过渡层形式对SRC-RC混合框架结构抗震性能影响

闫丽娟，马亚楠

（青岛理工大学琴岛学院 土木工程系，山东青岛266106）

0 引言

在结构竖直方向由型钢混凝土 SRC（Steel Reinforced Concrete）框架和钢筋混凝土 RC（Reinforced Concrete）框架组合而成的结构体系称为SRC-RC竖向混合框架结构，根据两者的位置关系，可以形成下部混凝土—上部型钢混凝土竖向混合框架结构和下部型钢混凝土—上部混凝土竖向混合框架结构2种类型。这种竖向混合框架结构在日本应用较早且发展较好［1－3］，目前我国高层建筑中也有所应用，但主要采用下部型钢混凝土—上部混凝土竖向混合框架结构类型，底部楼层采用型钢混凝土结构［2］，其强度显著提高，减小了框架柱的截面尺寸和结构自重，加大了建筑物的使用面积［1］。

SRC-RC竖向混合框架结构因其良好的经济性和抗震性而得到了一定应用，但对其过渡层的理论研究并不成熟，一直滞后于工程实践。过渡层是指型钢混凝土结构与钢筋混凝土结构的转换部位，两者在强度和刚度上存在比较大的差异，在地震作用下，过渡层位置处容易形成薄弱层，从而导致结构破坏，所以过渡层的合理设计是 SRC-RC竖向混合框架结构设计的关键。20世纪中期，今野修等通过对13个试件进行低周期反复加载研究，分析了过渡层柱在拉、压反复轴向荷载作用下的受力性能［3－4］；山口美有希等对3个SRC-RC过渡层柱试件进行低周反复加载试验，结果表明：过渡层柱具有介于钢筋混凝土柱和型钢混凝土柱之间的变形能力［5］；木村润一等考察了过渡层柱中型钢的加强钢筋和型钢延伸高度对柱抗震性能的影响［6］。

目前，国内工程界对SRC-RC竖向混合结构过渡层的抗震性能的研究亦较多。薛建阳等对过渡层位置的确定和过渡层形式设计进行了一系列试验分析，结果表明：SRC-RC竖向混合框架结构的过渡层位置宜设置在结构中部，过渡层柱的设计宜采用中间过渡法，而且过渡层柱中型钢的延伸长度会影响其抗震性能［7－8］。上述研究局限于过渡层柱单个构件的研究，但是对于整个SRC-RC竖向混合框架结构如何设计过渡层形式研究很少。在行业规程《型钢混凝土组合结构技术规程》《钢骨混凝土设计规程》中对SRC柱和RC柱上、下层的连接（即过渡层）提出了简明的设计要求，但对于过渡层形式并未作出详细规定［2］。基于此，文章从结构的整体角度对不同过渡形式的SRC-RC竖向混合框架结构模型进行了静力弹塑性Pushover分析，通过对比各结构模型的水平承载力、延性系数、基底剪力—顶点位移关系曲线、塑性铰出现顺序及其分布形式，得出了不同过渡形式对结构抵抗地震作用能力的影响，进而确定了具有较好抗震性能的过渡层形式。

1 静力弹塑性Pushover分析法简述

静力弹塑性分析的基本原理是将多自由度结构体系转化成单自由度结构体系，然后计算此体系在地震作用下的最大位移，并将其作为目标位移［9］；Pushover分析是在此基础上，对结构施加逐步增大的侧向荷载，直到结构顶点位移达到预定的目标位移，将分析所得的结果如基底水平剪力、层间位移等与相关规范进行对比，进而评估结构的抗震性能。

Pushover分析方法的主要步骤如下：（1）建立结构模型；（2）在结构上施加侧向荷载并对其进行推覆分析；（3）推覆分析直到结构达到目标位移；（4）得出Pushover曲线、塑性铰出现顺序及其分布情况。

进行SRC-RC竖向混合框架结构的Pushover分析时需要解决2个问题：（1）确定结构的目标位移，采用能力谱法确定目标位移；（2）自定义塑性铰，钢筋混凝土框架梁梁端塑性铰采用软件指定的M3铰，钢筋混凝土框架柱端采用PMM铰［10－12］，均采用其默认属性，型钢混凝土柱端根据轴力和双向弯矩相关作用确定塑性铰属性。

2 SRC-RC竖向混合框架结构模型建立

采用12个12层的SRC-RC竖向混合框架结构模型M2～M13和1个12层的RC框架结构模型M1进行计算分析。所有结构模型的层高均取3 m，结构模型纵、横向框架柱的间距均取6 m，RC框架柱和 SRC框架柱均采用正方形截面，其边长为700 mm，所有框架梁截面尺寸为 300 mm×600 mm［9］，M2～M5中下部型钢混凝土柱中型钢延伸到整个过渡层高度，型钢采用焊接H型钢，型钢型号为H450×400×25×30，材料级别为Q345。框架柱与框架梁的混凝土级别分别为C40和C35，而纵向受力钢筋和箍筋则分别采用HRB400和HPB300。结构中框架梁采用SAP2000默认配筋方式，框架柱配置20根直径为20 mm的纵向受力钢筋，箍筋采用10＠100，经计算可知其配筋和强度等指标均满足规范要求，结构模型布置如图1所示，各模型参数见表1，其中Ai为x方向第i排过渡层柱所处的楼层位置，i为 1、2、3、4、5；Vu为基底剪力峰值，kN；Δy、Δu分别为屈服位移和极限位移，mm；μ为延性系数。

图1 模型M4的结构布置图

表1 各模型参数

3 结果与分析

采用SAP2000建立M1～M13结构模型，进行Pushover分析时，采用能力谱法确定结构模型的目标位移，以位移控制作为Pushover分析的控制方法，并对结构模型进行逐级施加侧向力的加载方式进行计算，得到结构在罕遇地震作用下的基底剪力、位移及塑性铰分布情况。

此外，在进行Pushover分析时，框架梁梁端塑性铰采用软件指定的M3铰，钢筋混凝土框架柱端采用PMM铰，均采用系统默认属性。型钢混凝土柱端采用的是轴向力和双向弯矩相互作用而产生的自定义塑性铰［1］。

3.1 水平承载力对比分析

经过计算分析，得到各结构模型的基底剪力，根据基底剪力绘得结构的水平承载力曲线，如图2所示。

由图2可知，M2～M13基底剪力峰值明显高于M1的基底剪力峰值，其中，M4的基底剪力峰值最大，较M1提高了398 kN，可见，SRC-RC竖向混合框架结构在罕遇地震作用下的水平承载力比钢筋混凝土框架结构的水平承载力高；比较M2～M7的基底剪力，可知M4模型的最大；比较M8～M13的基底剪力，可以发现M10模型的最大，说明SRC-RC竖向混合框架结构中，当结构两侧过渡层柱所处楼层最高，中部过渡层柱所处楼层次之时，结构y方向的水平承载力最高。

图2 结构模型水平承载力曲线图

3.2 变形能力对比分析

表1中各结构模型的延性系数μ＝Δu／Δy，其中，屈服位移Δy和极限位移Δu是运用能量法［13］计算得出，模型M1～M13的延性系数变化如图3所示。通过表1和图3可知，13个模型结构的延性系数均大于3.75，说明这些结构均属于延性结构，其在罕遇地震作用下均具有较好的变形能力。其中，模型M2～M7的延性系数平均值与模型M1相比，降低5.91%，而且延性系数最大的模型为M6；模型M8～M13的延性系数平均值与模型M1相比，降低3.47%，其中延性系数最大的模型为M8。由此可知，在地震作用下，SRC-RC竖向混合框架结构的变形能力比钢筋混凝土框架结构的低；模型M8～M13的延性系数平均值比模型M2～M7的延性系数平均值高2.44%，说明在SRC-RC竖向混合框架结构中，当过渡层柱的位置由3～5层提高到4～6层时，结构的变形能力有所提高。

图3 模型延性系数曲线图

3.3 结构基底剪力—顶点位移关系曲线（Pushover曲线）对比分析

对前5组结构模型进行Pushover分析，可分别得到各个模型的基底剪力—顶点位移关系曲线，如图4所示，M1～M5的基底剪力—顶点位移关系曲线形式一致，尤其在弹性阶段，5条曲线基本重合。进入塑性后，模型M1的曲线斜率较其他曲线斜率平缓，且最大顶点位移值最小，说明普通钢筋混凝土框架结构在进入塑性后，变形能力较SRC-RC竖向混合框架结构的差。

图4 结构模型基底剪力—顶点位移关系曲线图

3.4 塑性铰分布情况对比分析

模型M1的Pushover推覆结果［14］如图5所示，模型侧向最大位移达到95.54 mm时，结构首先在4～5层梁端出现塑性铰，说明首先进入屈服状态的是框架梁，随着水平位移的增加，越来越多的框架梁出现塑性铰［15］，随着水平侧向力的继续增加，塑性铰开始在底层柱端出现，表明底层柱达到屈服，继续增加推覆位移，越来越多的塑性铰出现在柱底且不断发展；直至模型M1顶点侧移达到398.22 mm时，结构的塑性铰基本出齐，很快变成机动体系，发生破坏。

结构模型M4的塑性铰分布如图6所示，模型M4的顶点侧向最大位移达到101.45 mm时，结构首先在4层梁端出现塑性铰，并且向上向下发展，2～12层的梁端均出现塑性铰。随着水平推覆位移增加，结构4层柱端出现塑性铰，说明过渡层的框架柱首先屈服，推覆继续进行，当模型侧向最大位移达到387.70 mm时，结构3～4层的柱端均出现塑性铰，同时过渡层中的柱端塑性铰不断发展，结构中上层梁的塑性铰进入极限状态。由此可见，与钢筋混凝土框架结构相比，SRC-RC竖向混合框架结构由于在结构下部一定范围内配置了型钢［15］，所以在结构破坏之前，此种结构可以出现较多的塑性铰来消耗地震所释放出的能量，从而提高了SRC-RC竖向混合框架结构的变形能力，而且结构破坏属于梁铰机制，符合“强柱弱梁”的设计准则，增加了结构的安全储备。

图5 结构模型M1的塑性铰分布图

图6 结构模型M4的塑性铰分布图

模型M10的Pushover推覆结果与模型M4的相似，只是当模型M10的侧向最大位移达到103.9 mm时，4层梁端开始出现塑性铰，模型侧向最大位移达到404.55 mm时，梁柱塑性铰全部出齐，整个结构发生破坏，

说明SRC-RC竖向混合框架结构过渡层柱位置从3～5层均匀地升至4～6层时，结构的变形性能略有改善。

4 结论

通过上述分析可知：

（1）SRC-RC竖向混合框架结构模型M2～M13的水平承载力均高于M1的水平承载力，其中，M4的水平承载力最大，较M1的提高了398 kN。说明采用底部配置型钢的SRC-RC竖向混合框架结构可以提高结构的水平承载能力。SRC-RC竖向混合框架结构两侧过渡层柱所处楼层最高、中部过渡层柱所处楼层次之时，结构的水平承载力最高，建议在实际工程中采用此种过渡形式。

（2）SRC-RC竖向混合框架结构过渡层柱的位置由3～5层升至4～6层时，结构的平均延性系数提高2.44%，表明结构的变形能力有所提高。

（3）在整个框架结构破坏前，SRC-RC竖向混合框架结构的梁端、柱端能够形成比RC框架结构更多的塑性铰，这些塑性铰可以吸收地震所释放的能量，且大部分的塑性铰出现在梁端，符合“强柱弱梁”的设计准则，使结构能够经受罕遇地震作用而不倒塌，具有较好的延性和安全性。

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