翼緣框架柱框架結(jié)構(gòu)抗震性能初探

張李勇 （合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 慨 述

2008年汶川地震，當(dāng)?shù)氐闹行W(xué)建筑震害十分嚴(yán)重，四川省有將近7000多座學(xué)校教育建筑坍塌，部分框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓發(fā)生了整體倒塌，導(dǎo)致2萬多名學(xué)生傷亡[1]，社會各界為之震驚。地震發(fā)生后，學(xué)校建筑尤其是教學(xué)樓的倒塌原因受到了來自世界各地的建筑抗震專家的高度關(guān)注[2]。

由于對通風(fēng)采光等方面有較高要求，汶川當(dāng)?shù)卦S多中小學(xué)教學(xué)樓采用單跨框架結(jié)構(gòu)形式，外挑一定長度的外走廊。這種結(jié)構(gòu)形式抗震防線單一，冗余度少，強烈地震作用下，柱子出現(xiàn)破壞，結(jié)構(gòu)瞬間整體倒塌[3]。結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)期望的“強柱弱梁”破壞機制，許多框架梁甚至在結(jié)構(gòu)倒塌后都完好無損，這其中主要有框架梁的鋼筋超配、現(xiàn)澆樓板影響和填充墻影響等。

汶川地震后，我國對中小學(xué)教學(xué)樓提高了設(shè)防類別并在《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010） 第6.1.5條規(guī)定：“甲、乙類建筑以及高度大于24m的丙類建筑，不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)；高度不大于24m的丙類建筑不宜采用單跨框架結(jié)構(gòu)”。本文提出在普通純框架結(jié)構(gòu)框架柱邊增設(shè)一定長度和寬度的剪力墻翼墻，剪力墻整體數(shù)量較少，形成一種翼緣框架柱框架結(jié)構(gòu)，探討以此來改變框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞機制。本文借助Midas/Building[4-5]有限元分析軟件，對翼緣框架柱框架結(jié)構(gòu)大震作用下的破壞機制進(jìn)行初步研究。

2 彈塑性分析

2.1 案例概況

如圖1所示為某5層框架結(jié)構(gòu)中學(xué)教學(xué)樓，層高均為3.6m，抗震設(shè)防烈度為7度（0.10g），第一組，Ⅱ類場地。梁、柱截面尺寸如圖中標(biāo)注所示，樓板厚120mm。梁、柱和樓板混凝土強度等級為C30，鋼筋采用HRB400級鋼筋?？招钠鰤K填充墻厚200mm。

本文對單跨純框架結(jié)構(gòu)（模型1）和翼緣框架柱框架結(jié)構(gòu)（模型2）進(jìn)行罕遇地震作用下的靜力彈塑性分析分析。翼緣框架柱框架結(jié)構(gòu)為在純框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)位移容易出現(xiàn)最大值的四角對稱設(shè)置L形翼緣框架柱，翼墻厚度300mm，長度為800mm。

不計板自重的樓面、屋面恒載為1.5kN/m2和4kN/m2；樓面活載為2.5kN/m2（教室）、3.5kN/m2（走廊），屋面活載為0.5kN/m2；內(nèi)、外墻線荷載為6.5kN/m和7.5kN/m、混凝土欄板陽臺和女兒墻線荷載均為4kN/m。框架和剪力墻抗震等級均為二級，周期折減系數(shù)0.7。

2.2 靜力彈塑性分析

進(jìn)行push-over分析，率先對結(jié)構(gòu)施加重力荷載（1.0DL+0.5LL），模擬地震作用下結(jié)構(gòu)的初始受力情況[6]。然后再對結(jié)構(gòu)施加軟件自帶的振型荷載分布模式的側(cè)向荷載，由于結(jié)構(gòu)Y向剛度相對較弱，側(cè)向荷載僅在結(jié)構(gòu)Y向施加。采用位移控制的增量控制方法，在第一水準(zhǔn)下自動調(diào)整步長，極限層間位移角為1/20，結(jié)構(gòu)最大位移控制為1/50總高（360mm）。

2.2.1 性能點分析

該算例中，單跨純框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下靜力彈塑性分析時沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能點，結(jié)構(gòu)沒有足夠的抗倒塌能力。程序以最接近控制位移時步驟為結(jié)束步驟，推覆結(jié)束時，結(jié)構(gòu)的頂點位移為310.225mm，接近結(jié)構(gòu)最大控制位移，最大層間位移角為1/46，大于1/50的規(guī)范規(guī)定限值。翼緣框架柱框架結(jié)構(gòu)存在性能控制點，說明結(jié)構(gòu)有足夠的抗倒塌能力。

Y向靜力彈塑性工況下，翼緣框架柱框架結(jié)構(gòu)性能點處結(jié)構(gòu)的最大層間位移出現(xiàn)在第3層，為12.134mm；最大層間位移角為1/296，小于《 建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（ GB50011-2010）1/50 的規(guī)定限值，滿足彈塑性極限的要求。

從圖2結(jié)構(gòu)位移-剪力能力曲線可以看出，翼緣框架柱框架結(jié)構(gòu)的抗震承載能力比純框架結(jié)構(gòu)有較大提升，結(jié)構(gòu)能力曲線在下降后繼續(xù)上升，上升曲線斜率同前期上升曲線斜率接近，表明翼墻遭受地震作用后破壞，結(jié)構(gòu)框架部分作為第二道防線繼續(xù)承擔(dān)地震作用，保障結(jié)構(gòu)整體安全性。

2.2.2 塑性鉸發(fā)展情況

Midas/Building中，對于梁、柱等線性結(jié)構(gòu)構(gòu)件，采用鉸模型來表現(xiàn)其非線性特征；對于剪力墻構(gòu)件，采用纖維模型來進(jìn)行模擬。

從模型1塑性鉸發(fā)展情況（圖3）可以看出，純框架結(jié)構(gòu)塑性鉸首先在梁端出現(xiàn)，隨著側(cè)向推覆力的增大，底層柱下端開始出現(xiàn)塑性鉸，側(cè)向推覆力繼續(xù)增大到推覆結(jié)束時，結(jié)構(gòu)底層柱端塑性鉸發(fā)展情況（LS狀態(tài)）均比結(jié)構(gòu)梁端（B或IO狀態(tài)）充分，大震作用下結(jié)構(gòu)容易底層柱端率先破壞，發(fā)生整體倒塌。

從模型2塑性鉸發(fā)展情況(圖4、圖5)可以看出，翼緣框架柱框架結(jié)構(gòu)框架部分塑性鉸首先在翼墻與框架梁交接處的梁端出現(xiàn)，隨著側(cè)向推覆力的增大，底層柱下端開始出現(xiàn)塑性鉸，側(cè)向推覆力繼續(xù)增大到推覆結(jié)束時，梁端大部分塑性鉸進(jìn)入屈服階段（C、D狀態(tài)），梁端破壞，充分吸能耗能，此時底層柱端大部分塑性鉸還處于正常使用極限狀態(tài)（LS狀態(tài)）。結(jié)構(gòu)翼墻部分較框架部分先出現(xiàn)塑性鉸，隨著推覆力的增加，其應(yīng)變狀態(tài)不斷發(fā)展，到推覆結(jié)束時僅結(jié)構(gòu)靠近懸挑端第二層底部翼墻進(jìn)入第5應(yīng)變狀態(tài)，其余大部分處于第1應(yīng)變狀態(tài)。大震作用下翼墻作為第一道抗震防線未完全退出工作，退出工作部分的地震力轉(zhuǎn)嫁給結(jié)構(gòu)框架柱繼續(xù)承擔(dān)，框架柱未出現(xiàn)屈服，實現(xiàn)了多道抗震防線的設(shè)置，有效保證結(jié)構(gòu)的整體安全性。

3 結(jié) 論

本文對某教學(xué)樓的單跨純框架結(jié)構(gòu)和翼緣框架柱框架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行靜力彈塑性分析，對比二者的抗震性能和破壞機制，可以得出以下結(jié)論：

①相比較純框架結(jié)構(gòu)，翼緣框架柱框架結(jié)構(gòu)由于翼墻的增設(shè)提高了結(jié)構(gòu)的抗震承載能力；②翼緣框架柱框架結(jié)構(gòu)改善了結(jié)構(gòu)罕遇地震作用下的破壞機制，有利于結(jié)構(gòu)“強柱弱梁”破壞機制的實現(xiàn)，增強了結(jié)構(gòu)的延性；③翼緣框架柱框架結(jié)構(gòu)在理論上實現(xiàn)了多道抗震防線的設(shè)計理念，罕遇地震作用下翼墻首先吸能耗能，能夠延緩結(jié)構(gòu)主體框架部分塑性鉸的發(fā)展，減小破壞。

在單跨純框架結(jié)構(gòu)抗震防線單一、抗倒塌能力不足的情況下，考慮在中小學(xué)教學(xué)樓建筑中采用翼緣框架柱框架結(jié)構(gòu)，有其理論上的可行性。翼墻的合理布置數(shù)量和位置需要進(jìn)一步研究。

[1]史慶軒，楊坤，王秋維，門進(jìn)杰.汶川大地震村鎮(zhèn)中小學(xué)建筑的震害調(diào)查和分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報，2008(5).

[2]馮遠(yuǎn),劉宜豐，肖克艱，等.來自汶川大地震親歷者的第一手資料——結(jié)構(gòu)工程師的視界與思考［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[3]白楊.帶懸挑外廊單跨框架結(jié)構(gòu)抗震加固方法研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

[4]Building Code Requirements for Structural Concrete(ACI318-05)And Commentary(ACI318R-05).ACICommittee318，2002.

[5]北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.結(jié)構(gòu)大師用戶手冊[M].北京:北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司，2009．

[6]北京金土木軟件技術(shù)有限公司.Pushover分析在建筑工程抗震設(shè)計中的應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.