高强钢筋配筋混凝土框架结构抗震性能的

高强钢筋配筋混凝土框架结构抗震性能的分析研究摘要:结构抗震的主要目标是获得更好的结构性能，减少地震对结构的损伤及其引起的残余侧移。由于通常使用的钢筋强度较低，结构往往在强震作用下损坏严重。随着高强钢筋的应用越来越多，有理由期望高强钢筋在结构中的应用可以减轻地震对结构的破坏程度。然而，长期以来普通钢筋混凝土结构延性抗震设计方法，似乎对高强钢筋的应用存在阻碍。本文采用非线性静力推覆分析方法，对在框架柱中分别使用高强钢筋和普通钢筋的6层和10层钢筋混凝土框架结构的抗震性能进行了对比分析研究。分析结果表明，高强钢筋混凝土框架在增强侧向抵抗力的同时，可显著减小了残余侧移。而且，由于底层柱下端钢筋屈服明显推迟，不会出现因柱端产生塑性铰而形成楼层倒塌破坏机构的现象。可以设想，高强钢筋在柱中的有效应用，将减少结构形成楼层侧移破坏机构的潜在危险性，在不显著增加结构造价的情况下，可使结构的抗震安全性显著增加，并具有更好的震后修复性。关键字：高强钢筋，钢筋混凝土，框架结构，破坏机制，残余位移，抗震性能ResearchesontheearthquakeresistancecapacityofconcreteframesreinforcedwithhighstrengthsteelAbstract:Thetargetsofaseismicdesignaretoachievebetterstructuralperformance,toreducethedamageduetoearthquakeandthecorrespondingresidentialdisplacementaftertheearthquake.Becauseofthelowerstrengthofcurrentlyusedconventionalsteel,structuresarealwayssufferedfromseveredamageduringstrongearthquakes.Withtheprogressingapplicationofhigh-strengthsteelreinforcement,itisrationaltoreducetheseismicdamagewiththenovelreinforcementofhigh-strengthsteel.However,thefurtherapplicationofhigh-strengthsteelislimitedbytheductiledesignprinciplesoriginatedfromnormalreinforcedconcretestructures.Hence,inthispaper,theseismicperformanceoftwoframeswith6and10storiesarecomparedwithnonlinearpushoveranalysis.Theseframesarereinforcedwithconventionalsteelandhigh-strengthsteelrespectively.Thenumericalresultsshowthattheframeswithhigh-strengthsteelhavelargerlateralresistancecapacityandsmallerresidentialdisplacement.Andbecauseofthelaterappearanceofyieldinthereinforcementatthecolumnfeetofthebottomstory,thecollapsepossibilityduetoplastichingesincolumnendsisavoidwithhighstrengthsteel.Consequently,itissuggestedthatwiththehighstrengthreinforcement,therisksofstorydraftfailuremechanismscanbereduced,sothatthesafetyofthestructureunderearthquakeisobviouslyincreasedandthestructurewillhavebetterretrofitcapacityafterearthquake.Andtheadditionalcostcausedbyhighstrengthsteelisrelativelysmall.概述众所周知，因现有传统材料强度较低，结构在强震中的损坏是无法避免的[1][2]。对于钢筋混凝土框架结构，尽管采用“强柱弱梁”原则，使塑性铰的出现部位限制在梁端，但如文献[3]指出，柱底塑性铰的出现仍然是不可避免的。另一方面，对于钢筋混凝土结构，钢筋的屈服强度是决定结构构件承载力的主要因素。对于普通钢筋，因屈服强度较低，构件的抗弯承载力也较低，相应的弯曲屈服变形也较小，同时由于地震作用的随机性和结构进入弹塑性阶段结构动力特性变化的不确定性，因此在较大侧移情况下，其它楼层框架柱上端出现塑性铰的可能性依然存在，仍有可能导致形成楼层破坏机构[4]。此外，文献[4]还指出，因底层柱底部塑性变形过大，即使震后结构不倒塌，结构震后的残余位移也会很大，这将给结构修复工作带来更多困难。因此，减少震后结构残余变形也是结构抗震性能的一个重要目标。为避免首层柱底产生塑性铰和形成楼层破坏机构的可能性，本文建议在框架柱中引入了高强钢筋，提高框架柱的抗弯承载力和相应的弯曲屈服变形能力。本文采用静力推覆分析方法，通过高强钢筋配筋混凝土框架结构与普通钢筋混凝土框架结构的对比分析，论证了所建议的高强钢筋配筋混凝土框架结构抗震性能。图1框架结构尺寸Fig.1图1框架结构尺寸Fig.1Geometryoftheanalyzedframes昏图米2瞧栽截面纤维旗划分腥Fig.抵2浊Sect凉ion视desc污riti颈zati贱on哲图固3闯词混凝土应维力应变关辈系野Fig.柔3墨Stre民sss蝶trai临nre蛾lati愁onf垒orc炭oncr继ete挨图丸4挣运钢筋应力物应变关系要Fig.选4其Elas锋top尼last拉ics透tres撞sst胶rain搅rel锤atio匀nfo狐rst避eel2分析模型和分析方法分别对图1所示六层和十层的两跨混凝土框架结构进行了分析。框架梁、柱截面和总配筋率见表1。框架梁上均布荷载为30kN/m的。框架柱中采用高强钢筋配筋的框架简称为高强配筋框架（标记为PF，PassiveFrame）。高强配筋框架和普通框架（标记为OF，OrdinaryFrame）的唯一不同点是在框架柱中使用的纵筋不同。普通框架柱中的纵筋为屈服强度400MPa普通钢筋，高强配筋框架柱中的纵筋为屈服强度为1860MPa高强钢筋。材料具体特性见表2。框架结构分析采用纤维模型建模，并借助MSC.MARC有限元分析软件进行分析[5][6]。框架梁、柱截面均划分成36条混凝土纤维和处于截面每个角上的4条钢筋纤维，如图2。所有截面的混凝土保护层均为25mm。混凝土采用原点指向型弹塑性应力应变关系（见图3），由于混凝土的抗拉强度在极限状态情况下贡献很小，因此忽略不计。钢筋采用弹塑性应力应变关系，见图4。钢筋和混凝土的弹性模量分别为200GPa和30GPa。混凝土峰值强度、峰值应变、破坏强度、破坏应变等参数，以及钢筋的强度和屈服应变参数，均见表2。纵筋的最大应变极限使用FEMA356中的定义，对抗压取0.02，对抗拉取0.05。此外，在分析中认为框架梁柱的抗剪承载力足够，忽略剪切变形和剪切破坏的影响。按倒三角水平分布荷载进行非线性静力侧推分析。为研究结构的残余变形，加载到预定位移时再进行卸载分析。分析中重力荷载保持不变。3侧推分析结果3.1破坏程度定义和标记为比较两种框架结构的抗震性能，采用框架梁、柱端塑性铰区的变形状态来标记损伤破坏程度。两种框架的框架梁相同，因此框架梁的损伤程度和损伤标记的定义相同，如表3。相对于框架梁，框架柱对框架结构的整体重要性程度高，因此同等损伤程度的普通框架柱的柱端变形程度要小于框架梁，见表4。而对于高强配筋框架柱，考虑到混凝土框架柱的损伤主要是钢筋屈服造成的，同时由于高强钢筋的屈服强度和屈服应变远大于普通钢筋，钢筋达到屈服时柱端截面的变形也已很大，因此按表5定义其损伤程度和损伤标记。表1:框架几何尺寸和纵筋配筋率仓Tabl蜓e1.胃厌Geom障etri敬cde找tail蜂san跟dlo拥ngit角udin铲alr翁einf喝orce凭ment驶rat移ios议(推ρ的,%)迟use押din馒the啊ana姑lysi琴s咬框架浑楼层诞柱喝梁刻截面苍(开宽稻度莲×绑高度货)陵(己mm索×仆mm)劝ρ间a登(%)无截面帖(燕宽您度藏×陡深度漠)芒(涂mm集×答mm)枣ρ够b搜(%)鉴六层畏1茅～潜2迅层渠C1(碗400艇x45甩0)兰1.0烛B1(炮250昂x45院0)吓1.1坐C2(肢400忧x50垒0)渴1.2修3则～笨5丹层桃C1(封400挪x40傅0)柔1.0穷B1(宇250茫x45福0)毁1.0述C2(分400备x45众0)使1.2连6兴层驶C1(某400舌x40竹0)岩1.0何B1(谈250铲x45挠0)岭0.9宋C2(新400盾x45粗0)伟1.2仍十层亮1省层纳C1(丽400涨x47犬5)慨1.0部B1(击300凯x45烛0)蚂1.1义C2(樱400狱x55寄0)旦1.2粮2顾层胡C1(打400常x47骄5)巾1.0室B1(即300暮x45欲0)铜1.1门C2(顿400净x50掏0)到1.2洒3奇～循5换层跑C1(责400屡x45寸0)扔1.0榜B1(杏250景x45诉0)婆1.0尾C2(弦400领x50治0)店1.2丧6顿th馒C1(丰400玉x45浅0)拍1.0球B1(熄250译x45久0)被0.9旗C2(炒400残x50公0)臣1.2丹7唇～说9谅层休C1(嚷400塞x40旷0)违1.0朴B1(眉250籍x45适0)霞0.9衫C2(妇400外x45伶0)久1.2蛋10创th滑C1(捷400鸭x40抱0)女1.0惧B1(胸250服x45禁0)越0.8心C2(冶400税x45蚀0)跪1.2崖ρ共a床钢筋总面斑积况/晴截面毛面保积；倘ρ脆b宾受拉钢筋趁面积结/凳有效截面洲面积。荐表柜2:忘框架在研尿究中的材妈料参数斑Tabl免e2:臣Mate亚rial初pro蒜pert掩ies床used巷in疑the硬anal文ysis滨of押the普fram放es非研究框奇架唱贯混凝土油钢筋抵f持c程(群MPa)衫σ横u企(柱MPa)隙ε捕o饰ε公u播f奋y使(MP替a)贡ε缝y芬梁仇柱铅梁逆柱柱梁悉柱哪OF盖25粥30膊15贪20搬0.00肥2逝0.00扔4绸400摸400价0.00急2固PF佩25嫂30摧15慰20粱0.00允2扣0.00偶4乏400璃1860膜0.00圈93晶f徒c思混凝土抗丸压强度会.惊u爪混凝土极胞限强度经.渴ε忌o谜和帽ε方u事混凝土峰扩值应变和驻极限应变磨f食y化和折ε扮纵筋屈服券强度和屈厅服应变趟表摆3:因O脊F懒和歉P牌F画中梁的损刘伤标记和猛损伤程度忘Tabl次e3渠Dama冠gem鸦arke峡rsa前tbe旁ame料nds忘for蜜OFa色ndP趋F喝损伤朴标记饱截面材料老应变跌损伤程度迫修复虎结构安全甜修后性能愉可靠度偶普通钢筋拥混凝土井1集ε辨<<覆产ε少y退ε惠<<曾疯ε亏o寒轻微爬不用修再安全疾满意轻2折ε精萄≤帖上ε贺y德ε妄撕≤脚索ε药o星轻度伤可修挥3从ε阿y着撇≤罩歉ε腰姜≤浸0.0疤15淋ε沈吼≤尖罩ε鱼o住中度延可修璃4烈0.01耽5<赔胀ε不趴≤距0.0量3并ε尤o杰<剥反ε午高≤日ε近u塌比较严重步可修雀5纺0.03松<袄料ε巴余≤拳0.0根5图ε泰铸酸≥羽挂ε杯u粗严重斤过度方表够4:饥侮普通框架极柱的损伤观标记和损余伤程度龄Tabl茶e4.煤贱Dama宝gem舰arke拆rsf岸orC借olum狗nsi误nOF脂柱端夹损伤标记易截面材料叨应变汽损伤程度瓶修复眯结构安全谁修后性能川可靠度欧普通钢筋运混凝土铸1相ε夫<<微宁ε护y所ε诚<<城帆ε抵o窝轻微殃不用修返安全兵满意蛮6先ε笼y姨鞠≤监阻ε思材≤笛0.0港05病ε兔络≤三尿ε奇o如轻度亚可修胆7层0.00贡5<呈轰ε塑驴≤直0.0加1碑ε联o橡睬≤傍尤ε仪倡≤诊串ε途u福中度弄可修医8厅0.01嗓<帆无ε奴雷≤负0.0昼15丘ε辰o筹储≤疯秋ε吐隐≤丧凉ε兽u君比较严重固过度妙不安全衫不满意活9护0.01直5<献封ε著充≤龟0.0财2孝ε杨历邪≥森跨ε尾u巧严重该不可修径表急5:排陆高强配筋里框架柱的坑损伤标记数和损伤程粮度常Tabl秘e5.石粮Dama陡gem更arke篇rsf损orC减olum萝nsi蛋nOF晓柱端逃损伤标记冷截面材料润应变范损伤程度稠修复垃结构安全肾修后性能有可靠度腹高强钢筋脂混凝土傲1林ε祸<<园蛾ε缠y字ε潜<<惯ε幕o哥微度错不用修驱安全纠满意柏10涛ε暂所<崭ε含y肿ε需o针维≤跑隐ε遣<<天ε刃u搞轻度析可修妖11嚼ε狗泄<晨ε劈y仿ε顷o航丸≤苏犯ε轻凭≤营乳ε津u歇中度笔可修正（崖a啊）两璃跨冶6搏层框辽架贩滴甲蹦挣刑巨（赏b牺）两步跨雨1颠0秩层框架眉图系5句耀两种框架旨的侧推曲免线对比租Fig.乎5Co猫mpar躺ison岭for吴the搜pus今hove们rcu学rves旬of深two兼fram锻es猎普通框架迫高强配筋霜框立架帮积忽白普通框架蛾高强配筋咏框架使(a受)雷六巴层框架德围默挎厕锋茶(b淋)笼十层框架缸图零6殊触侧推作用糠下框架壶损伤角程度对比幅Fig.姑否6疾Com展pari相son卫for肝the滴d革amag割epa咳tter峰nso电fth饲etw眼oki处nds狮off次rame拣s中3.2堪做侧推分析肥对比筛推覆分析孤得到的两凉种框架结影构的基底女剪力－顶拾点位移曲胃线（侧推匠曲线）的灿对比见封图颗5圆。在侧推爸曲线上，舒标记了普蜜通框架结识构出现严蒙重破坏或辈不可修复伴破坏时的催侧移，以脸及出现破具坏机构时昨的侧移，怜并标记出晃高强配筋市框架在相正应侧移时行的损伤程浴度。此外些，高强配殿筋框架结筝构框架柱味钢筋达到加屈服极限膀时的侧移缺也做了标扫记。绳图委6昂给出了普横通框架结半构形成破尚坏机构时杏梁柱端的济损伤程度波，并同时催给出了相矛应侧移情胜况下高强窃配筋框架射梁柱端的策损伤程度傍。以下给叙出具体分邀析结果对淹比。饺对卧于缩6领层框架，卫由爷图胶5尝可见，普将通框架结辜构第一层招柱底出现卡严重损伤左时（逼图伴5梯中标兽记削9宁的点），忆其侧向推笨力格为辈369k缎N到，顶端位捕移达夫到乌312m肆m支；在此位沙移下，高土强配筋框学架结构的什侧向推力断为连406k幸N堵，仅梁端雄截面损伤爬较严重，幸损伤程度香标记仅撞为替4插（见器图丘5尤）。当普垒通框架结牙构侧向推治力达算到另375k介N窑，顶端位利移达获到龟642m沾m锄时，因首退层柱底截踪面艘和砌4祖层柱顶截册面均形成匀塑性铰，任且其间的筝框架梁端番也均形成脸塑性铰，竹整个结构剂已形成破军坏机构（务见战图窜6供a寺左图，敢图佩5捎中标记川为傅※拜）；但在焰此位移时包，高强配牵筋框架结妈构的侧向勇推力双为为475k湾N池，首层柱赶底没有出降现塑性铰稼，但梁端雁截面出现列了严重损腥伤，整个馅结构尚未砍形成破坏鸭机构（见顽图隙6粱a蛋右图），污其破坏程独度标记题为等5竞。此后，拉普通框架呈结构已无攀法继续承动受侧向变乳形，而高箩强配筋框岗架结构因掉柱底纵筋繁尚未屈服植，侧向推舱力仍可继定续增加。周在侧向推逝力达尺到迁513k迫N造，侧向位届移达涂到尸896m垫m魔时高强配秆筋框架结萝构的柱底备才达到屈添服，这一清侧向推力饺几乎是普丘通框架结困构出现破馋坏机构时醒侧向推力草的脂1.解4卖倍。以上撞对比分结午果表明，贫当挺6则层普通框板架结构形猪成破坏机温构时，高宏强配筋框镇架结构仍唇具有足够瓶的抗侧承角载力、且迎整体结构婚的抗震性葵能仍然是惑安全可靠丛的。由题图匠6(a板)扒两种框架详结构在普纸通框架结检构形成破渴坏机构时拉梁柱端的狱损伤程度柱的对比可距见，普通轮框架由于似首层柱底堂和姓4涉层柱顶出和现塑性铰级并已达到城屈服严重议破坏而形闸成了部分百楼层破坏啦机构；然隆而在相同筑的侧向变斗形的情况挂下，高强软配筋框架怜结构的首颈层柱底没弟有屈服，描只有中等蛙程度的损最伤。另一毙方面，两揪种框架结晓构梁端的泪损伤有些翅差异：普矮通框架结伯构中，第商一、第二槐层框架梁举损伤的程欠度更大，裁但在第四羞、第五层史情况却恰臭好相反，著但由于框疮架梁的损扑伤对整个鸦结构并不廉是致命的悼，因此从猛整体结构训的损伤程祥度来说，童高强配筋溪框架结构恭的损伤程用度显著小幻于普通框侨架结构。霸同时，从随图考6剩a惑可以看出丹，高强配刺筋框架结微构的屈服龟机制是典叠型的所希才望的梁铰岁屈服机制概。纺图诵5趁b便为两怕种键1持0曾层框架结既构侧推曲费线的对比享，可以很闪明显的看雅出高强配病筋框架结甜构比普通亮框架结构棒具有更大玻的承载力降和变形能全力。普通加框架结构防侧推曲线支上损伤标加记迹9珍点所对应达的承载力炕为择366k肤N早，相应顶妈点侧移巡为抚696m旅m贸，此时首酷层框架柱蒸底已产生判严重损伤肥。而在同某样侧向位桥移情况，舱高强配筋谅框架结构袋仅框架梁虽端出现严梯重损伤（称见图中标有志兵5狮），且侧另向承载力辱为滑373k鼓N影。随着侧允向位移的培增加，普明通框架结副构的侧向肠承载力不傻再增加，定但首层柱名底的破坏投程度却随奴变形增加真而不断增钟加，岗在隔369k期N牢侧向荷载阀和卫964m工m糊侧向位移竹时，因出四现足够多跑的梁端塑跨性铰而形页成破坏机泪构（见宏图渐6绕b凯左图）。环此时，高硬强配筋框副架结构的数损伤仍然忠集中在框营架梁端，年侧向承载锅力达沫到带393k除N落，且可以敢继续承受亮侧向荷载昆和变形，道直至达到开普通框架承结构侧向工位移本的巷2.谨7躬倍时，高除强配筋框肆架结构首该层柱底才径出现屈服狮，整个结须构刚开始能形成破坏述机构，此潜时的侧向题承载力几镜乎是普通胳框架结构漂的担1.卵3免倍。此外葬，从帖图餐6颗b舱还可以看疫到，高强口配筋框架盆结构和普交通框架结肢构中梁端效损伤程度史基本相近胳，但略偏铲小。件由以上分缴析可知，速对浸于复6手层框架结恢构，高强临配筋框架舅结构的抗虹侧承载力态显著高于夫普通框架天结构，且针在相同侧德移变形情贷况下，高渡强配筋框烈架结构的锄整体损伤汇程度显著询小于普通万框架结构跑；对郑于旦1隙0稼层框架结辛构，普通削框架结构陕形成破坏部机构时，峰高强配筋稼框架结构作仅框架梁界为严重损猪伤，且因膜框架柱尚扬未屈服，蜜结构远未服达到其变脆形能力极旅限。制综上，高吊强配筋框标架结构因门首层柱底围钢筋屈服荷明显推迟够，相应出磨现塑性铰峰时的侧移枯变形能力范比普通框锄架结构显达著增大，圈形成破坏培机构时的也变形能力僵也大大增微加，且因屡柱底高强答钢筋使得等柱底塑性届铰具有更虎大抗弯承蜘载力，也添使得整个亏结构的侧恼向承载力向比普通框但架结构显演著增加。辰需注意的扭是，由于替框架柱抗驶弯承载力怀的增加，转需相应增真加框架柱美的抗剪承块载力，以努保证框架惭柱钓为宜“蚕强剪弱弊弯休”呼，避免受圾剪脆性破嫁坏，影响裂高强钢筋毕强度的发剃挥。灾4歉均残余变形伟分析皆由于高强猜钢筋具有逮更大的弹墨性恢复能珍力，高强冷配筋框架茅结构在经葵受较大的腥弹塑性变蝴形后，其初残余变形壶比普通框窄架结构要泰小络[7][林8]咸。为此，辣本文对两娃种框架施警加相同侧走推位移变嚼形后卸载怪，卸载时典间是结构桥中任一杆兽件的混凝烂土达到极妈限应变。病6医层框架结韵构的加载央卸载曲线榆见枝图喷7希a偷，完全卸热载的残余状位移见属图割8竞a摆。从得图恨8怒a蚕可以清楚亮的看出，革高强配筋袋框架结构旧的残余位遗移明显小率于普通框除架结构，述其原因是塑：开始卸熄载时，两个种框架的炮梁端都达掏到了混凝哭土极限应舱变，但普妙通框架首吩层柱底纵碎筋已经屈狱服，产生父较为严重伯的损伤（蓄损伤标殖记峡8腥），具有茶不可恢复撇的塑性变刑形；而高晴强配筋框孤架首层柱敌底纵筋尚盯未屈服，杯但混凝土狗已超过峰葛值应变，芝属于轻微凳损伤程度钞（损伤标绳记毙1缠0毙），纵筋浸仍具有弹认性恢复能约力。干1备0控层框架结薪构的加载渗卸载曲线亮见蛾图茧7妹b与，完全卸谱载的残余摸位移见君图诚8第b赠。可以清窗楚的看出惧，两种框辽架卸载后侦的残余变资形基本相茫同，其原僚因是：卸醉载时刻是琴两种框架舰的框架梁弱端混凝土角达到极限汤应变，此幸时普通框乏架的底层鸡柱底纵筋惧虽然产生蓬一定程度雨的屈服，播但屈服程目度不严重窜，属于中塞等损伤，浴损伤标记职为下7主；而高强谈配筋框架忧首层柱底醋纵筋未屈泊服，只有随轻微损伤棕，损伤标宰记店为吐1薄。可以认缸为，如果械框架柱屈矿服程度不丧大，两种塔框架结构等的残余变消形几乎相杂同。但如顽果变形继药续增加，总则会出现娱前杜面链6啦层框架结争构的情况侵。(a)6层框架(b)10层框架图7加卸载曲线对比Fig.7Comparisonfortheloading/unloadingcurves(a)6层框架(b)10层框架图7加卸载曲线对比Fig.7Comparisonfortheloading/unloadingcurves(a)(a)6层框架(b)10层框架图8完全卸载时残余位移对比Fig.8Comparisonforresiduallateraldisplacementatcompleteunloading.5结语突本文采用武非线性静帖力侧推分烘析方法，兽对高强配板筋框架结宇构的抗震椒性能进行叼了分析研贸究，通过昨与相同配甘筋率的普犯通框架结诸构的对比着，得到以渴下结论：器在框架柱统中配置高丘强钢筋，敬可以避免住出现普通圆框架的柱朗铰侧移破饼坏机构，范使结构具级有更高的俗侧向承载搁力，且在涉相同的侧按移变形下桨可以减少锄结构损伤茶程度，同染时可以减返小框架结紫构的残余跳变形，有竹利于结构享的震后修鹿复。与此漠同时，对币框架柱的购抗剪承载慈力应采取络措施予以锹保证，且克框架梁的汉变形能力霸也相应有丢所提高。参考文献版Dinh掀TV,奥Ichi忘nose衣T.P曾roba益bili动stic葱est婶imat极ion分ofs原eism