强柱弱梁对钢框架结构抗震损伤耗能的影响

白润山 赵帅帅

(河北建筑工程学院 河北 张家口 075000)

一、“强柱弱梁”设计在钢框架结构中的重要性

“强柱弱梁”指的是使框架结构塑性铰出现在梁端的设计要求。用以提高结构的变形能力，防止在强烈地震作用下倒塌。在强震作用下获得框架相对稳定的累计滞回耗能分布，关键在于控制结构实现“强柱弱梁”机制。但“强柱弱梁”的变化对框架结构损伤耗能机制的控制有怎样的影响还需进一步研究。

二、钢框架模型的设计

将能力系数与能力比转化成应力比和应力比比值后设计如下模型：模型一：按现行规范进行常规设计，尽量调整梁、柱的应力比接近1；模型二：梁应力比与模型一相同，柱应力比为模型一梁应力比的0.8倍，模型三：梁应力比与模型一相同，柱应力比为模型一梁应力比的0.6倍；模型四：柱应力比与模型二相同，梁应力比为模型二梁应力比的0.8倍；模型五：柱应力比与模型三相同，梁应力比为模型二梁应力比的0.8倍；模型六：一层柱应力的应力比为模型二柱应力比的0.8倍，一层梁应力的应力比为模型二梁应力比的0.8倍，其他层同模型二；模型七：一层柱应力的应力比为模型三柱应力比的0.8倍，一层梁应力的应力比为模型三梁应力比的0.8倍，其他层同模型三；模型八：一层柱应力的应力比为模型四柱应力比的0.8倍，一层梁应力的应力比为模型四的梁应力比扩大0.8倍，其他层同模型四；模型九：一、二层柱应力的应力比为模型二的柱应力比扩大0.8倍，一、二层梁应力的应力比为模型二的梁应力比扩大0.8倍，其他层同模型二；模型十：一、二层柱应力的应力比为模型三的柱应力比扩大0.8倍，一、二层梁应力的应力比为模型三的梁应力比扩大0.8倍，其他层同模型三；模型十一：一、二层柱应力的应力比为模型四的柱应力比扩大0.8倍，一、二层梁应力的应力比为模型四的梁应力比扩大0.8倍，其他层同模型四。

三、设计算例

钢框架示例设计(张家口下花园区、怀来县、涿鹿县)，地震分组：第二组；地震作用：水平地震作用；设防烈度：8 度(0.2g)；场地类别：Ⅱ类；钢材材质：Q235B；跨数：横向 3 跨，纵向 6 榀；跨度：横向 6m，纵向 6m；层数：10 层；层高:3.6m；女儿墙高:1.2m；女儿墙厚度:0.24m。外墙采用混凝土空心小砌块，厚度0.2m，该工程中梁和柱均采用焊接H型截面。根据《建筑抗震设计规范》的规定，在设计基本地震加速度为 0.2g 的地区，8度抗震设防烈度下相应的中震和大震的水平地震影响系数的最大值应分别取为 0.45 和0.90。

使用PKPM设计十一个钢框架模型，再用Abaqus软件进行时程分析得到下图1、2、3。

图1

由图2各个模型的柱滞回耗能占比沿楼层分布情况可以发现：模型二的一层柱滞回耗能占比达到0.95左右，其他层几乎为零；模型六一层柱滞回耗能占比达到0.38左右，二层柱在0.3左右，其他层柱滞回耗占比都较为均匀，在0.1左右；

图2

进一步确定同一楼层中各个柱滞回耗能的分布情况，为了方便分析将柱进行编号，轴线 A、B、C、D 分别对应的柱编号为 1、2、3、4，其中编号为 2、3 的柱为中柱，编号为 1、4 的柱为边柱。平面图如图1所示，柱的滞回耗能如图3所示，各个模型的各榀框架中各个柱滞回耗能占比大约呈对称分布，模型一的中柱耗能占比多于边柱0.01左右，其他模型边柱耗能占比都多于中柱，模型四和模型十一柱的耗能占比较均匀。

图3

四、结论

根据层高与柱耗能占比的关系可以看出，梁柱能力比为0.8时，结构的损伤耗能主要由底层承担，当取0.6时，损伤耗能不只有底层构件承担，一半甚至一半以上的能量可以由二层及以上的楼层构件分担，这大大降低了底层构件因承受的能量过多而发生破坏的几率；增大梁构件的能力系数也能对结构整体的耗能分布起到有利的影响；与提高结构所有构件的能力系数相比，只改变底层与二层构件的能力系数较为方便，而且效果也十分明显，结构整体的耗能与柱耗能都较均匀，钢材用量在实际工程上也会更经济。