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1、第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年带型钢混凝土转换层框架结构静力弹塑性分析裘涛周建炉秦从律( 浙江大学建筑设计研究院，浙扛杭州3 1 0 0 2 7 )王翠坤肖从真刘智( 中田建筑科学研究院建筑结构所北京1 0 0 0 1 3 )摄要；P u s h o v e r 分析方法是一种有效的结构弹塑性分析方法以某一带型钢混凝土转换层结构的工程为背景，结合型钢混凝土转换框架拟静力试验和整体模型的振动台试验研究成果，分别对单榀型铡混凝土转换框架和大楼整体模型进行P u s h - o v e r 分析，研究这种新型转换结构在地震力下的弹塑性受力特性以及其对整体框架的弹塑性受力的影响
2、。关键词：P u s h - o v e r 分析，弹塑性分析方法，拟静力试验。型钢混凝土转换框架1 前言由于建筑朝着高层和超高层形式发展，相应转换层结构中转换构件承托的层数也增多，同时，又由于建筑上对层高及空间的种种要求和限制，这使得工程应用中对型铜混凝土材料的引入势在必行。相对而言，型钢混凝土不仅承载力高，刚度好，可大大减少截面尺寸，且延性、耐久性和抗震性能也优于钢筋混凝土。跨度大、多跨式型钢混凝土转换结构是普通小跨度、单跨式型钢混凝土梁式转换层结构的发展和延伸，对它的动力弹塑性方面的研究尚不完善。同时，存在由型钢混凝土构成的转换层与上、下层普通框架层衔接的问题，这就需要通过动力试验和相关
3、理论分析，从结构整体上考察在地震力下型钢混凝土转换层的影响规律。本文运用P u s h - o v e r 方法，开展了对型钢混凝土转换层结构的静力弹塑性分析，通过分析研究，研判带型钢混凝土转换层建筑结构在地震力下的薄弱环节，以及在整体结构中抗震受力特点2P u s h - o v e r 分析方法塑性铰的类型和位置的选择是P u s h - o v e r 分析方法中最为关键的一步。由于P u s h o v e r方法是一种简化的评估方法，它能在某种近似程度上了解结构在强震作用下的弹塑性强度能力，该方法也可找出结构中可能存在的薄弱部位。P u s h o v e r 法的目标是获得弹性动力
4、裘涛，男。1 9 4 4 1 2 出生，教授级高工，总工程师5 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年反应分析法或者弹性反应谱法所不能得到的某些结构响应特征，即获得在可能遭遇地震作用下的结构构件的内力、结构整体或局部变形等“”。2 1 塑性铰的类型与位置在P u s h - o v e r 分析中，通常考虑以下五类塑性铰“。：纯弯塑性铰( M o m e n tH i n g e ) 、轴力塑性铰( A x i a lH i n g e ) 、剪切塑性铰( S h e a rH i n g e ) 、扭转塑性铰( T o r s i o nH i n g e ) 、压( 拉)
5、弯塑性铰( P M 2 - ) 4 3H i n g e ) 。对于同一根杆件，允许同时有多种塑性铰参与组合，而对于不同位置和功能的杆件，参与组合的塑性铰类型通常是不同的。对于普通框架结构中的柱，通常要考虑双向弯曲与轴向荷载的相互作用宜采用压( 拉)弯塑性铰( P - M 2 - M 3H i n g e ) ，而框架粱只考虑其在框架平面内的刚度贡献，宜采用纯弯塑性铰( M o m e n tH i n g e ) ；对于短柱和深梁，可能还应将剪切塑性铰( S h e a rH i n g e ) 参与组合；对于由剪力墙或筒体转化而来的等效柱，应以压( 拉) 弯塑性铰( P M 2 埘3H i
6、 n g e ) 和剪切塑性铰( S h e a rH i n g e ) 组合；对于框架结构，只需在柱端和梁段产生足够数量的弯曲塑性铰，结构就可以转化为一个机构。对于纯弯塑性铰或压( 拉) 弯塑性铰，一般可假定出现在距杆端nL 和( i d ) L 位置，以考虑节点不发生破坏的假定( L 为扣除剐域长度后的杆件长度，建议取0 0 5 ) ，对于其他三类塑性铰，则通常可假定塑性铰出现在杆件中部。2 2 恢复力模型的确定塑性铰特性是用构件的恢复力模型来描述的。三线型D - T R I 模型( D e g r a d i n gT r i L i n e a r ) 考虑了刚度退化，能较好地描述钢
7、筋( 钢骨) 混凝土构件受力全过程，本文采用D - T R I 恢复力模型计算分析结构的弹塑性受力性能。钢筋混凝土框架构件计算及试验表明，钢筋混凝土框粱、柱的恢复力特性一般可采用纯弯塑性铰( M o m e n tH i n g e ) 或拉( 压)弯塑性铰( P M 2 - M 3H i n g e ) 描述，截面受拉破坏( 受弯及大偏心受压截面) 的M 一由关系曲线可以简化为图1 所示的考虑刚度退化的三折线性模型“1 。各特征点弯矩和曲率( 转角) 值的计算参看文献 6 。计算型钢混凝土构件的屈服和极限转角时，考虑了型钢与混凝土之间的粘结一滑移效应。2 3 水平力分布模式为了得到较好的评估
8、结果，水平荷载模式的选择要比确定目标位移值更为重要。水平荷载模式不仅与抗震设计中惯性力的分布相联系并要求能表现惯性力分布特征。很显然，惯性力是随着地震烈度不同( 非弹性变形和程度) 或同一地震不同时间点的变化是不同的。如果采用一个恒定的荷载模式，首先要假定惯性力分布在地震过程中是不变的，同时假定由这种不变的荷载模式推算得到的最大变形应该与按抗震设计所预估的结果有可比性。只5 6 1 第十九届全国商层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年要满足下述条件上面的假定才是合理的：载模式下，结构仅有一种荷载屈服机制。目前，在推覆分析中水平力分布模式有6 种，相比而言，振型分解反应谱法水平力分布模式晟接近
9、实际情况。因此，采用这种水平力分布模式来解决下文关于型钢混凝土转换结构的算例。a ) 结构反应受高振型影响不大；b ) 在恒定荷3 型钢混凝土高层建筑结构推覆分析P u s h - o v e r 分析方法是一种有效的结构弹塑性分析方法。在下文中以浙江省电力大楼型钢混凝土转换层结构的工程为背景，结合型钢混凝土转换框架拟静力试验和整体模型的振动台试验研究成果”1 ，分别对单榀图I 钢筋混凝土构件w 一毋关系曲线型钢混凝土转换框架和B 座整体模型进行P u s h - o v e r 分析，研究这种新型转换结构在地震力下的弹塑性受力特性以及其对整体框架的弹塑性受力的影响。3 1 对转换框架进行静力
10、弹塑性( P u s h o v e r ) 分析对一榀型钢混凝土转换框架进行P u s h - o v e r 分析，并将分析结果与拟静力试验得到的试验结果对比，以检验P u s h o v e r 分析方法用于型钢混凝土转换框架结构中的可行性。3 1 I 试验模型的简介拟静力试验模型为一个两层三跨型钢混凝土梁式转换框架结构，试验模型梁、柱立面见图2 所示。厂n广_1凸r1W I U “L w k 4“ 一“厂l Z 8 d 4 0 0到山1 。：o I_ 1 砸 ，I证r 、_ 。 廿札1Z 2Z 1广地梁i 6 0 01 6 0 06 4 o o圈2 两层三跨型钢混凝土转换框架试验模型5
11、 6 2第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年拟静力试验情况说明：( 1 ) 在柱顶和反力架之间安设油压千斤项，对柱施加竖向荷载以模拟柱中轴力。M Z l和8 2 3 柱分别旎加6 0 0 k N 和3 4 0 k N 的竖向荷载，在M Z 2 柱顶部采用张拉预应力筋的方式施加3 3 0 k N 竖向荷载：( 2 ) 在M Z l 和M z 3 柱顶部施加竖向荷载的油压千斤顶与反力架之间增设了滚轴装置，以保证框架能在水平方向上自由变位；( 3 ) 框架柱超出二层梁一定高度，以减小油压千斤顶在施加竖向荷载时对框架产生的约束作用：( 4 ) 通过拉压千斤项在转换框架一、二层梁施加水
12、平反复荷载。3 1 2P u s h - o v e r 分析采用的计算模型利用程序S A P 2 0 0 0 对结构抗震破坏评估进行P u s h o v e r 分析，在确定计算模型时，考虑如下几点：( 1 ) 型钢混凝土梁、柱单元均采用型钢与混凝土自定义截面组合的单分量杆单元，认为杆件塑性变形全部集中于预先设定的“可能塑性铰”处，其余部分只有弹性变形；( 2 ) 按构件实际尺寸及实配钢筋和型钢，计算各构件的恢复力模型曲线；( 3 ) 拟静力试验时，施加竖向荷载的装置会约束柱顶转动。为了能与拟静力试验对比，P u s h - o v e r 分析计算模型的柱顶转动自由度被约束住；( 4 )
13、 考虑二次矩影响，既考虑“P 一厶”效应：( 5 ) 水平荷载作用在一、二层梁的左端节点施加。3 1 3P u s h o v e r 计算与拟静力试验结果对比拟静力试验得到水平推力荷载与顶层水平位移( P 一6 ) 关系中的水平推力P ，但P u s h - o v e r 计算结果是基底剪力与顶层位移( Q 一6 ) 关系中的基底剪力Q ，这两者的区别在于水平推力荷载P 实际上是由两部分组成；一是基底剪力0 ：二是安设在柱顶的滚轴装置与反力架之间的水平摩擦力f 。( 1 ) 磨擦力f 确定为了能够了解在实际水平力下的转换框架的抗震性能需要扣除这部分磨擦力。通过试验研究测得3 4 0 k N
14、 和6 0 0 k N 竖向压力下的磨擦系数分别为0 0 8 3 8和0 0 8 5 3 ，可计算出水平磨擦力为：f = 2 x 6 0 0 x O 0 8 5 3 + 3 4 0 x 0 0 8 3 8 = 1 3 1 k N - 将拟静力试验结果中水平推力P 扣除相应的磨擦阻力f ，可得到修正的水平推力P 。其中P 就是Q 。( 2 ) 对比分析在进行P u s h - o v e r 分析中，水平力加载模式采P 2 ：P l = 1 5 ：1 ，式中，P 2 、P 1 分别代表图2 中转换框架第2层和第1 层水平推力由于拟静力试验中项层位移为1 5 ，5 m m 时。型钢混凝土转换框架结
15、构骨架曲线雪百 嚣 嚣图3 底部剪力与顶层位移关系曲线对比5 6 3 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年中并没有明显的屈服现象。为了得到型钢混凝士转换框架屈服状态下的骨架曲线，特别放大目标位移3 5 r a m ，按目标位移控制法进行计算。得出基底剪力与顶层位移( Q - 6 ) 关系。图3 给出了P u s h - o v e r 分析结果及拟静力试验结果的对比。由图3 可知，用P u s h o v e r 分析模拟的结果较好，并反映出型钢混凝土转换框架具有很好的延性；在P u s h o v e r 分析中型钢混凝土框架结构的整体延性发展得较为充分；水平位移达1 5
16、2 m m 时，P u s h - o v e r 分析和拟静力试验的水平力分别为8 1 3 k N 和8 7 l k N ，两者基本接近。( 3 ) 破坏机构P u s h o v e r 分析后，可得到每一水平侧移步下的转换框架的粱、柱出铰顺序在图4 中给出了拟静力试验和P u s h - o v e r 分析在目标位移下的出铰情况对比。若排除柱项竖向加载装置带来的顶层出铰差异以及施工中的一些不确定因素，可近似认为在水平位移6 = i 5 1 5 m m 时，转换框架拟静力试验和P u s h - o v e r 分析得出的出铰机制是相同的，均为转换梁下柱和转换托柱的柱出铰机制。转换框架第二层柱( 除转换托柱以外) 上、下端截面均没有出现屈服塑性铰，表明，二层整体抗侧移刚度相对很大。同样地，三种状态下分析表明，转换大梁仅出现开裂。铰，而非屈服塑性铰，符合“强转换梁弱框架柱”的结构设计要求。t ：十# t “悍a ) 纂蔓t I6 =
