梁式转换层高低位转换基于ABAQUS抗震性能分析

张爱萍 陈艳

(1.成都工业学院 建筑与环境工程学院 四川成都 611730； 2.山东交通职业学院 公路与建筑学院 山东潍坊 261206)

0 引言

近年来，高层建筑发展趋势迅速，结构形式更加复杂，为了满足建筑使用功能多样性需求，转换层结构广泛应用于高层建筑。在高层建筑结构的底部，当上部楼层部分竖向构件(剪力墙、框架柱)不能直接连续贯通落地，应设置结构转换层，形成带转换层的高层建筑结构[1]。底部大空间，上部小空间建筑结构并不满足建筑结构刚度设计的要求，竖向刚度不均匀,结构刚度突变极易产生薄弱层，对抗震不利，因此在结构形式发生变化的部位设置转换构件,并根据转换层设置位置控制剪切刚度比和等效侧向刚度比值，避免剪力分配突变和刚度突变产生的结构破坏。

本文对高层建筑高低位转换在水平荷载作用下的破坏特征、塑性损伤情况等抗震性能进行研究，探究其耗能性，以改善结构设计，抵抗地震灾害等破坏荷载作用。

1 混凝土塑性损伤本构关系

钢筋混凝土结构在强烈地震作用下局部发生损伤，进入塑性阶段，构件在滞回过程中损伤退化，对材料本构关系产生影响。钢筋的本构模型采用二折线模型(Kinematic hardening)，混凝土采用塑性损伤模型(Concrete damaged plasticity model)[2-5]，即混凝土损伤由拉压损伤参数控制材料的压缩和拉伸破坏。

依据《混凝土结构设计规范》[6]附录C中混凝土本构关系的单轴拉压应力应变曲线推导公式：

单轴受拉：

(1)

单轴受压：

(2)

公式中αt、αc分别表示混凝土单周受拉和单轴受压应力应变曲线下降段的参数值。αt，εt,r；αc，εc,r可分别根据GB50010-2010《混凝土结构设计规范》表C.2.3和表C.2.4取值。

ABAQUS中采用应力—塑性应变定义塑性混凝土，在混凝土拉压应力应变基础上，通过公式得到应力-塑性应变关系。

拉应力-塑性应变：(σt>ft为塑性行为)

(3)

压应力-塑性应变：( 为塑性行为)

(4)

2 转换层数值模型有限元分析

2.1 数值模型数据资料

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》10.2.2规定带转换层的高层建筑结构，其剪力墙底部加强部位的高度应从地下室顶板算起，宜取至转换层以上两层且不宜小于房屋总高度的1/10。模型参照重庆大学重点实验室关于转换层结构相关实验研究材料，基于某框支剪力墙转换层结构1/4缩尺钢筋混凝土模型，转换层数值模型为两跨取至转换层以上两层结构[7-9]。模型材料采用C35混凝土(fc=2.4×107N/m2,ft=2.2×106N/m2,E=3.15×1010N/m2)，梁柱纵筋采用HRB400钢筋(fy=4.0×108N/m2,fst=5.4×1010N/m2)，梁柱箍筋及剪力墙配筋采用HPB300钢筋(fy=3.0×108N/m2,fst=4.2×1010N/m2)。

MODEL1尺寸如下:

转换层与剪力墙层高度分别为1200mm和1550mm,框架跨度为2150mm,连梁高度为150mm,剪力墙厚度为100mm,转换梁截面尺寸为200mm×400mm，框支柱截面尺寸为250mm×250mm。

MODEL1配筋情况如表1所示。

表1 MODEL1配筋

MODEL2尺寸如下：

框架层，转换层和剪力墙层层高分别为800mm、1200mm和1550mm,框架跨度为2125mm,框支柱截面尺寸为275mm×275mm,框架梁截面尺寸为100mm×200mm,其余同MODEL1。为防止剪力墙顶端局部破坏，设置加载梁，同时在框支柱端部设置刚度大的支座梁，避免柱底发生扭转。

2.2 MODEL1数值模型建立

该转换层数值模型采用实体单元C3D8R模拟混凝土，采用桁架单元T3D2模拟钢筋[10]。MODEL1构造示意图如图1所示。钢筋与混凝土的接触方式采用嵌入式(Embedding)，基于无滑移假定，将钢筋单元采用内置方式嵌入混凝土内部，忽略接触面的力学作用对结构刚度的作用。模型加载模式采用荷载-位移控制(据《抗规》[1]表6.3.6，控制柱轴压比限值小于0.7)，如图2所示。网格划分是有限元分析的重要环节，从保证分析结果的精度和降低计算效率两方面考虑，混凝土和钢筋单元网格大小分别为0.15m和0.05m，应力集中区域、结构关键部位及塑性区变形较大区域处可进行网格细化。

图1 MODEL1构造示意图

图2 MODEL1加载模式

2.3 MODEL1有限元分析

图3、图4分别为底部框支剪力墙转换层构件在位移荷载作用下混凝土和钢筋骨架的应力云图。

图3 MODEL1混凝土应力云图

图4 MODEL1钢筋骨架应力云图

MODEL1混凝土应力云图显示：1.79×107N/m2>1.68×107N/m2，由公式(4)σc>0.7fc知，已发生塑性变形，图3 中框支柱、梁柱节点及剪力墙底部局部荷载作用下已经发生塑性变形。

MODEL1受力情况根据Animate分析，变形主要集中在转换层，框支柱和剪力墙底部损伤严重。中柱较边柱损伤严重，左边柱下部及右边柱上部受拉损伤较重。梁柱节点区应力扩展较快，转换梁在上部竖向荷载作用下产生较大挠度。剪力墙应力区由剪力墙底部与框支柱交界处逐渐向外扩展。连梁在水平荷载的作用下发生倾斜，洞口边缘处应力较大。钢筋应力较大位置，分布于框支柱、转换梁端部、剪力墙底部区域及节点区等关键部位[12]。

2.4 MODEL2数值模型建立

MODEL2构造示意图如图5所示，将转换层设置在第三层。图6为MODEL2加载情况。模型网格划分情况，对模型进行Partition处理，采用结构优化网格(Structured)和扫掠网格(Sweep)两种网格划分技术进行Meshing,混凝土和钢筋单元网格大小分别为0.15m和0.05m，局部进行网格细化。

图5 MODEL2构造示意图

图6 MODEL2加载模式

2.5 MODEL2有限元分析

图7、图8分别为框支剪力墙第三层转换层构件在荷载作用下混凝土和钢筋骨架的应力云图。

图7 MODEL2混凝土应力云图

图8 MODEL2钢筋骨架应力云图

MODEL2混凝土应力云图显示：1.74×107N/m2>1.68×107N/m2,由公式(4)σc>0.7fc知，已发生塑性变形，框支柱、梁柱节点及剪力墙底部局部相比MODEL1塑性变形较大。

MODEL2受力情况根据Animate分析混凝土应力云纹图所得,框支层为模型的主要变形区域，转换梁和剪力墙损伤较轻，剪力墙基本上发生“平动”，然而由于水平往复荷载的施加，剪力墙边缘处也出现较大应力区，应力区由墙角左下方斜向扩展。转换梁柱节点、框支柱底部以及框架梁端处应力较大，而下部框架层梁柱节点区应力较小，损伤较轻，框支柱底外侧及柱顶内侧应力集中。根据钢筋应力云纹图，转换梁左端下部钢筋及右端上部钢筋受拉损伤较大，与剪力墙交界处转换梁的下部受拉严重，中柱节点区应力集中；框支柱底外侧及柱顶内侧受拉应力较其他部位较大。

3 转换梁数值模型耗能性分析

MODEL1和MODEL2加载梁端的P-Δ(荷载-位移)曲线如图9所示。两试件的滞回曲线均比较饱满，比较(a)(b)两图，可知MODEL1比MODEL2的P-Δ曲线具有较明显的捏拢现象，说明MODEL2比MODEL1的耗能性较好，而MODEL2的最大承载力为2×105N,明显比MODEL1的最大承载力3.5×105N小。因此，可利用框架梁的刚度，控制“强柱弱梁”体系的形成，加强结构的耗能性能。

(a)MODEL1 P-Δ曲线

(b)MODEL2 P-Δ曲线图9 加载梁端的P-Δ曲线

4 结论

通过高低位两跨框支剪力墙转换层结构的数值模拟分析，得出以下结论：

(1)由MODEL1和MODEL2载荷过程可得：变形主要集中于模型框支层，剪力墙应力开展较小，受损较轻，转换梁端部发生挠度。转换梁的应力开展先于框支柱，但加载后期框支柱的损伤及变形远大于转换梁，剪力墙层变形几乎为“平动”。框支层与剪力墙层刚度差异明显，在高位转换中上下结构变形对比尤为明显，此种变形极易使底部形成薄弱层，对抗震极为不利。因此，对于框支剪力墙结构，加强框支层刚度十分重要，设计时应严格控制结构的上下刚度比，以避免“上刚下柔”这种不利设计的出现。

(2)在水平荷载作用下，剪力墙和转换梁相连处局部受拉受压严重。因此，剪力墙的设计应加强暗柱纵筋的设置，防止相连处因变形过大而局部拉裂或混凝土崩落。

(3)高位转换承载力相对于低位转换承载力较低，但框架梁易出铰，耗能性能较好。因此控制好框架梁的刚度，形成较好的“强柱弱梁”结构，则可以利用其耗能性能延缓地震作用对框支柱的破坏作用。