关于异形柱框架结构抗震性能的研究

关于异形柱框架结构抗震性能的研究

徐程

广东省轻纺建筑设计有限公司 510000

摘要: 本文针对异形柱结构底部易形成薄弱层的问题，提出了底部肢长加大的异形柱结构和底部矩形柱上部异形柱的框架结构两种方案，并对二者进行了整体抗震性能研究。本文介绍了异形柱结构的基本概念和设计原则。采用PKPM结构设计软件对二者进行内力计算和配筋。采用SAP2000有限元软件建立模型，首先对二者进行基本的动力特性分析，采用振型分解反应谱法进行不同方向的地震力计算；得出二者在弹性阶段的抗震性能相似。采用非线性时程分析方法，研究二者在罕遇地震下结构的薄弱层以及整个结构的屈服破坏机制，发现底部矩形柱上部异形柱结构呈现出良好抗震性能。通过改变结构的底部层高，研究底部层高的改变对二者在弹塑性阶段抗震性能的影响程度。

关键词: 矩形柱；异形柱；弹性；弹塑性；时程分析

1.1 概述

近年来，随着经济的快速增长，高层住宅在工程建设中发挥了极其重要的作用，在一定程度上解决了人们对于住宅的刚性需求。随着生活水平的不断提高，人们对于住宅的要求也越来越高，现代住宅要求大空间，室内不出现柱愣，不露梁等。异形柱结构出现，满足了现代住宅的要求，得到广泛推广。混凝土异形柱主要以T形、L形、十字形的异形柱截面作为竖向支承构件。异形柱是从短肢剪力墙向矩形柱过渡的构件,柱肢截面的肢厚比(即肢长/肢宽，肢高/肢厚)不大于4。

对于异形柱受力性能从理论到实践，都形成了相当完善的体系，然而对于异形柱的抗震性能还存在各种争议，国内外的学者从不同角度对钢筋混凝土异形柱结构体系的抗震性能进行了深入的试验研究，对异形柱结构的受力性能和变形性能有了更进一步的了解。

2.1 本文算例

本文设计了5层底部肢长加大的异形柱结构和底层矩形柱上部异形柱的框架结构，以二者为研究对象，进行结构的抗震性能分析。其总高16.2 m，平面图剖面图见图4.1-4.6 。本算例设防烈度为8度，不计风荷载作用，设计地震分组为第二组，场地类别Ⅱ类，据《异规》3.3.1，结构抗震等级二级。

本算例中模型一为五层5跨 2跨（0.2g），底层层高4.2m，其上层高均为3m的底部肢长加大的异形柱结构；模型二为五层5跨 2跨（0.2g），底层层高4.2m，其上层高均为3m的底部矩形柱上部异形柱的框架结构。

模型一底层平面布置图（单位：mm）

模型二底层平面布置图（单位：mm）

3.1 线性分析结果对比

轴压比对比：两种结构轴压比均较小，延性性能良好，对抗震将产生有利影响。

刚重比对比：由于异形柱相对于矩形柱而言，刚度具有差异性和不对称性，故本结构中配筋较普通框架结构较大，导致异形柱结构的整体刚重比相对较大，但依然是符合规范要求的。

模型的模态分析结果对比：模型一与模型二的周期相差不多，结构自振周期一定程度反应了结构地震响应特性，此处可初略判断，二者在水平地震作用下会产生相近的动力响应

反应谱分析结果对比：模型一与模型二在弹性阶段，反应谱法计算的地震响应特性相似。

弹性时程分析结果对比：对模型一和模型二分别进行EL地震波、taft波以及人工波的输入，选择X、Y单向加载以及X45°方向加载，XY双向加载这几种分析工况，得到两种模型在弹性时程分析时，动力响应的相似性。

3.2 非线性分析结果对比

基于线性分析时，当地震动Y向加载时，结构产生的地震效应相对于其他方向的加载比较强，故对Y向地震动加载为主要分析。同时，基于EL波加载时，两模型产生的地震响应较好，仅采用EL波进行罕遇地震分析。

无论是正向层间位移值还是负向层间位移值，模型一和模型二的底层层间位移相对于第二层层间位移值都比较小，说明模型一和模型二的薄弱层都是第二层，而模型二中底层和第二层的层间位移比值相对模型一较大，可以推断当采用矩形柱时，刚度布置更为合理，一定程度上抑制了薄弱层的损害程度。在实际结构中，应加大本层抗震构造要求，或者调整上部异形柱刚度。

当结构的底层采用肢长加大的异形柱时，底层层间位移值明显小于底部采用矩形柱时层间位移值，对结构有利，克服了底层层间位移过大的问题。

模型二的层间位移曲线图相对模型一较陡峭，即曲线的斜率相对模型一较大，模型二的整体刚度分布更加均匀，更好的发挥了结构的抗震耗能作用。

4.1 小结

1. 由于异形柱的自身特点，加载角度的不同对异形柱正截面承载力影响较大。当底层层高为4.2m时，采用了X单向、Y单向、与X夹角45°、与Y夹角45°方向和XY双向加载地震动，双向地震动实际出现可能性较小，故最终不作考虑。与X夹角45°以及与Y夹角45°计算所得的地震力均介于X单向加载和Y单向加载得到的地震力之间。由此得到在两种结构体系中，因Y向整体刚度最小，最终得到结构在Y单向加载时结构体系不利。

2. 当对结构进行Y向地震动输入时，底部肢长加大的异形柱结构和底部矩形柱上部异形柱的框架结构，在弹性阶段，二者计算所得的楼层位移值、层间位移和地震剪力等无明显差别，地震响应趋于一致。二者的弹性层间位移角符合规范要求。

3. 针对两种结构体系，选取了三种地震波，分别为EL波、taft波以及一组人工波，计算发现当采用EL波时，结构计算的基底剪力值与中国规范用反应谱法计算结果接近，故进行非线性时程分析时，采用EL波加载。

4. 在EL波地震作用下，对两种结构体系进行弹塑性时程分析，对比分析结果发现，两种结构体系均能有效克服异形柱结构底层出现薄弱层的情况。并且底部采用肢长加大的异形柱时，效果更加明显。当底部层高设置为3.9m时，对底层位移的控制效果最好。

5. 底层层高由3m向4.8m的变化过程中，底部采用矩形柱的结构的层间位移差值变小，刚度分布更加均匀，结构抗震耗能性能优于底部肢长加大的异形柱结构。

6. 底层层高由3m升至4.8m，虽两种结构均出现了薄弱层，薄弱层位置处于结构的楼层二、三层范围内，但是当底部采用矩形柱时，层刚度突变程度明显小于底部肢长加大的异形柱结构。当底部层高处于3.9m以后，薄弱层呈上移趋势，对结构形成有利影响。

7. 针对二者的顶点位移时程图，底部矩形柱上部异形柱框架结构的顶层楼板位移在平衡位置振动，而底部肢长加大的异形柱结构明显偏离了平衡位置。

8. 二者的弹性层间位移角和弹塑性层间位移角均符合规范限值。在地震动加载的整个过程中，底部矩形柱上部异形柱的框架结构在梁上出现塑性铰的时间明显滞后于底部肢长加大的异形柱结构，表明底部采用矩形柱时结构抗震性能较好。二者在加载过程中，柱上均未出现塑性铰，符合“强柱弱梁，更强节点”的抗震要求。

参考文献:

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