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摘要：四川汶川地震中，一些鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)柱端出現(xiàn)嚴(yán)重的塑性鉸，而梁端震害反而較輕，該結(jié)果不符合抗震設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)。基于地震災(zāi)區(qū)某典型框架結(jié)構(gòu)的震害淵查，對該框架結(jié)構(gòu)進行深入的有限元仿真分析。...

汶川地震中典型RC框架結(jié)構(gòu)的震害仿真與分析

林旭川  潘鵬   葉列平 陸新征 趙世春

清華大學(xué)　北京l00084 西南交通大學(xué) 四川成都 610031

引言

     2008年5月12日發(fā)生的四川汶川8.0級大地震.導(dǎo)致大量建筑破壞倒塌和重大人員傷亡。這次地震中，框架結(jié)構(gòu)震害總體相對較輕，主要震害現(xiàn)象是框架結(jié)構(gòu)填充墻開裂和破壞(如圖l所示)。值得注意的是，由于樓板和填充墻對框架梁的剛度和抗彎承載力的增強作用，導(dǎo)致許多框架結(jié)構(gòu)的柱端出鉸，呈現(xiàn)“強梁弱柱”的破壞機制(如圖2、圖3所示)，甚至造成倒塌破壞，這與框架結(jié)構(gòu)“強柱弱梁”屈服破壞機制的抗震設(shè)計目標(biāo)不符。曾采用pushover方法分析表明，樓板對梁的加強作用影響“強柱弱梁”的實現(xiàn)。認(rèn)為有無填充墻的框架結(jié)構(gòu)，其層間剛度、自振周期和位移響應(yīng)等方面都不相同。對一個3層5跨的框架空心磚填充墻結(jié)構(gòu)和一個同樣的純框架結(jié)構(gòu)進行剛度測試后發(fā)現(xiàn)，前者的抗側(cè)移剛度是后者的7倍。提出分步抗震設(shè)計方法以考慮填充墻逐步破壞對結(jié)構(gòu)剛度的影響，該方法是對簡單規(guī)則結(jié)構(gòu)的彈性簡化實用算法。

    本文首先總結(jié)了框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，規(guī)范對樓板和填充墻的相關(guān)規(guī)定。然后針對汶川地震中一典型“強梁弱柱”震害，分析了樓板和填充墻對框架結(jié)構(gòu)塑性鉸分布和破壞機制的影響，為完善框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提供參考。

 

 

1、我國規(guī)范相關(guān)規(guī)定

    關(guān)于圍護墻和隔墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(以下簡稱“填充墻”)對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011一2001) 3．7．4條規(guī)定：圍護墻和隔墻應(yīng)考慮對結(jié)構(gòu)抗震的不利影響，避免不合理設(shè)置而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的破壞。可見，這一條款明確指出了填充墻可能會帶來的不利影響，但規(guī)范未給出如何考慮填充墻對結(jié)構(gòu)抗震不利影響的具體方法。實際結(jié)構(gòu)中填充墻的類型很多，布置復(fù)雜，與框架主體結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造也多種多樣，其分析模型和參數(shù)難以統(tǒng)一規(guī)定，因此結(jié)構(gòu)分析中考慮填充墻的難度較大。   

    為保證框架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)“強柱弱梁”的目標(biāo)，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2001)的6.2.2條及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3—2002)的6.2.1條作出如下規(guī)定：一、二、三級框架的梁柱節(jié)點處，除框架頂層和柱軸壓比小于0．15者及框支梁與框支柱的節(jié)點外，柱端組合的彎矩設(shè)計值應(yīng)符合下式要求:∑Mc=ηc∑Mb (1)9度抗震設(shè)計的結(jié)構(gòu)和一級框架結(jié)構(gòu)尚應(yīng)符合：∑Mc=1．2∑Mbua  (2)式中：∑Mc 為節(jié)點上下柱端截面順時針或反時針方  向組合的彎矩設(shè)計值之和，上下柱端的彎矩設(shè)計值，可按彈性分析分配；∑Mb為節(jié)點左右梁端截面反時i針或順時針方向組合的彎矩設(shè)計值之和，一級框架節(jié)點左右梁端均為負(fù)彎矩時，絕對值較小的彎矩應(yīng)取零；∑Mbua為節(jié)點左右梁端截面反時針或順時針方i向?qū)嵟涞恼�截面抗震受彎承載力所對應(yīng)的彎矩值之和，根據(jù)實配鋼筋面積(計入受壓筋)和材料強度標(biāo)準(zhǔn)值確定；ηc為柱端彎矩增大系數(shù)，一級取1.4，二級取1.2，三錒取l.1。

    在框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算中，對于現(xiàn)澆樓面和裝配整體式樓面，框架梁的剛度可考慮翼緣的作用予以增大，這更符合結(jié)構(gòu)實際的受力狀態(tài)。相對于不考慮樓面影響的情況，考慮樓面影響后，框架梁的計算內(nèi)力增大，配筋量也增大，這僅考慮了樓板剛度對框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，對“強柱弱梁”的控制無直接關(guān)系。式(1)和式(2)的要求是規(guī)范用于實現(xiàn)“強柱弱梁”的控制條件，表達式雖然根據(jù)框架的抗震等級給出柱端彎矩增大系數(shù)，但并未直接說明如何考慮樓板的影響，因此對樓板作用明顯的框架，無法保證實現(xiàn)“強柱弱梁”。此外，式(1)中∑Mc與∑Mb眠為彎矩設(shè)計值，并非實際配筋，一旦框架梁內(nèi)超配筋，也可能造成“弱柱強梁”。

2、數(shù)值模型

    2.1纖維梁模型及其試驗驗證

    本文采用纖維梁模型建立純框架模型。纖維模型是將桿件截面劃分成若干纖維，每個纖維均為單軸受力，并用單軸應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系來描述該纖維材料的特性，纖維間的變形協(xié)調(diào)則采用平截面假定。清華大學(xué)編制了纖維模型程序，并通過通用商用程序MSC，MARC用戶子程序。將其嵌入到該分析軟件中，梁單元截面如圖4所示，可根據(jù)計算的需要調(diào)整截面混凝土纖維或鋼筋纖維的數(shù)量。纖維模型采用的材料模型如下：在L69eron&Paultre模型的基礎(chǔ)上編制了纖維混凝土模型，其單軸應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線如圖5所示，骨架線加載可反映約束效應(yīng)和軟化行為，卸載及再加載曲線可反映材料在反復(fù)受力下的滯回和剛度退化的特性；在對Légeron等模型進行改進的基礎(chǔ)上，編制了鋼筋纖維模型，可反映鋼筋單調(diào)加載時的屈服、硬化和軟化現(xiàn)象，并合理考慮了鋼筋的 Bauschinger效應(yīng)(如圖6所示)，其與鋼筋的材性試驗結(jié)果吻合良好。

    對鋼筋混凝土框架柱和框架結(jié)構(gòu)的試驗結(jié)果運用上述纖維模型進行了計算對比，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好。該分析模型的材料本構(gòu)模型和分析方法能夠較全面準(zhǔn)確地反映鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在反復(fù)地震作用下的復(fù)雜受力行為。

 

    2.2框架結(jié)構(gòu)的有限元模型

    所分析的本次地震中典型震害建筑位于都江堰(見圖3)，為6層框架結(jié)構(gòu)，沿框架短邊的跨度為7.2m＋2.5m＋7.2m，并在兩端各懸挑1m，長邊方向9跨，每跨6m，設(shè)防烈度為7度。框架結(jié)構(gòu)部分的混凝土為C30，縱筋采用HRB335，柱截面400mm×500mm，沿結(jié)構(gòu)短邊框架梁截面250mm×720mm，沿結(jié)構(gòu)長邊框架梁截面200mm×620mm；樓板厚120mm，混凝土彈性模量取30GPa，泊松比取0.2。

 

    為了研究樓板和填充墻對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，在保持地震動作用與結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布大致相同的情況下，本文建立了3個分析模型，分別為：工況l的純框架模型(見圖7a)；工況2的帶樓板的框架模型(圖7b)；工況3的帶填充墻和樓板的框架模型(圖7c)。框架部分采用纖維梁單元建模；考慮到實際震害情況中樓板基本無損傷，樓板采用彈性厚殼單元；填充墻采用經(jīng)典彈塑性模型+斷裂本構(gòu)模型，極限強度4MPa，彈性模型6.4GPa，開裂強度0.5MPa。

    本文對以上3個模型分別進行了三向地震動同時作用下的彈塑性時程分析。地震動采用汶川地震主震時什邡八角鎮(zhèn)的地震記錄，見圖8。圖9給出了該地震記錄的兩個水平方向地震波的擬加速度反應(yīng)譜與按規(guī)范7度大震和8度大震加速度反應(yīng)譜的對比，可以看出南北分量的地震動比較強，在周期小于2 S的區(qū)段內(nèi)，其峰值加速度均顯著高于規(guī)范反應(yīng)譜。

3、結(jié)果分析

    3.1結(jié)構(gòu)總基底剪力時程

    3個模型基底總剪力時程響應(yīng)如圖l0所示，最大基底剪力見表l。純框架模型與帶樓板的模型基底剪力的水準(zhǔn)相差相對較小，且在l7.0s后結(jié)構(gòu)進入倒塌狀態(tài)，基底剪力下降。帶填充墻框架由于填充墻對結(jié)構(gòu)剛度的增大作用，周期明顯小于工況1的純框架模型(見表l)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受到的地震作用力增大，基底剪力是純框架模型的近3倍。

 

    注：G為結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值，c=54500kN。

    3.2塑性鉸分布與倒塌機制

    工況l在l8.0s時開始整體倒塌，工況2在16.5s時開始整體倒塌，工況3未發(fā)現(xiàn)整體垮塌。為方便比較，均取結(jié)構(gòu)在18.0s時刻的塑性鉸分布。由于三維框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件繁多，各榀框架的塑性鉸分布相似，文中僅給出中問一榀框架的塑性鉸分布。下文將對3個不同框架模型在什邡地震波輸入下的抗震性能進行分析比較。

    3.3比較分析

    綜合以上3個工況的分析結(jié)果可以看出，在結(jié)構(gòu)受到超大震作用的情況下，純框架模型工況1的計算結(jié)果與抗震設(shè)計預(yù)期目標(biāo)基本相符。帶樓板框架模型工況2最早形成倒塌機構(gòu)，是典型的“強梁弱柱”屈服機制，樓板的存在不利于形成“強柱弱梁”屈服機制；由于隔墻豎向分布不均勻，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)豎向剛度發(fā)生突變，工況3帶填充墻和樓板的框架模型形成明顯的底部薄弱層，但填充墻使得結(jié)構(gòu)原設(shè)計預(yù)期的“強柱弱梁”屈服機制發(fā)生改變，倒塌機制形成晚于工2，且?guī)�填充墻和樓板的框架二層以上結(jié)構(gòu)基本完好。

    根據(jù)以上分析結(jié)果，樓板和填充墻對框架結(jié)構(gòu)抗  震性能的影響總結(jié)如下：

    (1)純框架與規(guī)范設(shè)計預(yù)期相符，但是與實際結(jié)構(gòu)的抗震性能和震害情況有差距，現(xiàn)澆樓板對框架梁的加強作用明顯，不可忽略，按照規(guī)范設(shè)計的框架無法保證“強柱弱梁”的抗震設(shè)計目標(biāo)的實現(xiàn)。

    (2)填充墻對結(jié)構(gòu)的抗震的影響有利有弊。一方面填充墻起到一定的抗側(cè)力作用；另一方面，若填充墻設(shè)置不合理，也可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)形成對抗震不利的倒塌機構(gòu)，如由于填充墻不均勻布置導(dǎo)致上下實際層剛度差異較大，可能使框架結(jié)構(gòu)形成軟弱層。另外，填充墻使結(jié)構(gòu)剛度增大，結(jié)構(gòu)受到的地震作用也增大，對于填充墻較多的多層框架，該現(xiàn)象非常明顯。

    3.4討論

    該工程按工況l純框架結(jié)構(gòu)“強柱弱梁”屈服機制進行設(shè)計，而實際情況由于樓板和填充墻的影響，使實際結(jié)構(gòu)強制按工況3形成底層屈服機制，柱端的承載力得到充分發(fā)揮，這是導(dǎo)致工況3基底剪力增大幅度比工況1和工況2大很多的原因。但需要指出的是，這并不能簡單認(rèn)為工況3的抗震性能優(yōu)于工況1和工況2。因為，由于地震的隨機性，地震輸入能量也  極易在該層形成集中，因此層屈服機制極易造成  層倒塌，本次地震就出現(xiàn)許多這類震害，見圖11。

 

圖11汶川地震中框架結(jié)構(gòu)層屈服機制倒塌震害

    由于工況3的層屈服機制是未合理考慮樓板和填充墻影響所致，并不在設(shè)計預(yù)期掌控之中。如果實際工程中隨意布置填充墻，可能造成結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，地震作用下還有可能引起扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，這將會加重層屈服機制的破壞可能。因此，在設(shè)計中充分考慮填充墻對整體結(jié)構(gòu)抗震性能的影響是十分必要的，即應(yīng)充分理解《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的3.7.4條規(guī)定，并在設(shè)計中予以落實。

    然而，本文所分析的案例，底層全無填充墻。如考慮上部樓層填充墻的剛度貢獻，該結(jié)構(gòu)底層剛度顯著小于上部樓層，形成能量集中耗散層屈服破壞機制，上部其他層填充墻不再破壞，甚至連裂縫也很少，具有類似“隔震”建筑的特征。這次地震中，許多如圖19中形成層倒塌的震害，上部樓層的人員生命未受到傷害，但底層倒塌的人員則基本全部遇難。如果，底罷不作為人員使用樓層，這種具有底層屈服機制的“隔震”建筑可作為一種能夠抵御超大震的經(jīng)濟實用自勻結(jié)構(gòu)方案。

4、結(jié)論與建議

    (1)基于災(zāi)區(qū)某典型震害框架結(jié)構(gòu)的初步測量數(shù)據(jù)，分別建立純框架模型、帶樓板框架模型、帶填充墻和樓板的框架模型，分析了樓板、填充墻對結(jié)構(gòu)基底剪力、塑性鉸分布和倒塌機制的影響。

    (2)震害和計算分析表明，現(xiàn)澆樓板的作用是導(dǎo)致“強梁弱柱”現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，如在設(shè)計中未充分考慮樓板的影響，將導(dǎo)致按照規(guī)范設(shè)計的框架無法實現(xiàn)一強柱弱梁”的抗震設(shè)計目標(biāo)，建議規(guī)范在驗算強柱弱梁時應(yīng)補充考慮樓板影響。

參考文獻

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)

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