（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）不同配筋形式异形柱抗震性能研究.pdf

中文摘要 近年来在我国住宅建设中，钢筋混凝土异形柱结构由于其独有的优点受到了 广大用户的普遍欢迎，得到了广泛的发展和应用，用以指导异形柱结构设计与施 工的国家行业标准混凝土异形柱结构技术规程已经颁布实施。但由于普通配 筋形式的t 形截面柱，截面腹板方向受压时，大小偏压界限的轴压比偏低，造成 罕遇地震作用下柱端塑性铰出现过早，结构倒塌。如不改变配筋形式，势必增加 很多纵筋才能避免。本文探讨不同配筋形式( 建议配筋形式) 即将t 形、十字形 内折角处的钢筋移到腹板肢端，在不改变配筋率的情况下提高大小偏心界限轴压 比，推迟塑性铰出现的办法。 本文主要研究内容如下： 一、对目前国内关于异形柱构件、异形柱梁柱节点及异形柱整体结构抗震性 能进行了简要总结和分析。 二、根据异形柱双向偏心受压正截面承载力的计算原理，利用m y n c 程序， 分析建议配筋形式的t 形、十字形截面柱正截面承载力变化的规律。比较建议配 筋形式和普通配筋形式的m 相关曲线和脓啦相关曲线。结果表明建议配 筋形式提高了腹板受压时大小偏压界限的轴压比，而且t 形、十字形截面柱正截 面承载力均比普通配筋形式的高。 三、弹塑性时程分析是一种重要而且有效的评估结构抗震性能的方法，本文 利用基于杆系模型的平面结构弹塑性地震响应分析程序n d a s 2 d 对建议配筋形 式异形柱框架进行了平面弹塑性地震反应分析，并与普通配筋形式的分析结果进 行对比。结果表明，柱端塑性铰出现时间被推迟，更能保证“强柱弱梁”的实现。 最后，根据本文理论分析和弹塑性地震反应计算结果，提出了供工程设计人员参 考的一些建议。 关键词：不同配筋形式异形柱正截面承载力抗震性能弹塑性时程分析 a b s t r a c t r e i n f o r c e dc o n c r e t es p e c i a l s h a p e dc o l u m n su s e di nr e s i d e n t i a lc o n s t r u c t i o ni n r e c e n ty e a r s ，f o rt h e i ru n i q u eq u a l i t i e s ，a w i d e l yw e l c o m eb yu s e r sa n dh a v eb e e n g a i n e daw i d ed e v e l o p m e n t t h en a t i o n a lt r a d es t a n & l 瑚l , t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o nf o ， c o n c r e t es t r u c t u r e sw i t hs p e c i a l l yc o l u m n s ，w h i c hi su s e dt og u i d et h ed e s i g na n d c o n s t r u c t i o no fs t r u c t u r e sw i t hs p e c i a l l ys h a p e dc o l u r n n 览，h a sa l r e a d yp r o m u l g a t e d a n di m p l e m e n t i ft h et - s h a p e dc o l u m n 诵mc o m m o nr e i n f o r c e m e n tf o r mi s c o m p r e s s e do ni t sw e b ，t h ea x i a lf o r c er a t i oc o r r e s p o n d i n gw i t ht h eb a l a n c e df a i l u r e w i l lb eo nt h el o ws i d e t h e r e f o r e ，t h ep l a s t i c i t yp l a s t i ch i n g eo c c u r sa tt h ee n do f c o l u m ns oe a r l yt h a tt h es t r u c t u r ei se a s i l yc o l l a p s e di nt h er a r ee a r t h q u a k e m o r e l o n g i t u d i n a ls t e e lw i l lb er e q u i r e dt oa v o i dt h a tc i r c u m s t a n c ei ft h er e i n f o r c e m e n t f o r mi s n tc h a n g e d u n d e rt h ed i f f e r e n tr e i n f o r c e m e n tf o r m sc o n d i t i o n , m o v i n gt h e r e i n f o r c i n gs t e e lb a ra tt h ei n w a r df o l d i n ga n g l et ot h ee n do ft h ew e b ，w h i c hd o e s n t c h a n g et h er e i n f o r c e m e n tr a t i o ，t h i sp a p e rs t u d i e st h em e t h o dw h i c hr a i s e st h ea x i a l 、 f o r c er a t i oc o r r e s p o n d i n gw i t ht h eb a l a n c e df a i l u r ea n dm a k e st h ep l a s t i ch i n g e o c c u r r e dl a t e r t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ep a p e ri n v e s t i g a t e st h es e i s m i cb e h a v i o ro fr cf r a m ew i t hs p e c i a l - s h a p e d c o l u m n sa n da n a l y z e st h es e i s m i cb e h a v i o ro fs p e c i a l - s h a p e dc o l u m n s ，b e a m - c o l u m n j o i n t i n b r i e f 。 2 b a s e do nt h ec a l c u l a t i o np r i n c i p l eo fs p e c i a l l ys h a p e dc o l u m n s 。n o r m a ls e c t i o n b e a r i n gc a p a c i t ys u b j e c t e dt ob i a x i a lc o m p r e s s i o nt h ev a r yr e g u l a t i o no ft - s h a p e da n d 十s h a p e dc o l u m n s n o r m a ls e c t i o nb e a r i n gc a p a c i t yi sa n a l y z e db ym y n cp r o g r a m u n d e rt h ed i f f e r e n tr e i n f o r c e m e n tf o r m sc o n d i t i o n a n dt h en m x m yi n t e r a c t i o n c u r v e so ft w or e i n f o r c e m e n tf o r m si sc o m p a r e d t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ea x i a l f o r c er a t i oc o r r e s p o n d i n gw i t ht h eb a l a n c e df a i l u r e ，a n dt - s h a p e da n d 十一s h a p e d c o l u m n s n o r m a ls e c t i o nb e a r i n gc a p a c i t ya r cr a i s e dw h e nt h ec o m p r e s s i o nz o n e t o t a l l yi so nt h ew e b 3 d y n a m i ce l a s t i c - p l a s t i ct i m e - h i s t o r ya n a l y s i si sa ni m p o r t a n tm e t h o dt o e v a l u a t et h es e i s m i cb e h a v i o ro fs t r u c t u r e s ad i f f e r e n tr e i n f o r c e m e n tf o r m sr c 劬_ r r l e w i t hs p e c i a i - s h a p e dc o l u m ni sc a l c u l a t e db yn d a s 2 dw h i c hi saf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s o fn o n l i n e a rd y n a m i ce l a s t i c - p l a s t i c a n a l y s i sc o m p u t e rp r o g r a m , a n d c o m p a r e dw i t ht h ec o m m o nr e i n f o r c e m e n tf o r m t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ep l a s t i c h i n g ei sd e l a y e da n dt h er e a l i z a t i o no f “s t r o n gc o l u m nw e a kb e a m 翻越m “络b e t t e r f i n a l l y , s o m es u g g e s tf o rd e s i g na n d s t r u c t u r a lm e a s u r e sf o rr e s i d e n c es y s t e mo fr c f r a m ew i t l ls p e c i a l - s h a p e dc o l u m n sa r cp u tf o r w a r df r o mt h ea b o v es t u d y k e yw o r d s - d i f f e r e n tr e i n f o r c e m e n tf o r m , s p e c i a l l ys h a p e dc o l u m n s ，n o r m a l s e c t i o nb e a r i n gc a p a c i t y , s e i s m i cb e h a v i o r , e l a s t i c p l a s t i ct i m eh i s t o r ya n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，+ 也不包含为获得墨鲞苤茎或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：方j 中高签字日期：2 。1 年支月心日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特授妪 鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：剖中李 一，一 导师签名：芝 缸绎 签字嗍锄干箩月2 s 同 签字嗍：哆年厂月玎同 第一章绪论 1 1 异形柱结构的特点 第一章绪论 改革开放以来，随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，居民对住宅的 要求从有无住房，发展到追求住宅的健康、环保、舒适，美观等功能，对住宅品 质不仅要求工程质量，还注重功能质量。钢筋混凝土异形柱结构就是在此背景中 逐步发展形成的一种结构体系。 所谓异形柱是异形截面框架柱的简称，是指在满足结构承载力和刚度的前提 下，根据房间布置情况以及柱子具体位置需要而采用的截面几何形状为l 形、t 形或十字形的柱子。柱子隐藏在墙体中，使住宅结构的内部平整美观，配合采用 轻质隔墙，使结构自重轻，地震作用小，造价经济。同其他结构体系相比，异形 柱结构具有以下特点： 1 ) 由t 形边柱、十字形中柱、l 形角柱组成框架； 2 ) 柱肢厚度与墙体厚度相同，室内不出现柱楞； 3 ) 减轻结构自重，有利于抗震和节约基础投资； 4 ) 因墙体减薄，与砖混结构相比，可增加使用面积8 一1 0 ； 5 ) 墙体采用以工业废料制作的具有隔热、保温、节能、节地、环保及减轻 自重等综合效益的新型轻质材料。 钢筋混凝土异形柱结构以其良好的经济、社会及环境综合效益，在国内各地 逐步发展，尤其是在国家禁止使用烧制粘土砖后，异形柱结构体系的应用更加受 到关注，在国内各地发展势头强劲。各地陆续建成一批异形柱结构住宅。据粗略 估计，目前此类住宅的建成量已达2 0 0 0 万平米。特别是近年来因城市用地紧张， 地价昂贵而大量发展的小高层住宅，正是异形柱结构最适合的使用范围。随着异 形柱结构的大量应用，不少地区为了指导设计和施工，先后出台了相关的技术规 程，如天津市、广东省、江西省、江苏省规程。这其中，天津规程由于研究成果 系统，适用范围广，标志着异形柱的研究取得了突破性的进展，在工程界引起了 强烈的关注，极大地促进了异形柱结构在全国范围的大规模使用。 第一章绪论 、为统一指导全国的异形柱结构设计和施工，在建设部的领导下，以天津大学 作为主编单位，联合多家设计研究机构，共同开展了异形柱结构的深入研究。全 国行业标准混凝土异形柱结构设计规程【1 】已经于2 0 0 6 年3 月9 号颁布，2 0 0 6 年8 月1 号正式实施。 1 2 异形柱结构抗震性能综述 异形柱结构是从剪力墙、短肢剪力墙和框架结构中演化而来，与它们的设计 之间既有可借鉴之处，也有不同的地方。近年来，随着钢筋混凝土异形柱结构体 系的推广和应用，对于异形柱结构体系的研究成为国内混凝土结构领域的一项热 门研究课题。自8 0 年代中期以来，针对各地住宅建设的需要，华南理工大学、 中国建筑科学研究院、同济大学、河北工业大学、东南大学、天津大学等单位已 在钢筋混凝土异形柱构件、节点、异形柱框架和空间整体结构等方面做了大量的 试验研究工作，取得了一批有价值的研究成果。 由于异形柱结构体系是我国结构工程领域的一项新生事物，因此对于异形柱 结构体系的整体试验研究和理论分析主要在我国。对于异形柱构件国内外均有研 究，但国外异形截面构件与我国的异形柱概念不尽相刚2 卅，研究的侧重点也不 同。因此下面主要介绍了我国的异形柱抗震性能研究。 1 2 1 异形柱构件抗震性能的研究 我国抗震规范【5 】要求“小震不坏，中震可修，大震不倒”。地震时，柱的破 坏比梁的破坏更容易引起框架倒塌。为了避免建筑物在强烈地震作用下突然破 坏，保证柱的安全，结构必须具有较好的延性，使其能够吸收较多的地震能量。 而框架柱的破坏有压弯破坏、剪切破坏和粘结破坏等三种形式，其中弯曲破坏又 分大偏心压弯破坏和小偏心压弯破坏。在这几种破坏形态中。只有大偏心压弯破 坏时结构具有较好的延性。因此要使框架柱具有较好的抗震性能，必须把框架柱 设计成发生延性较好的大偏心压弯破坏，靠结构的延性来耗散地震的能量。 1 等肢异形截面柱正截面承载力及延性性能的研究 文献【6 9 】通过试验研究和非线性有限元分析结果表明：t 形、l 形截面双向 压弯构件的正截面承载力，除了与所采用的材料强度、截面尺寸有关外，在弯矩 2 第一章绪论 作用方向角不同时其差异是很大的，所以设计中应由最不利弯矩作用方向角方向 的承载力控制。而十字形截面双向压弯构件其正截面承载力在弯矩作用方向角不 同时差异很小。等肢t 形、l 形及十字形截面双向压弯柱延性随着轴压比的增大 而减小；随箍筋间距与纵筋直径之比的减小而增大；随弯矩作用方向角的不同 而不同，而且差异较大，t 形截面柱受压弯作用时，翼缘受压时延性最差，但弯矩 作用方向角对截面延性的影响随着轴压比的增大而减小。当箍筋间距与纵筋直 径的比值相同，箍筋强度满足要求时，变化箍筋直径对双向压弯柱截面延性的 影响较小。混凝土强度对l 形、t 形截面双向压弯柱截面延性的影响主要反映在 轴压比的变化中，相同轴压比下混凝土强度对截面曲率延性影响不大。总体来讲， 十字形截面双向压弯柱延性要好于t 形、l 形截面双向压弯柱延性，但它们都比 方形截面柱延性要差一些。 2 等肢异形截面柱斜截面承载力的研究 文献 1 0 ，1 1 1 通过试验研究分析表日f j ：t 形截面柱的极限受剪承载力比矩形截 面柱的要高，计算中应该考虑受压翼缘的有利作用；t 形试件压端翼缘的混凝土 压碎区和斜裂缝的分布与矩形柱不同；低周反复荷载作用下t 形截面柱发生粘结 破坏，其承载力约为单调荷载作用的8 9 ；t 形截面柱的受剪承载力随水平荷载 作用方向而变化；弯矩比是影响l 形框架柱受剪承载力和变形的重要因素，当反 弯点在柱中点时受剪承载力最低；l 形和t 形的受剪破坏特征均为受剪斜裂缝主 要发生在腹板处，而翼缘的存在降低了砼主拉应力，使斜裂缝受到抑制；由于l 形截面柱在横向荷载下存在附加扭矩作用，使得l 形截面柱的粘结破坏较t 形 截面柱严重；低周反复加载时，l 形截面柱腹板内纵筋与砼之间粘结破坏现象非 常严重，使得试件的受剪承载力和变形能力降低；l 形和t 形截面框架柱受轴压 力、配箍率、广义剪跨比及反复加载的影响与矩形截面框架柱相近。 3 不等肢异形截面柱正截面承载力及延性的研究 文献 1 2 ，1 3 通过试验研究和理论分析得出：截面破坏形态仍然可分为受拉破 坏和受压破坏，明显呈现柱类构件的破坏特征；加载角对截面承载力的影响很明 显；平均应变的平截面假定在不等肢l 形截面构件中仍然适用；弯矩作用方向角、 轴压比、截面的纵向配筋率、混凝土强度等级、肢厚比、肢长比等均对不等肢l 形截面异形柱正截面承载力产生较大影响。 第一章绪论 文献【1 4 】理论分析得出：1 ) 与等肢异形柱相同，影响不等肢异形柱延性性能 的主要因素还是弯矩作用方向角、轴压比和箍筋配置。两肢长也有一定影响，随 着两肢长比的增大，不等肢异形柱的截面曲率延性下降。2 ) 体积配箍率相同时， 采用较小的箍筋直径及箍筋直径及箍筋间距的延性好；不同箍筋问距、箍筋 直径，并非一定是体积配箍率大的异形柱延性好，只有合理地确定箍筋间距。 提高体积配箍率才能有效地提高柱的延性； 上述文献的研究成果及其应用，可以归纳如下： 1 定性方面：异形柱截面变形基本符合平截面假定：异形柱截面构件与矩形截 面构件在受力、强度、刚度、延性及恢复力特征等方面存在显著差异，设计和计 算必须使用专用的公式和方法：异形柱截面的面积较矩形截面向外分布，增强了 抗弯能力，而抗剪能力大多由腹板承受，对抗剪能力有削弱；异形柱截面仅有一 根对称轴或没有对称轴，对荷载的方向敏感，抗扭刚度较差，构件的最终破坏形 态和延性受弯矩作用方向角影响大；异形截面的柱肢角部是明显的薄弱部位，尤 其是梁底与柱肢交界断面的柱肢角部。 2 公式方面：提出了正截面承载力和斜截面承载力的计算查用表格和实用简 化的计算公式，并对异形柱单根柱的非线性分析的基本假定、计算模型和基本原 理进行了研究。 3 工程计算软件的应用：异形柱双向受弯的正截面承载力计算的简化方法和 精确数值计算已经逐步运用到工程设计软件中，减轻了实际设计的工作量。如天 津异形柱规程组编制的异形柱设计专用软件c r s c t l 5 j 采用基于精确数值积分法 上的实用计算法，在工程设计界得到广泛应用。 1 2 2 异形柱梁柱节点抗震性能的研究 地震的震害研究表明，钢筋混凝土框架结构的梁柱节点是结构抗震的一个薄 弱环节。在地震力的往复作用下，梁柱节点受到更大的水平剪力( 通常比柱子所 受的剪力大4 - _ 6 倍) ，梁柱节点核心区被剪切破坏，它的破坏是引起建筑物破坏 的主要原因之一。异形柱框架由于柱子截面高宽比大，柱肢较薄，梁柱交接处钢 筋密集，混凝土不容易振捣密实等，因此异形柱梁柱节点比矩形柱梁柱节点就显 得更薄弱，其震害可能更为严重。但由于该类结构是近二十多年来发展起来的， 4 第一章绪论 迄今为止未见有关实际震害的报道。 为了解该类节点的抗震性能、合理构造及其设计方法，国内进行了一些试验， 取得了一系列的成果【1 6 】。归纳起来有：钢筋混凝土异形柱框架顶层边节点的受 力性能研究【1 7 ，1 8 】；异形柱和矩形柱的足尺板柱节点和梁柱节点试件在反复荷载 作用下受力过程和破坏特征【1 9 1 ；分散式配筋梁异形柱框架顶层边节点、中节点的 试验研究 2 a l ；t 形柱节点的承载力和破坏特点，以及轴压比、配箍率对节点核心 区受剪承载力和延性性能的影响【2 1 】；t 形柱节点在低周反复荷载作用下的非线性 有限元分析 2 2 2 3 1 ；不等肢异形柱框架节点抗震性能试验研究【冽。 文献 1 9 】在总结国内试验研究的基础上对影响异形柱梁柱节点抗剪强度的 因素进行了分析：( 1 ) 混凝土强度。混凝土强度是影响节点抗剪强度的一个重要因 素。混凝土强度高，则节点抗剪强度高。混凝土强度较低时，节点核心区易发生 剪压破坏。( 2 ) 轴压比。当轴压比增大时，异形柱节点抗剪强度也相应增大；但 当轴压比超过0 5 左右时，节点抗剪强度反而下降。异形柱与矩形柱节点相比， 异形柱斜压破坏时的轴压比相对较低。这主要因为异形柱节点的腹板部分较薄， 斜压机制所引起的节点核心区斜压应力相对较大所致。在轴压比大于0 5 时，无 论是剪压破坏或斜压破坏，由于节点区轴压力过大，使节点区斜向压力增加的不 利因素大于约束斜裂缝开展的有利因素，导致承载力反而降低。( 3 ) 节点箍筋。 试验研究表明：异形柱破坏时，腹板内布置的箍筋都屈服，而翼缘内布置的箍筋 一般不屈服。( 4 ) 反复荷载及双向地震作用。在非弹性变形的反复荷载作用下， 材料强度和构件刚度降低，节点梁筋粘结锚固性能退化，剪切变形加大，导致抗 剪强度和耗能能力的降低。在双向加载的情况下，节点的强度和刚度降低得很快， 梁筋较早发生粘结破坏，节点区也较早出现受压破坏。混凝土异形柱结构技术 规程【】1 ( 以下简称规程) 给出了适用的公式，并且要求抗震和非抗震时均需 要对节点进行计算。通用的工程设计软件目前尚未考虑这一问题，规程组开 发的c r s c 软件已经能够计算梁柱节点承载力，结构工程师应该对节点承载力进 行验算以保证节点设计的可靠性。这对于异形柱结构具有十分重要的作用，直接 影响到结构整体的抗震性能。 第一章绪论 1 2 3 异形柱整体结构抗震性能的研究 构件只是整体结构的基本组成部分，是研究整体结构性能的基础。整体结构 是由许多不同的构件按一定方式组合而成，其中受力、传力关系相当复杂，在研 究异形柱构件和梁柱节点抗震性能之后，就必然要求研究异形柱整体结构的抗震 性能。到目前为止，国内对异形柱整体结构的抗震性能研究主要有2 0 榀平面框 架、1 栋空间框架和l 栋异形柱框架一剪力墙结构。结构体系有纯框架、带填充 墙或支撑的框架、带转换层框架及异形柱框架一剪力墙结构等；结构形式有单层 单跨、多层多跨、完整整体结构缩尺；加载方式有静力往复荷载试验和振动台试 验。 国内进行的有关研究主要有：中国建筑科学研究院完成了两榀异形柱平面框 架结构模型的试验；天津市建材设计研究院和国家地震局工程力学研究所合作研 究，进行了1 ：3 的七层钢筋混凝土异形柱支撑框架结构模型的地震模拟振动台试 验；河北工业大学对两个空间异形柱框架和四榀异形柱平面框架模型进行了水平 反复荷载试验研究；天津大学和天津市新型建材设计院对七榀单层异形柱斜撑框 架进行了水平反复荷载试验研究 2 5 1 ，并对一个异形柱框架结构工程进行了动力特 性实测；华南建设学院西院对1 ：6 的六层基础隔震异形柱框架结构模型进行了地 震模拟振动台试验；东南大学和南京工业大学进行了一个1 ：6 的1 2 层大开间钢 筋混凝土异形柱框架模型的地震模拟振动台试验【2 6 1 ；同济大学进行了数榀异形柱 框架、异形柱斜撑结构及异形柱带填充墙框架结构的低周反复试验研究以及一个 1 ：7 的1 5 层异形柱框桁架空间结构模型的振动台试验；福州大学进行了底层为 矩形柱、2 ，3 层为异形柱的1 ：3 的3 层空间框架结构模型的低周反复荷载试验研 究2 0 0 3 年昆明理工大学、天津大学与同济大学联合进行的8 度区异形柱框架结 构及异形柱框剪结构的振动台试验【2 7 1 。文献【2 8 】八度区混凝土异形柱框架抗震性 能研究表明在保证梁柱节点完好的前提下，异形柱框架在八度区建造六层是基本 可行的，异形柱框架的底部及第二三层在地震作用下均有可能成为薄弱层，应进 行加强并采取适当措施提高其延性。 1 异形柱框架抗震性能试验与研究 文献【2 6 】对1 2 层钢筋混凝上异形柱框架结构1 6 比例模型进行了7 度设防三 类场地情况下地震模拟振动合试验。试验研究和分析表明：中高层大开问钢筋混 6 第一章绪论 凝土异形柱框架结构呈明显的粱铰机构破坏形态，节点区无明显裂缝，结构具有 较强的耗能能力和良好的抗震性能，梁端塑性铰区楼板边角为结构的薄弱部位， 在设计中应予以加强。 2 带转换层的异形柱框架抗震性能试验与研究 文献【2 9 】结合实际工程进行了7 度抗震设防9 层的钢筋混凝土异形柱框架结 构( 底层矩形柱上部异形柱的带转换层结构) 模型的振动台试验。试验表明：该9 层 ( 带转换层) 的钢筋混凝土异形柱框架结构具有较好的抗震能力，可满足7 度抗震 设防要求。虽然试验结果表明异形柱框架结构具有较好的抗震能力，但同时也应 清楚地认识到异形柱框架结构本身抗震性能的不足：t 形、l 形截面柱具有严重 的不对称性；异形柱框架结构的节点核心区较为薄弱：异形柱周长要明显大于等 面积的方形柱的周长，这使得混凝土保护层脱落后的截面削弱更为严重；受扭时 异形柱内拐角处会出现应力集中现象；异形柱由于肢长与肢厚比较大，受力时会 有一定程度的翘曲现象发生。文献 3 0 ，3 1 1 通过对一榀l 3 缩尺的三层两跨钢筋 混凝土底部矩形柱上部异形柱边框架结构迸行抗震性能试验研究，试验研究表明： 结构底层采用矩形柱，可使结构底层刚度明显增强，减轻底层的破坏程度，使各 层刚度分布较为均匀，这种转换结构抗震性能良好。文献【3 2 】制作了两榀三层1 3 缩尺比例的底层矩形柱上部异形柱的空间框架结构模型和一榀矩形柱空间框架 结构模型，并进行了双向空问静力往复试验。在试验研究和理论分析的基础上得 出如下结论：水平荷载作用下，空间框架结构的楼板沿梁边缘较早开裂：破坏时 板顶、板底己有明显的通长裂缝，这表明设计时假定楼盖的刚度无限大与实际情 况有差别，因此设计中应加强楼板的承载能力和考虑楼板的弹性刚度，异形柱框 架结构的危险截面与矩形柱框架结构一样发生在底层，危险截面没有转移n - 层 异形柱上；异形柱框架结构与矩形柱框架结构的滞回曲线都较丰满，表明底层矩 形柱上部异形柱的框架结构具有良好的耗能能力。 3 带斜撑或带填充墙的异形柱框架抗震性能试验与研究 文献【3 3 对1 2 缩尺比例、单层单跨的三榀钢筋混凝r 形柱斜撑框架和一 榀钢筋混凝土t 形柱框架在低周反复水平荷裁作用下进行了试验研究。试验结果 和研究分析表明钢筋混凝土t 形柱斜撑框架结构具有良好的抗震性能。文献1 3 4 进行了3 个轻质填充墙异形柱框架模型在反复水平荷载作用下的试验研究。研究 7 第一章绪论 表明：轻质填充墙也有较大的初始侧移刚度，不可忽略。轻质填充墙刚度衰减速 度快于粘土砖填充墙，强度也低于粘土砖填充墙。文献【3 5 】针对上海市某实际工 程，进行了三榀钢筋混凝土单层单跨异形柱框架1 2 比例模型拟静力试验。研究 发现该工程所采用的异形柱框架及相应的填充墙框架的层间变形能力介于普通 框架和剪力墙之间，既能承担较大的地震剪力，又有一定的延性，可以满足7 度 地震区的抗震设防要求。文献【3 6 】通过对1 2 缩尺的两层两跨异形柱纯框架、异 形柱框一桁架和异形柱填充墙框架各一榀进行低周反复试验研究。研究表明：异 形柱纯框架结构在设置了支撑后，承载力和抗侧刚度都有明显提高，延性性能基 本保持不变。而异形柱纯框架结构在添加填充墙后，不但承载力和抗侧刚度都有 较大提高，延性性能也有较大提高。 文献 3 7 】通过大比例模型的异形柱一板柱连接在竖向何低周往复水平荷载 作用下的试验，研究了异形柱板柱结构的抗震性能，研究表明异形柱一板柱连接 具有一定的抗震能力和延性，满足现行抗震规范对板柱一抗震墙结构弹塑性层问 位移角的限值要求，从抗震角度看将异形柱引入板柱结构是可行的。 以上研究的主要结论可归纳为： ( 1 ) 异形柱单榀平面框架或整体空间框架是典型的“强柱弱梁”结构，均能 很好地实现梁铰破坏机制，能提供与矩形柱框架结构相当的延性。 ( 2 ) 设置斜撑的框一桁架结构中，斜撑是结构耗能的主要构件。斜撑首先破 坏，然后梁、柱才出现破坏，可以将斜撑看作结构第一道抗震防线。因此，设置 斜撑的框一桁架结构属于具有多道抗震防线的抗震结构体系，具有良好的抗震性 能。 ( 3 ) 异形柱梁柱节点是薄弱环节，为确保安全，必须进行梁柱节点核心区受 剪承载力计算。 ( 4 ) 上述文献的试验结果都表明，异形柱框架结构能够抵御7 度及以下设防 烈度地震作用，具有较好的抗震性能。而在保证梁柱节点不发生破坏的前提下， 异形柱框架在八度区建造六层也是基本可行的。 8 第一章绪论 1 3 本文的主要研究内容 从上述分析来看，对普通配筋形式的异形柱构件和异形柱框架抗震性能的研 究已经比较系统和完善，但对建议配筋形式的异形柱构件和异形柱框架的抗震性 能的研究还不是特别深入和成熟，尤其是对建议配筋形式异形柱框架的整体抗震 性能的研究还是空白。因此进行建议配筋形式异形柱框架抗震研究是很有必要 的。本文主要做了以下几方面的工作。 ( 1 ) 利用m y n c 程序，分析建议配筋形式的t 形、十字形截面柱正截面承 载力变化的规律。比较建议配筋形式和普通配筋形式的n m 相关曲线和m x m y 相关曲线。 ( 2 ) 利用平面结构弹塑性地震响应分析程序n d a s 2 d 对建议配筋形式异形 柱框架进行了平面弹塑性地震反应分析，并与普通配筋形式的进行对比，分析结 构破坏特征及薄弱层。 ( 3 ) 根据本文弹塑性地震反应分析结果，得出了相关的结论，并提出了供 工程设计人员参考的一些建议。 9 第二章配形式对异形柱正截抗承载力的影响 第二章配筋形式对异形柱正截面抗弯承载力的影响 2 1 概述 文献 3 8 】进行了一系列钢筋混凝土异形柱在不变轴压力作用下施加交变水 平荷载的抗震性能试验，表明t 形截面柱在相反方向水平荷载作用下延性有较大 的差异。 莲p ￥竺斗 a - _ 6 a 舭 舷趼| v v 黝参夕勿 。 憾，峨乞刍多帕 一 阱禳 叼9 翻 图2 1 柱试件图2 - 2 水平加载点的力位移滞回曲线 图2 一l 为t 形截面柱试件，图2 2 是水平加载点的力一位移滞回曲线- f 一u 。 现考察h7 曲线。正向加荷时，试件表现出很好的延性，延性系数在到达8 以上时，试件弯矩承载力仍未下降。反向加荷时，水平荷载到达最大值后，卜 u 回线就急剧下跌，试件承载能力开始丧失，试件反向加荷的延性很差。试验时， 水平荷载交变循环逐级增加，当反向加荷到1 3 0 k n 时，t 形柱腹肢根端部混凝土 开始压碎剥落；继续循环加载，腹肢根端部混凝土大块剥落，完全压碎，最后钢 筋外鼓压曲；此时，翼肢根部有水平裂缝，翼肢根部外缘仅有少量混凝土保护层 剥落。试件正向加荷时为大偏心受压，反向加荷时为小偏心受压。常规布置配筋 的钢筋混凝土t 形截面柱在相同垂直力作用时，在相反方向水平力作用下会呈现 出大小偏心受压二种不同的受力状态。这是t 形截面柱的一个重要力学特性。其 主要原因是t 形柱在腹板受压时，受压区的混凝土宽度较小，而且受压钢筋配置 较少，受拉钢筋配置过多，导致截面受压区高度偏大，受拉钢筋很难达到屈服强 度，即使在较低的轴压比作用下，也很容易发生小偏心受压破坏。为了改善钢筋 混凝土异形柱的腹板受压时截面延性很差这一不利状况，仅仅靠降低轴压比限值 是远远不够的，而且在实际工程中也很难实现。因此必须要从异形柱的受力情况 1 0 第二章配形式对异形柱正截抗承载力的影响 出发，研究其截面内的应力应变分布的情况，通过该截面的尺寸、考虑周边钢筋 的作用、加大腹板端部配筋或在腹板端部设置暗柱、采用纤维混凝土等方法来提 高异形柱的截面延性。 本文研究了加大腹板配筋的情况即不同配筋形式下的t 形、十字形两种异形 截面柱的正截面承载力。所谓的不同配筋形式( 图2 3 b 图2 7 b ) 是相对于普 通配筋形式( 图2 3 a _ 图2 - 7 a ) 而言的。为明确起见以下将“不同配筋形式”称 为“建议配筋形式”。普通的配筋形式在内折角处也布置了受力钢筋，而建议配 筋形式保持截面尺寸、材料强度等级以及截面总配筋率不变，只是将普通配筋形 式中内折角处的受力钢筋移到了腹板的肢端，内折角处配置构造纵筋，从而相对 的提高了腹板的肢端配筋率。 图2 3 ( a ) 普通配筋形式( 1 0 根)图2 - 3 ( b ) 建议配筋形式( 1 0 根) 图2 4 ( a ) 普通配筋形式( 1 3 根)图2 4 ( b ) 建议配筋形式( 1 3 根) 第二章配形式对异形柱正截抗承载力的影响 图2 - 5 一( a ) 普通配筋形式( 1 2 根) 图2 - 5 ( b ) 建议配筋形式( 1 2 根) 图2 - 6 ( a ) 普通配筋形式( 1 6 根)图2 - 6 ( b ) 建议配筋形式( 1 6 根) 图2 7 ( a ) 普通配筋形式( 2 0 根)图2 7 ( b ) 建议配筋形式( 2 0 根) 2 2 异形截面双向偏心受压柱正截面承载力计算原理 2 2 1 基本假定 1 截面平均应变保持平截面假定【3 9 1 ： 试验表吲札4 2 1 ，对l 、t 、十字形截面双向压弯柱，从开始加载到压弯破坏， 无论受拉破坏，还是受压破坏，并且不管弯矩作用方向角如何，用较大测量标距 1 2 第二章配形式对异形柱正截抗承载力的影响 的应变计测得的压弯柱截面的平均应变均较好地符合平截面假定。 2 压区混凝土的应力一应变关系采用混凝土结构设计规范【4 3 删的规定， 即抛物线加平直线模型。 混凝土受压应力一应变关系曲线方程为： 当乞岛时( 上升段)吼= z 【1 一( 1 一匀4 】 6 0 当s o 髟时：吒= 乃 当乞t+it ( c ) 七+ 七 图3 1常加速度法t ，+ 垃内位移、速度、加速度曲线 3 3 3 刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵 1 刚度矩阵 单元节点位移与单元节点力的关系方程式中的系数称为单元刚度系数，这些 系数组成的矩阵称为单元刚度矩阵。这些单元矩阵是建立在单元局部坐标系的。 为了将单元刚度装配到整体刚度中去，还需要建立单元局部坐标系到整体坐标系 的坐标转换矩阵，在将单元刚度装配到整体刚度之前，要先使用该坐标转换矩阵 将局部坐标系上的单元刚度矩阵转换到结构整体坐标系上去。结构整体刚度是由 各单元的刚度合成的，它是按照“对号入座”的方法装配而成的。“对号入座” 3 2 第三章结构弹塑性地震反应分析 的方法是按照各单元的每个自由度在整体方程中的编号，将该自由度的单元刚度 系数装入到整体刚度矩阵的相应位置，由此形成结构整体刚度矩阵。具体形成和 装配方法可参考相关教材【孤5 1 1 。 2 质量矩阵 结构质量矩阵形成时，将单元的质量平均地集中在单元的每个节点上，每个 可动节点均可看作一个质点，因此只有在结构的平移自由度方向才有惯性力，转 动方向的惯性力为零，如此所得到的是集聚质量矩阵，它是个对角矩阵。然后将 这样的单元质量矩阵按各单元的每个自由度在整体方程中的编号，将该自由度的 单元质量系数装入到整体质量矩阵的相应位置。由此形成结构整体质量矩阵，该 矩阵也是个对角矩阵。 3 阻尼矩阵 结构阻尼特性反映了体系在振动过程中能量的耗散性能，是研究动力反应问 题的一个必不可少的重要方面【5 2 1 。按照产生阻尼的原因可分为内阻尼和外阻尼。 由于材料内部或结构构件连接之间的摩擦作用产生内阻尼，从而导致能量损耗而 使振动衰减，所以内阻尼又分为材料阻尼和结构阻尼；由于结构体系与外部环境 介质相互作用，则产生外阻尼。由于阻尼随结构形式、材料、几何尺寸、构造、 荷载等多种因素变化，致使阻尼值非常离散。因此如何找出其主要影响因素和统 计规律，建立起工程上可用的较为合理的阻尼矩阵，一直是国内外科研难题之一。 近百年以来研究发展形成了几种阻尼力理论，常见的有粘滞阻尼、复阻尼等理论。 工程中常采用粘滞阻尼，粘滞阻尼理论假定阻尼与变形速度成正比，无论对简谐 振动还是非简谐振动得到的振动方程均是线性方程，不仅求解方便而且能够方便 地表达阻尼对频率、共振的影响，是应用最为广泛的阻尼模型。它是根据总质量 矩阵和当前时刻的总切线刚度矩阵确定的。根据瑞雷阻尼理论， 【g 】- 引m 】+ 纠砗】 ( 3 - 1 5 ) 口= 掣 t 一t 夕= 群 其表达式口、一分别为与质量和刚度有关的阻尼系数： 3 3 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) 第三章结构弹塑性地震反应分析 互，乃分别为第i j 振型周期； 丑，乃分别为相应于第i j 振型时的阻尼比。 对于钢筋混凝土结构，一般取 = 乃- 0 0 5 则有： o 2 万 口= 一巧+ 乃 0 0 5 z z 肛赫； 3 3 4 杆件单元模型 ( 3 - 1 8 ) ( 3 1 9 ) 针对杆系模型，各国学者已提出多种单元模型以求准确模拟各类构件的弹塑 性性质。以下4 种模型目前具有一定的代表性【4 8 5 3 5 5 】： ( i ) 单杆模型。g i b e r s o n ( 1 9 6 7 ) 建议的单杆模型是在一弹性直杆两瑞分别连接 一非线性转动弹簧，单元的弹塑性变形集中在这两个弹簧上。该模型的特点是简 单灵活，因而得到较广泛的应用。它的缺点是对构件的变形形状有限制，应用于 受重力荷载为主的梁单元将产生较大误差。 ( 2 ) 多杆模型。c l o u g h 和j o h n s t o n ( 1 9 6 6 ) 提出了有名的双杆模型，它是由一根 弹性直杆和另一根平行的两端带有理想弹塑性弹簧的直杆共同构成。该模型的优 点是对杆件单元的变形形状没有限制，对梁单元也可适用，缺点是只能代表简单 的双折线屈服骨架曲线。n d a s 2 d ，d r a i n 2 d ，i d a r c 2 d 等程序就采用这种模 型。 ( 3 ) 分布柔度杆模型。由于钢筋混凝土构件的开裂及屈服特性，其塑性区长 度是随着荷载而变动的，柔度沿杆长呈复杂的分布形状，对这种分布加以合理的 简化通过对m e i 图积分可求得杆瑞的弯矩一转角关系，从而建立单元刚度矩阵。 ( 4 ) 弹簧组合体杆模型。对于结构三维非线性分析中的竖向构件来说，双向 弯矩和剪力、轴力之间的耦合作用不容忽视。l a i 等人( 1 9 8 4 ) 提出了一种弹簧组 合体杆模型。它由一根线形直杆与其两端的弹簧组合体构成，其中每根非线性轴 向弹簧可分别代表杆端截面上的钢筋或混凝土各区块的作用，整个弹簧组合体的 变形受平截面假定的控制。目前比较先进的c a n n y 程序就采用这种模型。 34 第三章结构弹塑性地震反应分析 3 3 5 构件恢复力模型和屈服模型 1 单元恢复力模型 梁柱单元屈服仅发生在单元端部，用塑性铰表示。假设单元是由两个分别为 弹性、理想弹塑性的分量合并组成的来近似考虑应变硬化效应。恢复力模型如图 3 - 2 a 所示( 图中为m 弯矩、为口截顽转角) 。在常数弯矩作用下，理想弹塑性分 量的铰屈服，但弹性分量的弯矩继续增加。刚度退化梁单元专为钢筋混凝土粱设 计的，模拟受到往复地震作用时，钢筋混凝土梁所表现出的弯曲刚度退化的特征。 该单元屈服仅发生在单元端部，用塑性铰表示。单元的材料应变硬化效应和弯曲 刚度退化效应通过假想两端带有非线性转动弹簧的线弹性梁来近似，恢复力模型 如图3 2 b 。 2 相互作用屈服模型 ( a ) 混凝土梁屈服模型 在利用n d a s 2 d 进行结构弹塑性动力分析中，使用了柱单元和梁单元两种， 构件的屈服面模型即轴力一弯矩屈服关系分为二类。 ( 1 ) 框架梁类型：这种类型仅考虑弯矩对截面屈服的影响，该类型适用于轴力 很小或轴力可以忽略不计的情况。对于这种情况，屈服仅由弯矩造成，如图3 ，3 a 所示，图中横坐标为弯矩，纵坐标为轴力，的+ ( m y - ) 为正( 负) 极限受弯承载 力。 ， 3 5 第三章结构弹塑性地震反应分析 ( 2 ) 混凝土柱类型：这种类型屈服面供钢筋混凝土结构使用。如图3 3 b 所示， 图中横坐标为弯矩，纵坐标为轴力，b y e (