为150mm的试件在荷载作用下,针对ANSYS应力的等值线图进行分析。通过对ANSYS计算结果进行路径操作,并通过积分等操作得到试件各部分的应力分布规律及各部分的内力值。

转换梁按各截面内力计算出的纵筋实配3φ 14,而箍筋由构造确定配 φ 10@80。本文中为保证试件不会在传力梁上先发生破坏,加大了配筋,实配3φ 25,并对称配置。剪力墙水平和竖向分布筋为φ 10@100,短肢剪力墙端部设置暗柱,每个暗柱纵筋选用16φ 10。

1.3 加腋梁式试件配筋

试验取用的加腋高度为200mm的试件在水平荷载作用下进行分析说明。通过对ANSYS计算的结果进行路径操作、积分操作得到试件各部分的应力分布规律,进一步得到各部分的内力值。本文取用框支柱截面C,转换梁截面B,剪力墙截面W,对这些截面分别进行数据的提取、计算和分析。

转换梁按各截面内力计算出的纵筋实配3φ 14,而箍筋由构造确定配 φ 10@80。本文中为保证试件不会在传力梁上先发生破坏,加大了配筋,实配3φ 25,并对称配置。剪力墙水平和竖向分布筋为φ 10@100,短肢剪力墙端部设置暗柱,每个暗柱纵筋选用16φ 10。为了保证“强柱弱梁”,对柱中纵筋采用8φ 20,纵筋配筋率为2.79%,框支柱箍筋采用复合箍并全长加密,选用φ 10@80。

2 试验现象

对斜柱式构件平稳施加竖向荷载到恒定的轴力值,使其达到试验所要求的轴压比0.3,然后水平反复荷载由拉压千斤顶对试件分级施加。试件逐渐产生相应变形,裂缝在各部位相继出现并不断发展,转换梁端部纵筋屈服,形成塑性铰;随后柱脚开始屈服并最终形成塑性铰;在接近极限荷载时,梁端出现混凝土压碎并大量脱落,纵筋受压屈曲现象,并在此部位形成较宽的破坏主裂缝,最终以转换梁跨中区段两端混凝土被压碎并部分脱落,钢筋被压屈,从而导致试件失效,如图3所示。

对加腋梁式构件平稳施加竖向荷载到恒定的轴力值,使其达到试验所要求的轴压比0.15,然后水平反复荷载由拉压千斤顶对试件分级施加。试件逐渐产生相应变形,裂缝在各部位相继出现并不断发展,转换梁端部纵筋屈服,形成塑性铰;随后柱脚开始屈服并最终形成塑性铰;在接近极限荷载时,梁端出现混凝土压碎并大量脱落,纵筋受压屈曲现象,并在此部位形成较宽的破坏主裂缝,最终以转换梁跨中区段两端混凝土被压碎并部分脱落,钢筋被压屈,从而导致试件失效,如图4所示。

3 转换梁的试验结果分析

3.1 滞回曲线分析

图5、图6为两构件的 P-Δ(水平力-水平位移)滞回曲线,P为由拉压千斤顶施加的荷载,Δ为转换梁左端头中心处的水平位移。结构滞回曲线的形状较饱满,表明结构具有良好的耗能性。

斜柱式试件转换梁纵筋屈服之后,随着裂缝的开展,试件逐步表现出越来越明显的塑性性质。μΔ=2时,在反复周期荷载的作用下,荷载稍有增加,构件便发生较为明显的位移。μΔ=4时,构件刚度下降更为明显,从P-Δ曲线可以看出,此时构件的承载力已经接近极限承载力。μΔ=5时,随着荷载的增加,位移增长趋势更为明显,达到构件极限承载力161kN。之后,构件的承载力开始降低,再加载刚度的退化变得更加明显,其卸载刚度的退化也表现得比较明显,构件在反向加载过程中,滞回曲线呈反S形,有明显的捏拢现象。

加腋梁式试件的滞回曲线在 μΔ=3之前呈梭形,曲线饱满,具备较好的耗能能力;在 μΔ=3时达到极限承载能力,此后由于在较大荷载下出现了明显的粘结滑移,滞回曲线呈明显的反S形,表现出了明显的捏缩现象;在 μΔ=5时构件的承载能力出现25%以上的急剧下降,可认为构件失效。

表2 试件的耗能能力Tab.2 Energy dissipation capability of the specimens

3.2 刚度退化分析

试件转换层KΔ-θΔ曲线如图7所示。随着层间位移角的增大,两试件侧移刚度逐步衰减,开始时侧移刚度衰减速度快,之后衰减速度逐渐变缓。同时,加斜柱式试件初始刚度明显大于加腋式试件,并且极限刚度也大于加腋式试件。加斜柱式试件在加载前期衰退曲线几乎与加腋式试件重合,但在加载后期其衰退速度明显大于加腋式试件。

3.3 耗能能力分析

计算结果表明(表2),斜柱式试件耗能能力要好于加腋梁式试件,可以认为还是由于加了斜柱使构件延性得到提高,因此塑形变形能提高很多,从滞回曲线也可看出斜柱式试件相比加腋式试件更为丰满,因此滞回耗能也有所提高。

4 结论

1)在梁端局部加腋的框支短肢剪力墙结构中,明显地增强了转换梁在支座区段的抗剪承载力,可以有效地降低梁的截面尺寸。

2)相同条件下斜柱式转换结构侧向刚度比梁式转换结构大,更易满足规范中转换层上、下结构侧向刚度比的要求,能有效的避免转换层形成结构薄弱层。

3)短肢剪力墙在设计时应考虑剪力墙墙肢翼缘的作用,在剪力墙肢端部应加强箍筋的构造要求,使墙肢具有较好的延性。

4)斜柱式转换结构的耗能均不及梁式转换结构,除了不同材料的影响因素外,还应注意斜柱不宜设计的过强。

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