新型斜柱转换结构 在不同轴压比下的抗震性能研究

范余辉 申波 周世明 郑田洪 杨方

摘 要：本文建立了5个肢厚比为9，轴压比分别为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5的新型斜柱转换结构模型试件，对这5各试件在低周水平反复荷载与竖向荷载的共同作用下试件的力学性能进行有限元模拟分析。研究结果表明：在进行新型斜柱转换结构的设计时，为了使结构获得较好的延性和抗震性能，应将轴压比控制在0.1～0.4之间。

关键词：新型斜柱转换结构;轴压比;破坏形态;滞回曲线;位移延性;刚度退化

中图分类号：TU395           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）02-0119-02

文献[1， 2]将斜柱转换应用于框支-短肢剪力墙结构中，并做了一系列的理论分析和试验研究。研究表明，斜柱应用于框支-短肢剪力墙结构中作为转换结构延性和耗能能力较差。为了提高框支剪力墙中斜柱转换结构的延性和抗震性能，文献[3]提出了一种新型斜柱转换结构。该种结构通过在斜柱和转换梁中植入型钢，使结构的延性和抗震性能得到了大幅度的提升。本文在文献[3，4]基础上，研究了一定肢厚比下，轴压比对该种新型结构抗震性能和延性的影响，并给出合理的轴压比参考值，为今后该类结构的设计提供理论支撑。

1 模型建立

在ABAQUS有限元分析软件中建立如图1所示的5个模型。其肢厚比为9，轴压比分别为为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5。对5个试件进行相同的竖向加载和水平低周反复荷载加载，并分析试件的力学性能。

2 有限元结果分析

2.1 破坏形态

以试件ZHB9为例对其进行分析可知，试件在加载过程中出现了塑性铰，塑性铰位于型钢混凝土转换梁梁端与框支柱交接的地方。随着水平反复荷载的继续加载，裂缝数量增加并最终形成几条主要裂缝，试件失去承载力，发生破坏。试件ZYB1、ZYB2、ZYB4破坏形态与ZHB9一致。试件ZYB5在承载力达到最大值后，随着水平位移继续增大，剪力墙中部塑性应变迅速增大，水平钢筋和纵向钢筋大面积屈服，导致试件没有征兆突然破坏。

2.2 骨架曲线

在坐标中将各试件滞回曲线各滞回环的峰值点连成线即可得各试件的骨架曲线，如图2所示。

分析图2中5个不同轴压比下试件的骨架曲线可得以下结论：

（1）试件的骨架曲线在低周水平往复荷载的正，反向加载中具有相同的变化趋势，5条曲线在加载初期斜率几乎相同，说明试件具有基本相等的初始刚度。

（2） 各个试件的屈服点不明显，极限荷载与轴压比呈高度正相关性，说明高轴压比对于试件裂缝的开展有限制作用，试件的有效抗剪面积得以提高，从而提高了试件的极限荷载。

（3） 各试件在达到极限荷载后，曲线的陡峭程度与轴压比呈正相关关系，说明试件刚度退化加快，延性变差。

2.3 承载能力分析

根据文献屈服荷载的方法确定各试件的屈服荷载，各试件的屈服荷载和极限荷载见表1。

分析表1中的数据可得以下结论：

（1）同一试件在循环加载过程中正反向的屈服荷载值基本相同，正反向的极限荷载值也基本相同，差值较小。

（2）试件轴压比越大，正向加载和反向加载时能够达到的极限荷载和屈服荷载也越大。轴压比为0.5的试件ZYB5的极限荷载和屈服荷载的值最大，说明轴压比的提高能显著提高试件的极限荷载和屈服荷载。

（3） 强屈比反映了试件在屈服后安全储备的大小，由表中数据可知，随着轴压比的增大，试件的强屈比有减小的趋势。

综上所述，试件屈服后的安全储备随着试件轴压比的升高而降低。

2.4刚度退化分析

在循环荷载作用下，试件的刚度有较大退化， 分析表中数据可以得到以下结论：在屈服位移前后，环线刚度在每一次循环加载周期内表现出不一样的特性。在屈服位移之前，每一次循环周期内，环线刚度与循环次数呈高度正相关关系。在屈服位移之后，在每一循环周期内，环线刚度与循环次数呈高度负相关关系。

取环线刚度三次循环的平均值为Y坐标，取屈服位移为X坐标，得到环线刚度与屈服位移之间关系曲线，如图3所示。

观察图3中试件的曲线可知，试件ZYB1，ZYB2，ZHB3没有明显的突变点，下降趋势平缓。试件ZYB4和ZYB5在5Δ时出现转折点，在5Δ之前，曲线较陡，在5Δ之后，曲线较平缓，试件ZYB4在加载至8Δ时发生破坏，试件ZYB5在加载至7Δ时发生破坏。刚度退化快慢与曲线下降斜率呈正相关性，表明随着轴压比的增大，试件刚度退化严重，耗能能力变差。

2.5位移延性分析

延性系数反映了结构依靠自身塑性变形耗散地震能量的能力，对其进行分析尤为重要。本文中的延性系数通过正反向加载试件的极限位移的平均值与屈服位移的平均值的比值求得。由表2中的数据可知，各试件的屈服位移的大小与轴压比的升高没有关系，极限位移与轴压比呈高度负相关。由表中数据可知，延性系数与轴压比成高度负相关关系，试件ZYB1， ZYB2，ZHB9， ZYB4的延性系数均大于3.0。模拟结果表明，这四个试件延性比较好。满足钢筋混凝土结构设计在抗震方面的要求[5]。试件随着轴压比的升高依靠自身塑性变形耗散地震能量的能力逐渐减弱。

3 总结

综上所述可得以下结论：

（1）隨着轴压比的升高，试件的极限荷载和极限位移增大，屈服位移有降低的趋势但不明显，耗能能力降低，延性变差，刚度退化程度加大，抗震性能变差。

（2）在循环荷载加载下，当轴压比接近限值0.5时，试件在达到最大承载力后，剪力墙混凝土发生毫无征兆的突然破碎，失去承载能力。

（3）控制剪力墙的轴压比低于规范要求的限值，使其在0.1～0.4范围之内，结构能取得良好的变形能力和抗震性能。

参考文献：

[1]杨超策，钟树生， 凌焕文. 钢筋混凝土斜柱—剪力墙局部转换节点在竖向荷载作用下的受力性能的试验研究[J].重庆建筑， 2005，12（3）：22-25.

[2]钟树生，史世伦，卢挺，蒋凡.框支短肢剪力墙结构中斜柱转换结构抗震试验研究[J]重庆建筑大学学报，2007，29（1）：44-47.

[3]李梦，申波，谢成吉，周世明，赵庆阳，龙海芳.带新型斜柱转换的框支剪力墙结构力学性能分析[J].贵州大学学报（自然科学版），2015，32（02）：94-98.

[4]杨磊，申波，周世明，何智，谢宗言.新型斜柱转换结构的抗震性能分析[J].贵州大学学报（自然科学版），2016，33（06）：67-70+108.

[5]赵西安.高层建筑结构实用设计方法（第三版）[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51468007）;贵州省科技支撑计划项目（ 社会发展攻关）（黔科合SY字（2012）3067）