型钢混凝土框架结构量化性能指标的理论分析.pdf

第 2 8卷第 3期 2 0 1 1 年 9月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t V0 1 2 8 No 3 S e p 2 01 1 型钢 混凝 土框 架结构量化性 能指标 的理论分析 唐六九 ( 西北电力设计院， 陕西西安7 1 0 0 7 5 ) 摘要： 结构的层问变形由框架梁、 柱和节点共同引起， 通过分析三种构件产生的层间转角大小， 得到钢筋混凝 土框架结构 的层 间屈服 位移 角计 算公 式 ， 对 比表 明， 公式计算结果和试验数据 吻合较好 。采用相 同的假设 和方 法， 分析提出型钢混凝土( S R C) 框架结构的层间屈服位移角表达公式， 并按照各个性能水平极限状态之间的关 系， 提出具有一定概率保证的 S R C框架结构的量化性能指标 ， 为此种结构体系基于性能的抗震设计提供理论 基础 。 关键词 ： 型钢混凝土框架 ； 性能水平 ； 层间屈服位移角 ； 量化性能指标 中图分类号 ： T U 3 9 8 文献标 识码 ： A 文章编 号 ： 2 0 9 5 -09 8 5 ( 2 0 1 1 ) 0 3 - 0 1 9 3 - 0 3 型钢混凝土( S R C) 结构充分发挥 了钢和混凝 土两种材料的优 良特性 ， 在我 国将具有非常广阔 的应用前景。目前 ， 国内外主要针对 S R C结构的 强度计算开展研究 l 】 J ， 随着抗震性能设计理论 的 发展 ， 人们意识到这种传统 的基于力的设计方法 存在缺陷 ， 开展基于性能的 S R C结构抗震设计则 更加科学合理 。 确定型钢混凝土结构的量化性能指标是实现 其基于性能抗震设计的前提和关键。王秋维等将 型钢混凝土结构的性能水平划分为正常使 用 、 暂 时使用 、 生命安全 和防止倒塌 四档 J ， 并通过 分 析国内外大量 S R C柱和平 面框架 的试验研究 资 料 ， 将型钢混凝 土框架结 构四个性能 水平对 应的层 问位移 角限值确定 为 1 3 2 0 、 1 1 5 0 、 1 7 5 和 1 3 0 。然而， 即使为同类结构 ， 由于配钢特征 、 几何特征和受力特征 的不同 ， 结构或构件 的变形 能力还是存在很大差异 ， 因此还需要建立 S R C框 架结构变形能力计算的力学模 型， 从理论上提 出 其量化性能指标的计算公式 。 1 R C框架结构 的屈服层 间位移角 本文拟从 R C框架结构层间屈服位移角计算 公式的原理出发 ， 分析得出 S R C框架结构屈服状 态的层间位移角计算公式 ， 进而提出其 四个性能 水平对应的量化指标。S R C框架结构的屈服状态 目前还没有明确界定 ， 但大多数学者认 为型钢翼 缘或纵筋屈服标志着结构完全进入屈服状态， 本 文定义出现剪切或弯曲裂缝到型钢或纵筋屈服为 结构 的屈服阶段 ， 可见屈服状态对应于 S R C框架 的暂时使用性能阶段。 理论分析表 明l 1 0 ， R C结构 的屈 服层 问位移 角与配筋率和钢筋强度无关 。图 1 ( a ) 为典型框 架结构节点示意图 ， 其中节点左右各取 1 2梁跨 长度 ， 上下各取 1 2柱高 ， 节点的转角即为框架的 层问位移角； 图 1 ( b ) 为框架结构层间转角组成的 示意图， 可 以看出 ， 结构的层间变形 由框架梁的弯 曲和剪切变形 、 框架 柱的弯曲和剪切变形以及节 点的剪切变形组成。对于框架结构 ， 梁的跨度一 般大于柱高 ， 且梁的曲率大于柱 的曲率 ， 因此梁的 弯曲变形是层间变形的重要一部分 ， 则图 1 ( b ) 中 的屈服位移角 可以用下式表示 ： 0 y =0 “+ + 2 A H + 2 A H c ( 1 ) 其 中， 和 分别为梁的弯曲变形和节点剪切变 形引起的转角 ； A 为柱顶相对侧移引起 的节点切 线转角 ； 为 梁柱剪 切变 形引起 的柱顶 相对侧 移 ； 为每层的柱高。 为了考虑纵筋应变对层问转角 0 的影响， 假 设框架梁的曲率从节点 向两边跨 中位置线性折 减 ， 直至节点两边框 架梁跨 中处 的曲率为 0 。框 架梁在节点两侧的曲率分布如图 1 ( c ) 所示 。 则框架梁弯曲变形产生的层间位移角为 ： ： ： ( 2 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 7 - 2 4 作者简介 ： 唐六九 ( 1 9 8 1 - ) ， 男 ， 安徽枞阳人 ， 工程师， 研究方 向为混凝 土结构及其抗震 ( E ma i l ： t 5 1 3 s i n a c o n) l 9 4 土木工程与管理学报 2 0 1 1年 ( a )梁柱节点的尺寸 和受荷方式 ( b )层 问变形组分 ( c )框架梁的曲率分布 图 1 框架结构层间变形的构成 当忽略应变硬化并考虑梁的正负弯 曲时 ， 框 架梁的无量纲曲率为 ： = h6 e =1 7 1 0 即 ： =1 7 e h 6 ( 3 ) 将式( 3 ) 代人式( 2 ) ， 得 ： = 0 2 8 3 e r L b (4 ) 假设典型 R C框架结构 的柱高与梁跨度之 比 为 0 5 5 ( 例如层高 3 3 m对应开问 6 m) ， 取框架 柱的最大曲率为 0 7 5 0 y ， 则此时柱的侧移 引起 的层间位移角约等于 0 4 0 结合实际结构进行 更进一步假定 ， 按 同样方法可得节点变形引起 的 层问位移角为 0 2 5 0 h 以及构件剪切变形 引起 的 层间位移角为 1 0 因此 ， 钢筋混凝土框架结 构的层问屈服位移角为 ： = ( 1 0+ 0 4+0 2 5+ O 1 ) o 2 8 3 - 0 5 ( 5 ) 对 4 6个 R C框架结构 的屈服层 问位移角试 验结果进行分析 ， 公式计算结果 与试验数据的对 比情况如图 2所示。其 中， 散点为不同试验采集 到的层间屈服位移角 ， 直线为本文公式计算结果 。 另外 ， 试验模型框架 的相关参数变化范围为： 柱高 与梁跨度之 比 儿 为0 4 0 8 6 ， 混凝土抗压强 度 为 2 2 58 8 MP a ， 梁 中钢筋 的屈服强 度为 2 7 66 1 1 M P a ， 梁的配筋率为 0 5 3 3 9 ， 柱 的试验轴压 比为 00 4 8 3 ， 可见 ， 试验数据 基本 考虑了实际工程的常见变化参数。 1 5 0 1 2 5 1 O O g 基 星葛0 7 5 蚤 笔 日 O 5 0 0 25 O 一 ： 试 验 数 据 一 公 式 计 算 0 0 2 5 0 5 O 0 7 5 1 0 0 1 2 5 1 5 0 t h e o r e t i c a l d r i ft r a t i o ( ) 图2 R C框架试验层问屈服位移角与理论值的比较 从图 2可 知， 公式( 5 ) 预测得到 的屈服层 间 位移角和试验结果存在着较好一致性 ， 试验屈服 位移角与公式计算 结果之 比为 1 0 3 ， 标准差 为 0 1 6 ， 由于所考虑的参数范围较广， 则图中的分散 带基本达到满意程度。需要说明的是， 搜集到的 试验资料中， 有两组结构在层 间屈服位移角达到 1 5 时， 框架梁在柱的节点区域发生了滑移从而 导致层间位移角偏大 ， 但在求平均值时考虑了这 种偏差造成的影响。 上述方法和步骤同样适用于钢结构 。对于钢 框架结构 ， 其有效屈服曲率为 0 y = 2 2 8 h ， 将此 值代人公式 ( 2 ) 得钢梁产 生的层 间屈 服位移角 为 ： ， r 、 = 0 3 6 7 e f -b I ( 6 ) 、， 6 ， 采用相同的假设， 可得节点转角以及柱的弯 曲和剪切变形引起的层间屈服位移角； 进而叠加 求得钢框架结构的屈服层间位移角表达公式为： ， 、 0 = 0 6 5 f l ( 7 ) 几 6， 因此 ， 本文在考虑各种变形成分的基础上， 提 出 R C框架结构和钢结构的层间屈服位移角建议 计算公式为： R C框架结构 第 3期 唐六九：型钢混凝土框架结构量化性能指标的理论分析 1 9 5 0 y = 0 5 e y 钢框架结构 0 I 6 5 2 S R C框架结构的量化性能指标 型钢混凝土结构具有钢筋混凝土结构和钢结 构的共同特点 ， 其受力和变形性能介于这两种传 统结构之问。大量试验表明 ， S R C柱的力一 位移滞 回曲线收敛于纯 I 字钢柱 ， 因此推断型钢混凝土 结构的性能与钢结构更为接近。 上述分析已得出 R C框架和钢框架的层 间屈 服位移角计算公式 ， 型钢混凝土框架结构 的屈服 位移角介于两者之间且更接近于钢框架 ， 因此 ， 本 文定义型钢混凝土框架结构的层间屈服位移角大 小 为 ： 0 6 ( 8 ) 目前普遍认为型钢或钢筋的屈服标志着 S R C 构件完全进人屈服状态 ， 参照文献 1 对 S R C框 架结构不同性 能阶段的宏 观描述 ， 可知公式 ( 8 ) 的屈服位移角适用 于本 文暂时使用 性能水平 阶 段。如前所述 ， 在统计试验数据的基础上 ， S R C框 架结构 四个性 能水 平 的层 间位 移 角 限值 为 1 3 2 0 、 1 1 5 0 、 1 7 5和 1 3 0 ， 按此分布范围及不同极 限状态之间的关系 ， 可用数值插入 和概率保证的 方法提出 S R C框架结构其他三个性 能水平对应 的层间位移角计算公式。 型钢混凝土框架结构正常使用 、 暂时使用 、 生 命安全和接近倒塌性能水平对应的层间位移角分 别用 0 、 0 、 0 ： 和 0 表示 ， 其表达公式为 ： 0 e = 0 2 2 y( ) ； - = 。 6 。 ， ( ) 9 【 02 -0 7 9 e y ( ) ； = 2 2 。 ， ( ) 3 结 论 ( 1 ) 将型钢混凝土结构在地震作用下的性能 水平划分为正常使用 、 暂时使用 、 生命安全和接近 倒塌四档 ， 通过分析 国内外大量 S R C柱 和平面框 架的试验研究资料 ， 将其各性能水平对应的层 间 位移角限值确定为 1 3 2 0、 1 1 5 0 、 1 7 5和 1 3 0 。 ( 2 ) 结构的层问变形 由框架梁 的弯 曲和剪切 变形 、 框架柱的弯曲和剪切变形以及节点 的剪切 变形组成 ， 通过分析各种变形引起的层 间转角大 小 ， 得到钢筋混凝土框架结构的层问屈服位移角 计算公式 ， 对比表明 ， 所提公式和试验计算结果存 在着较好一致性。 ( 3 ) 从 R C框架结构层 问屈服位移角计算公 式的原理 出发 ， 分析提出 S R C框架结构屈服状态 的层间位移角计算 公式 ， 按照各个性能水平极限 状态之间的关系 ， 采用数值插入 和概率保证的方 法最终得到 S R C框架结构的量化性能指标。 参考文献 1 J G J 1 3 8 2 0 0 1 J 1 3 0 2 0 0 1 ，型钢混凝土组合结构技 术规程 s 2 王秋维 ， 史庆轩型钢混凝土柱抗震性态水平及极 限状态的讨论 J 工程抗震与加固改造， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 3 ) ： 3 1 3 6 3 贾金青，姜睿，厚童钢骨超高强混凝土框架 柱抗震性能的试验研究 J 土木工程学报 ， 2 0 0 6 ， 3 9( 8)： l 4 一 l 8 4 薛伟辰 ，胡翔钢骨混凝土框架滞 回分析研究 J 地震工程与工程振动， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 6 ) ： 7 6 8 0 5 李斌 ，闻洋，李云云钢骨高强混凝土柱受力 性能的试验研究 J 包头钢铁学院学报 ， 2 0 0 6， 2 5 ( 2) ： 1 9 7 1 9 9 6 蒋东红 ， 王连广 ， 刘之洋钢骨高强混凝土框架柱 开裂荷载 的试验研究 J 四川建 筑科学研究， 2 0 0 2， 2 8 ( 3 ) ： 7 9 7 王妙芳 ，郭子雄型 钢混凝 土柱抗 震性态水平及极 限状态的讨论 J 工程抗震与加 固改造 ， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 3)： 3 1 3 6 8 刘 阳核心型钢混凝土柱抗震性能实验研究 D 泉州： 华侨大学 ， 2 0 0 6 9 李云云钢骨高强混凝土柱的抗震性能研究 D 包头： 内蒙古科技大学， 2 0 0 4 1 0 P r i e s t l e y M J N， C a l v i G M， K o w a l s k y M J D i s p l a c e me ri t b a s e d S e i s mi c D e s i g n o f S t r u c t u r e s M P a v i a I TALY：I USS Pr e s s ，2 00 7 ( 下转第 2 0 5页) 第 3期 王学高等： 环 口板加固 Y型方钢管节点在轴压作用下极限承载力的有限元分析 2 0 5 d o u b l e r p l a t e r e i n f o r c e d t u b u l a r j o i n t s J J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ，A S C E，1 9 9 9 ，1 2 5 ( 8 ) ： 8 9 1 8 9 9 9 F u n gT C， S o b C K， C h a n TK， e t a 1 S t r e s s c o n e e n t r a t i o n f a c t o r s o f d o u b l e r p l a t e r e i n f o r c e d t u b u l a r j o i n t s J J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， A S C E ， 2 0 0 2 ， 1 2 8 ( 1 1 )：1 3 9 9 1 41 2 1 O C h o o Y S ， L i a n g J x， v a il d e r V e g t e G J ， e t a1 S t a t i c s t r e n g t h o f d o u b l e r p l a t e r e i n f o r c e d C HS X - j o i n t s l o a d e d b y i n p l a n e b e n d i n g J J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n a l S t e e l Re s e a r c h，2 0 04，6 0：1 72 5 1 7 4 4 1 1 C h o o Y S ， L i a n g J X， v a n d e r V e gt e G J ， e t a 1 S t a t i c s t r e n g t h o f c o l l a r p l a t e r e i nfo r c e d C H S X j o i n t s l o a d e d b y i n p l a n e b e n d i n g J J o u r n a l o f C o n s t ruc t i o n a l S t ee 1 Re s e a r c h，20 0 4，60：1 7 4 5- 1 76 0 1 2 C h o o Y S ，v a ll d e r v e g t e G J ， Z e t t l e m o y e r N，e t a 1 S t a t i c s t r e n gt h o f T - j o i n t s r e i n f o r c e d w i t h d o u b l e r o r c o l l a r p l a t e s I ： e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n J J o u r n a l o f S t ruc t u r a l E n g i n e e r i n g ， A S C E， 2 0 0 5 ， 1 3 1 ( 1 ) ： 1 1 9 1 28 1 3 v a n d e r V e g t e G J ， C h o o Y S ， L i a n g J x， e t a 1 S t a t i c s t r e n gt h o f T - j o i n t s r e i n f o r c e d w i t h d o u b l e r o r c o l l a r p l a t e s I I ： n u m e r i c a l s i mu l a t i o n s J J o u r n a l o f S t ruc t u r a l E n g i n e e r i n g ，A S C E，2 0 0 5 ，1 3 1 ( 1 ) ：1 2 9 1 38 Fi n i t e e l e me n t a na l y s i s o f t he S t a t i c S t r e ng t h o f S qu a r e T u b u l a r Y-j o i n t s R e i n f o r c e d w i t h C o l l a r P l a t e u n d e r Ax i a l C o mp r e s s i o n WANG Xu e g a o，S HAO Y o n g b o ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， Y a n t a i U n i v e r s i t y ， Y a n t a i 2 6 4 0 0 5， C h i n a ) A b s t r a c t ： T o s t u d y t h e s t a t i c s t r e n g t h o f s q u a r e t u b u l a r Y - j o i n t s r e i n fo r e e d w i t h c o l l a r p l a t e u n d e r a x i a l c o rn p r e s s i o n，t he fin i t e e l e me n t a n a l y s i s i s c o n d u c t e dTh e pa r a me t e r s i n c l u d e：t he b r a c e t o c h o r d wi d t h r a t i o 8 t h e c h o r d wi d t h t o c h o r d wa l l t h i c k n e s s r a t i o 2 y，c o l l a r p l a t e t o c h o r d wa l l t h i c k n e s s r a t i o a n d c o l l a r - p l a t e wi dt h t o b r a c e wi dt h r a t i o Z d】 I t i s f o u n d t h a t t h e u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y o f c o l l a r p l a t e r e i n f o r c e d Y j o i n t s c o m p a ri n g w i t h t h a t o f t h e c o r r e s p o n d i n g u n r e i n f o r c e d Y - j o i n t s h a s a s i g n i fi c a n t i m p r o v e me n t I t c a n b e s u g g e s t e d t ha t t h e t h i c k ne s s o f c o l l a r p l a t e s h o u l d n o t e x c e e d 2 5 t i me s o f t h e c h o r d t h i c k n e s s a n d t h e wi dt h o f c o l l a r p l a t e a l s o s h o u l d n o t e x c e e d 3 t i me s o f t h e b r a c e wi d t h f o r i mp r o v i n g t h e b e a r i n g c a p a c i t y e ffi c i e n t l y K e y w o r d s ： c o l l a r p l a t e ； s q u a r e t u b u l a r Y - j o i n t s ；a x i a l c o m p r e s s i o n ；s t a t i c s t r e n g t h ： fi n i t e e l e m e n t a n a l y s i s 。 +一 +。 + 1一 一r 一 +。 + ”+ + +“+ + + + + + - 十- + - +“+ + +- + + 十 + + + + 一 十 +“+”+ 十 + + + + + + + + + ( 上接 第 1 9 5页) The o r e t i c a l Ana l y s i s o n S t e e l Re i nf o r c e d ( N o r t h w e s t E l e c t r i c P o w e r Qu a n t i fi e d P e r f o r ma n c e I n d e x f o r Co n c r e t e Fr a me S t r uc t ur e s T A N G L i u - j i u D e s i g n I n s t i t u t e ， X i a n 7 1 0 0 7 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Th e i n t e r s t o r y d r i ft o f f r a me s t r u c t ur e s i s c a u s e d b y b e a ms ，c o l u mn s a n d i o i n t s T h e c a l c u l a t i 0 n f o r mu l a o f y i e l d s t o r y d r i ft a ng l e f o r r e i n foe e d c o n c r e t e f r a me s t ruc t u r e s i s o b t a i ne d b v a dd i n g a b 0 v e t hI e e k i n d 0 f de f o r ma t i o n，a n d t h e c o mp a r a t i v e a n a l y s i s s h o w t h a t t h e o r e t i c a l r e s u l t s h a v e g o o d c o n s i s t e n c y wi t h e x D e r i me n t a l d a t a T h e e x p r e s s i o n f o r mu l a o f y i e l d s t o ry d r i ft a n g l e for s t e e l r e i n foc e d c o n c r e t e ( S R C) f r a me s t n 1 c t u r e s a r e a n a l y z e d b y us i n g t h e s a me hy p o t h e s i s a n d me t h o d s ，a nd q u a n t i f i e d pe r f o r ma n c e i nd e x f o r S RC f r a me s h a v mg a c e r t a i n g u a r a n t e e v a l ue a r e pr o p o s e d a c c o r d i n g t o r e l a t i o ns h i p o f v a rio us s e i s mi c pe r f o r ma n c e l e v e l s The c o n c l u s i o n o bt a i n e d p r o v i d e b a s i c i n f o rm a t i o n f o r p e r f o r ma n c e b a s e d s i s i mi c d e s i g n 0 f SRC f r a me s t r u e t u r e s Ke y wo r d s ：s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a me s t ruc t u r e s ； p e rfo r ma n c e i n d e x p e r f o r ma n c e l e v e l s ；y i e l d s t o ry d r i ft a n g l e；q u a n t i fie d