低矮框剪結構的抗震能力評價

史義博

(中國中元國際工程有限公司，北京 100089)

框架結構具有空間大，布置靈活等特點，并且具有很好的抗震性能，因此，在現(xiàn)代洋房、商場等低矮建筑中備受推崇。但是，框架結構在大地震中表現(xiàn)并不是很理想，2008年汶川地震中，在強震區(qū)或極震區(qū)框架結構出現(xiàn)了大量的底層或底兩層坐層破壞，造成了大量的人員傷亡;在1999年的中國臺灣Chichi地震中，同樣也出現(xiàn)了大量框架結構底層坐層破壞，并沒有達到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設計原則［1，2］。而剪力墻結構具有很好的抗側力能力，但是，由于其空間小，其目前主要運用在高層住宅中?？蚣芗袅Y構正是結合了兩者的特點，既能夠提供較大的空間，又能具有較大的抗側力能力，能夠很好的保護框架柱在大地震中不至于產生倒塌破壞。由于結合了兩種優(yōu)點，框架剪力墻結構一般不是很高。隨著經濟水平的提高，性能設計的成熟，低矮框架剪力墻結構也越來越受到人們的青睞。剪力墻、框架剪力墻等結構的抗震性能國內已經有大量的研究［3-7］?？紤]到框剪結構的優(yōu)越特性，合理布置剪力墻便成了重要的內容，有人考慮增加少量剪力墻結構來提高其抗震性能，同時能夠提高抗倒塌能力［8］。本文主要以汶川地震中都江堰市區(qū)的幾棟低矮框架、框剪為主要研究對象，對比分析其震害特征，結果表明，低矮框剪結構在大震條件下的震害明顯輕于框架結構，且能夠明顯具有抗倒塌能力。最后，本文通過ABAQUS有限元軟件對其中一棟框剪結構進行大震下的數值模擬，結果表明，剪力墻承擔了大部分的地震剪力，有效地保護了框架柱。

1 震害對比

2008年5月12日下午2時28分，我國四川省發(fā)生了8.0級大地震，震中烈度高達11度。

圖1 都江堰一框架結構填充墻完全塌落

圖2 都江堰一框架結構窗間墻破壞

這次地震造成了大量的人員傷亡和經濟損失。以都江堰為例，都江堰地區(qū)位于9度區(qū)，地震中有大量的框架結構發(fā)生了底層或底兩層坐層倒塌，或發(fā)生嚴重的破壞，而與之相隔不遠的框架剪力墻結構卻僅發(fā)生中等左右的破壞，如圖1～圖4所示。從圖1可以看到，在都江堰地區(qū)一框架結構破壞相當嚴重，填充墻已經完全倒塌，只留下殘墻。圖2是框架結構窗間墻破壞，其墻已經完全變形酥碎。圖3和圖4為離框架結構不遠處的一8層框剪結構。部分剪力墻也出現(xiàn)了剪切破壞，但是填充墻基本上破壞較少，造成的傷亡較少，大樓內儀器損壞較少。從震害對比就能看出，在極震區(qū)，框剪結構的抗震性能要遠好于框架結構，其造成傷亡要明顯少于框架結構。

圖3 與圖2框架相距不遠的框剪結構

圖4 圖3中剪力墻結構的窗戶拐角處破壞

圖5 框架剪力墻結構平面簡圖

圖6 框架剪力墻結構立面簡圖

2 ABAQUS有限元建模

為了分析低矮框架剪力墻結構的大震抗震性能，本文以都江堰一個8層框剪結構為分析對象，進行ABAQUS有限元建模時程分析。結構的基本信息如圖5，圖6所示。

模型采用實體單元模擬柱和梁，采用殼單元模擬剪力墻、樓板和填充墻，采用面單元模擬梁和柱內的鋼筋，而采用rebar layer布置剪力墻和樓板內的鋼筋。梁、柱、剪力墻、樓板等構件使用C35混凝土材料，其拉壓全應力應變曲線如圖7所示。填充墻采用粘土磚標號為MU10、砂漿標號為M5的砌體材料，其本構曲線如圖8所示［9］。鋼筋采用線彈性本構。在ABAQUS中，混凝土、砌體等材料采用混凝土損傷塑性模型模擬。模型圖如圖9所示。前三階模態(tài)如圖10～圖12所示。

圖7 混凝土材料其拉壓全應力應變曲線

圖8 填充墻的砌體材料本構曲線

圖9 有限元模型圖

圖10 第一階模態(tài)——橫向平動

圖11 第二階模態(tài)——縱向平動

圖12 第三階模態(tài)——扭轉

3 抗震能力分析

對模型采用最大加速度峰值為0.4g的臥龍波考慮雙向地震動輸入進行時程分析。所輸入臥龍波按照抗規(guī)2010相應規(guī)定截取14 s。臥龍波的時程曲線及其反應譜結果如圖13，圖14所示。

拉損傷云圖與壓損傷云圖如圖15，圖16所示。從圖15可以看到，結構在圓形拐角處，由于剛度突變較大，損傷也較大，與實際震害比較可知，實際震害在拐角處也發(fā)生較多破壞，窗戶處的剛度突變使應力集中到剪力墻處，使剪力墻發(fā)生破壞，混凝土剝落，鋼筋露出。層間位移角如圖17所示。從圖17可以看到，由于X向比較規(guī)則，層間位移角變化比較規(guī)則，而Y向由于剪力墻布置不夠均勻，層間位移角發(fā)生了重分布，在第二層和第五層發(fā)生了相對較大的變化，實際震害發(fā)現(xiàn)，第二層拐角處震害最為嚴重，但都沒有發(fā)生填充墻倒塌的情況。從圖17可以看到，結構最大的位移角小于1/200滿足規(guī)范要求的1/120的要求。

圖13 臥龍波的時程曲線

圖14 臥龍波反應譜與設計反應譜對比

圖15 拉損傷云圖

圖16 壓損傷云圖

圖17 層間位移角

4 結語

通過汶川地震中框架結構、框剪結構的實際震害的對比，發(fā)現(xiàn)框架結構發(fā)生了較大的破壞，造成了較大人員傷亡，而與之不遠的框剪結構的震害明顯輕于框架結構，且明顯具有抗倒塌能力。

本文利用ABAQUS有限元建模分析了一個實際震害的8層框剪結構，通過分析發(fā)現(xiàn)，剪力墻結構在大震作用下能夠滿足結構大震的下層間位移角限制，因此，在極震區(qū)，建議增加低矮框剪結構而減少框架結構，以減少損失。

［1］JGJ 3-2008，高層建筑混凝土結構技術規(guī)程［S］.

［2］GB 50011-2010，建筑抗震設計規(guī)范［S］.

［3］鄭 山，鎖 侯，丕 吉，等.RC剪力墻地震損傷試驗研究［J］.土木工程學報，2012，45(2):51-59.

［4］李宏男，李 兵.鋼筋混凝土剪力墻抗震恢復力模型及試驗研究［J］.建筑結構學報，2004，25(5):35-42.

［5］李 兵，李宏男，曹敬黨.鋼筋混凝土高剪力墻擬靜力試驗［J］.沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2009，25(2):230-234.

［6］張維斌.多層及高層鋼筋混凝土結構設計釋疑及工程實例［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［7］呂大剛，于曉輝，王光遠.基于單地震動記錄IDA方法的結構倒塌分析［J］.地震工程與工程振動，2009，29(6):33-39.

［8］丁永君，楊 潔，賈 莉.剪力墻框架結構在多遇地震下的抗震性能計算分析［J］.建筑結構，2012，42(4):75-78.

［9］于海祥.鋼筋混凝土結構地震損傷模型研究［D］.重慶:重慶大學，2004.

［10］堯國皇，黃用軍，宋寶東，等.采用塑性損傷模型分析鋼—混凝土組合構件的靜力性能［J］.建筑鋼結構進展，2009，11(3):12-18.