框架结构变梁异型节点核芯区弹塑性静力分析

张 永 强

(山西省华城建筑设计公司，山西 太原 030013)

框架结构变梁异型节点核芯区弹塑性静力分析

张 永 强

(山西省华城建筑设计公司，山西 太原 030013)

运用房屋建筑结构分析与设计软件MIDAS GEN，模拟并对比了变梁异型节点核芯区是否剪切变形下结构整体的周期、位移、性能点、层间剪力、层间位移角等，以此为依据提出了基于塑性铰理论下变梁异型节点的框架结构，在罕遇地震时梁柱节点处刚域值改变时结构的整体性能评估体系，研究表明：考虑框架结构的变梁异型节点核芯区的剪切变形，其结果将直接影响结构的内力与变形，同时对结构的整体抗震性能也产生较大的影响。

罕遇地震，框架结构，弹塑性静力分析，塑性铰，抗震性能

在各类建筑结构中，广泛的存在钢筋混凝土框架变梁异型节点。而此类节点显著特点在于连接柱两侧的梁截面高差较大，在地震发生后，大量实例证明此节点在地震作用下的表现明显不同于常规节点。因此研究是否考虑节点区的剪切变形及在地震作用下此类节点对结构的整体影响具有较大的理论意义和实用价值。

1 工程实例

本文提供的模型为某6层办公楼工程(框架结构)，层高均为3.8 m。框架柱截面均为600 mm×600 mm，框梁截面尺寸根据其跨度的1/10～1/12来选取，混凝土强度等级均为C30，为了更精确的反映出框架梁柱节点的整体受力情况，本文不考虑楼板对整体结构的贡献(取楼板厚度为0)。抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第2组，场地类别Ⅲ类。采用CQC扭转藕联计算对地震进行分析，周期折减系数取0.7。结构的平面布置及整体模型如图1，图2所示。

2 计算分析

为了比较分析框架结构中变梁异型节点核芯区剪切变形对结构整体受力的影响，本节将基于以上模型分别模拟以下两种情形：1)考虑变梁异型梁柱节点核芯区剪切变形;2)不考虑变梁异型梁柱节点核芯区剪切变形。对比结构在弹性阶段及弹塑性阶段，框架变梁异型节点核芯区对结构的整体影响。

2.1 模型加载方案与边界条件假定

在地震作用下梁柱节点核芯区的变形是真实存在的，故在模型分析时，对节点核芯区做了如下处理：

1)不考虑节点核芯区的剪切变形时，指定梁端部刚域值，将模型中所有节点核芯区域全部设定为刚域。2)考虑节点核芯区的剪切变形时，释放节点核芯区的刚域约束，模拟在考虑地震作用时，其节点的真实变形。

2.2 整体结构在弹性阶段对比分析

对结构在弹性阶段进行分析，得出在地震作用下X，Y向各参数，见表1。从表1数据可以看出，整体结构在弹性阶段，不考虑核芯区剪切变形时，X，Y向自振周期、位移均最小，且楼层水平地震剪力最大，这表明结构的整体刚度较大。考虑核芯区剪切变形时，在X，Y向自振周期、位移相对较大，且楼层水平地震剪力最小，这表明结构的整体刚度较小。

表1 地震作用下X，Y向各参数表

2.3 整体结构在弹塑性阶段对比分析

本节对结构进行弹塑性静力整体分析，主要研究整体结构在罕遇地震作用下，在X，Y向分别施加水平地震作用，侧向力采用模态加载方式进行PUSHOVER分析，对比结构在进入弹塑性阶段时，节点核芯区剪切变形对整体结构的影响。

1)性能点。从软件的分析结果来看，在各工况下能力谱曲线均能与需求谱曲线相交得到性能点，说明结构具有良好的抗震性能，且得到的能力谱曲线相对较平滑，在中震下基本为弹性或少量出铰，而大震下大部分工况结果已经进入塑性。其性能点处的各项参数见表2。

表2 性能点处的各项参数

从表2分析可以看出，在大震作用下，考虑节点核芯区的变形时其楼层的弹塑性层间位移比不考虑节点核芯区的变形时相对较大，说明结构在考虑变梁异型节点的剪切变形时，其结构整体延性相对较好。

2)塑性铰。在进行分析时，MIDAS/Gen有限元程序是通过塑性铰来实现结构的材料非线性，采用集中塑性铰杆模型表示构件的弹塑性性能，本文应用“屈服力和屈服位移”归一化法，定义梁铰(弯矩、剪力铰)、柱铰(PMM铰)的“广义力—广义位移”曲线。通过PUSHOVER分析，得出塑性铰所占比例，见表3。

表3 塑性铰所占比例 %

从表3中可以看出，性能铰大部分处于IO～LS阶段，表明结构已经进入屈服阶段，且此阶段构件出现明显的裂缝。其中，考虑节点核芯区变形的情况下，塑性程度较浅，表明结构刚进入塑性。当不考虑核芯区变形时，有一部分塑性铰的发展程度已较深，表明结构已发生局部倒塌。

3)层剪力—位移曲线。对比在罕遇地震作用下，不考虑核芯区变形与考虑核芯区变形下的层剪力—位移曲线，见图3，图4。

从图3，图4可以看出：在X向考虑梁柱节点核芯区变形时，其控制位移以及基底剪力均比不考虑梁柱节点核芯区变形时要大，表明节点核芯区的变形对结构的整体抗震能力影响较大。

3 结语

本文采用有限元分析软件MIDAS，对框架结构的变梁异型节点在是否考虑核芯区变形的问题上进行了对比分析。研究表明，在罕遇地震作用下，在不考虑变梁异型节点核芯区的变形时，结构整体的刚度增大，吸收地震作用也在增大，对结构在地震下的损伤程度也在加剧。介于以上结论，研究变梁异型节点核芯区在地震反复作用下的破坏机理是有实际意义的。

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[2] 方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计[M].北京:机械工业出版社，2007.

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[4] JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

Elastoplastic static analysis of framework based on variable shaped beam joint core area

Zhang Yongqiang

(ShanxiHuachengBuildingDesignCompany,Taiyuan030013,China)

In this paper, housing construction structural analysis and design software MIDAS GEN were used， through software emulation and contrast becomes shaped beam joint core zone is cut overall cycle structure, displacement, performance points, interlayer shear, story drift angles deformation, as a basis for proposed based on the theory of change under the plastic hinge frame beam abnormal joints, when the strong earthquake at the beam-column node field value changes just to assess the overall performance of the architecture. The results showed that, shear beam shaped node becomes the core area of the frame structure, and the results will directly affect the internal force and deformation of the structure, while the overall seismic performance of the structure have a greater impact.

strong earthquake, frame structure, elastoplastic static analysis, plastic hinge, the seismic performance

2015-05-29

张永强(1982- )，男，助理工程师

1009-6825(2015)22-0050-02

TU313

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