某大樓連梁剪切破壞震害的計算分析與思考

劉育博,楊富涌,魏明宇

(1.四川省建筑設(shè)計院,四川成都 610071;2.四川省建筑科學(xué)研究設(shè)計院,四川成都 610071)

1 工程震害綜述

彭州飯店位于成都彭州市區(qū)。設(shè)計完成于 1992年12月,主體于 1998年完工。主樓地下一層、地上十八層。結(jié)構(gòu)形式為框架-抗震墻結(jié)構(gòu)。設(shè)防烈度為 7度,依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GBJ 11-89進(jìn)行抗震設(shè)計。結(jié)構(gòu)平面布置及樓層層高情況詳圖 1和表1。

從樓層典型平面可以看出,該結(jié)構(gòu)整體剛度大。在結(jié)構(gòu)單體體量不大的情況下,中部的抗震墻閉合形成筒體,且數(shù)量較多。但抗震墻洞口連梁設(shè)置普遍較高,各層連梁高度均同表2列出的 LL1、LL2,且連梁跨高比極小(均小于 2.5)。

5·12地震震害表現(xiàn)為 LL1和 LL2的在首層至十三層出現(xiàn)不同程度的交叉斜裂縫。LL1發(fā)生嚴(yán)重剪切破壞,主要集中在二層 ～八層段:交叉斜裂縫自連梁支座兩端呈對角直線貫通。上部混凝土完全壓碎,形成很大的空洞。LL2由于跨高比相對較大,裂縫類型雖然屬于剪切型,但依然呈現(xiàn)出一些彎剪組合特征,其受損情況相對較輕。其余結(jié)構(gòu)構(gòu)件如框架柱、框架梁、剪力墻以及其它部位連梁均無裂縫出現(xiàn),震后無破損情況。

2 SATWE程序計算與工程震害對比

由于該工程震害集中體現(xiàn)在兩個抗震墻筒體相連的連梁 LL1、LL2上,為使分析具有針對性,本文將工作的重點(diǎn)也集中于此。筆者采用中國建研院 PKPM軟件 SATWE(2006年10月版)對該工程首先進(jìn)行原有設(shè)防烈度 7度下的多遇地震計算,檢驗其小震下的安全性能,而后根據(jù)國家地震局發(fā)布的《汶川 8.0級地震烈度分布圖》彭州市區(qū)的遭遇烈度(7度)進(jìn)行補(bǔ)充計算。并將程序計算結(jié)果與震害進(jìn)行對比。

2.1 7度多遇地震下的對比

7度下的多遇地震下,本文將程序計算結(jié)果與圖紙實(shí)際配筋做了對比,對于框架梁柱而言,二者基本吻合。但是針對抗震墻的連梁,尤其是連接左右兩個筒體的連梁 LL1、LL 2,計算和實(shí)配值存在較大差異。以下列出 LL1在 2、3、4層的實(shí)配值和程序計算值(表3)。

造成此差異的原因是多方面的:(1)當(dāng)時計算程序 TBSA和目前選用的 SATWE程序單元模型不同。TBSA空間桿系模型針對連梁計算偏小。(2)遵循的《抗震設(shè)計規(guī)范》GBJ 11-89和GB 50011-2001在內(nèi)力調(diào)整系數(shù)不同。從目前的設(shè)計眼光來看,跨高比如此小的連梁,其箍筋配置是存在安全隱患的。

2.2 遭遇烈度下的計算分析

在 7度遭遇烈度(即 7度設(shè)防烈度)下,為較真實(shí)地體現(xiàn)當(dāng)時的地震作用,筆者采用中震不屈服方法驗算該結(jié)構(gòu)的承載力。具體步驟是:將水平地震影響系數(shù) αmax調(diào)至 7度中震值 0.23,把荷載分項系數(shù)改為 1.0,取消抗震承載力調(diào)整系數(shù) γRE,同時材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值。也就是說,降低結(jié)構(gòu)的安全儲備,在相對真實(shí)的情況下采用振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

計算結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)超筋情況出現(xiàn)在LL1位置,自二層至十三層均為剪壓比超過上限,即 V>0.15fcbh0。LL2在二層和六層出現(xiàn)相同的情況。表4列出 LL1、LL2在二至六層的剪力值。

可以看出 LL1、LL2的計算結(jié)果和實(shí)際連梁破壞情況大體趨勢是一致的。LL1在地震中裂縫沿兩端支座對角直線貫穿。這正是剪壓比超限后發(fā)生斜壓破壞的典型特征;而LL2計算結(jié)果在 3、4、5層均未超過剪壓比上限,雖然與震害中的剪切破壞有一定差異,但與裂縫呈現(xiàn)出的些許彎剪組合特征也是基本相符的。同時施工質(zhì)量差和預(yù)埋孔洞對連梁實(shí)際抗剪能力削弱也會對該連梁破壞模式產(chǎn)生一些影響。

3 關(guān)于連梁設(shè)計的一些思考

針對本工程特點(diǎn),抗震墻作為第一道抗震防線吸收了絕大多數(shù)地震力,從而保護(hù)相連框架的安全性。但是連梁的破壞模式并不理想,作為連接左右筒體的主要水平構(gòu)件,發(fā)生脆性剪切破壞的直接后果,是左右筒體轉(zhuǎn)變成獨(dú)立墻肢,分別承受相應(yīng)的地震剪力。其抗側(cè)剛度大幅降低。如果遭遇烈度更大,則該建筑的抗震安全性能會經(jīng)受嚴(yán)峻考驗。理想的連梁破壞機(jī)制,應(yīng)是連梁受彎后屈服,在支座形成塑性鉸。既耗散地震能量,同時繼續(xù)約束兩側(cè)抗震墻的變形。直到地震力增大到某種程度使得其承受的彎矩超過塑性鉸轉(zhuǎn)動能力時,端部混凝土受壓區(qū)壓碎為止。這種破壞模式在抗震中發(fā)揮的作用遠(yuǎn)優(yōu)于前者。設(shè)計延性連梁,主要是控制合適的跨高比。就本工程,筆者針對LL1嘗試了兩種方式來增大連梁的跨高比:減小連梁高、減小連梁高度同時增大跨度(表5、表6)。

從表中不難看出,表5中雖然減小 LL1的高度,造成其承受地震剪力降低,但是自身抗剪能力減少得更多。而表6則通過增大跨度并減少高度相結(jié)合的方式最終解決了剪壓比超限的問題。分析原因,筆者認(rèn)為協(xié)調(diào)連梁兩側(cè)抗震墻的剛度是解決連梁破壞模式的主要因素。就本工程而言,由于LL1兩側(cè)筒體剛度太大,僅僅通過減小梁高是無法傳遞墻體側(cè)移產(chǎn)生的巨大剪力的。只有適當(dāng)削弱抗震墻剛度,同時連梁截面又不能取值過小,才能從中尋找到平衡。盡管這樣的結(jié)果會造成結(jié)構(gòu)的自振周期有所加長,但將改變連梁的破壞模式極大改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

目前,《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》對于連梁的“強(qiáng)剪弱彎”措施,采取的是如下原則:

但這是在多遇地震下的實(shí)現(xiàn)的。通過本工程可以看出,如果在地震作用達(dá)到設(shè)防烈度或更大的情況,原先的延性破壞就可能轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈约羟衅茐?。因?筆者認(rèn)為,只有更大幅度地增大抗剪能力和抗彎能力比例,同時重視連梁的概念設(shè)計,才能有效改善連梁的延性。

4 結(jié)束語

本文運(yùn)用中國建研院 PKPM的 SATWE程序?qū)?5·12地震彭州飯店連梁剪切破壞工程進(jìn)行下多遇地震計算以及實(shí)際遭遇烈度下中震不屈服計算,針對發(fā)生破壞的連梁,二者取得了大體一致性。由此提出,設(shè)計工作基于多遇地震下實(shí)現(xiàn)的“強(qiáng)剪弱彎”的連梁延性受力機(jī)制,并不能夠保證在中震以及大震下達(dá)到理想變形模式。并提出連梁的截面高度和跨度的選擇,不僅需要調(diào)節(jié)自身的跨高比,還需兼顧抗震墻體的整體剛度,注重連梁的概念設(shè)計,方能最大可能的實(shí)現(xiàn)理想的延性破壞模式。

[1]GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]

[2]GB J 11-89建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]

[3]包世華.新編高層建筑結(jié)構(gòu)(第二版)[M].北京:中國水利水電出版社,2005

[4]周穎,呂西林.中震彈性設(shè)計與中震不屈服設(shè)計的理解與實(shí)施[J].結(jié)構(gòu)工程師,2008(12)