水平與豎向近場(chǎng)強(qiáng)震作用下混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗剪性能*

趙衛(wèi)鋒， 何方平， 劉 田， 龍志林

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

水平與豎向近場(chǎng)強(qiáng)震作用下混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗剪性能*

趙衛(wèi)鋒， 何方平， 劉 田， 龍志林*

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

探討水平與豎向耦合近場(chǎng)強(qiáng)震作用對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)梁、柱相對(duì)抗剪性能的影響，分析雙向加速度峰值比、構(gòu)件剪跨比、結(jié)構(gòu)豎向自振周期及框架柱初始軸壓比與框架梁、柱的抗剪性能之間的關(guān)系.結(jié)果表明：峰值比及豎向自振周期的增加對(duì)梁、柱抗剪性能有明顯的削弱作用；梁、柱抗剪性能系數(shù)隨著剪跨比及初始軸壓比的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)；在水平與豎向近場(chǎng)地震作用下，對(duì)常規(guī)的抗震設(shè)計(jì)工況，出現(xiàn)了混凝土框架柱先于框架梁的剪切失效破壞模式.

近場(chǎng)地震作用；框架結(jié)構(gòu)；豎向地震；抗剪失效

1995年日本阪神大地震中，整體坐層倒塌現(xiàn)象十分普遍，特別是高層混凝土框架結(jié)構(gòu)中間層的坐層倒塌，引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注[1～4].整體坐層倒塌是指結(jié)構(gòu)某層整體下挫，上層樓蓋相對(duì)完好地坍塌在地面或下層樓板之上的一種倒塌破壞模式.日本學(xué)者[1,5]解析阪神地震中有一類混凝土框架結(jié)構(gòu)的坐層倒塌為抗剪失效為主的坐層倒塌：“直下型”豎向地震動(dòng)分量大，框架柱抗剪承載力和軸向承載力嚴(yán)重?fù)p失，而框架梁及樓蓋的剛度和承載力較大.國(guó)內(nèi)楊春田[2]有過(guò)相同論述，認(rèn)為豎向地震作用是結(jié)構(gòu)坐層倒塌的重要荷載因素.國(guó)內(nèi)外學(xué)者很早即開(kāi)始了研究軸向荷載對(duì)混凝土框架柱抗剪承載力的影響，王家輝[6]以及Nakamura[7]的試驗(yàn)研究表明，軸向荷載水平是混凝土柱破壞形態(tài)的決定因素.然而，受制于工程結(jié)構(gòu)水平與豎向聯(lián)合地震作用效應(yīng)的復(fù)雜性,以及現(xiàn)有抗剪研究手段不完善,關(guān)于近場(chǎng)豎向速度脈沖型地震作用對(duì)混凝土柱抗剪性能影響的研究不多，國(guó)內(nèi)鮮有相關(guān)的報(bào)道.Kunnath[8]和Sung[9]研究了混凝土橋墩的抗剪性能，混凝土橋墩的抗剪承載能力在豎向速度脈沖地震作用下會(huì)有明顯的削弱.Brown[10]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)增量動(dòng)力時(shí)程試驗(yàn)，研究了近斷層地震作用對(duì)橋墩抗剪承載力的影響，結(jié)果表明橋墩柱在豎向速度脈沖地震作用下更加容易發(fā)生脆性剪切失效.Elnashai[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了豎向地震對(duì)混凝土柱及墻的抗剪性能的影響，結(jié)果表明豎向承重的抗剪性能受豎向地震作用的影響很大.Sarno[12]研究了速度脈沖地震作用下框架柱的抗剪能力/需求比，結(jié)果表明不同峰值比對(duì)應(yīng)的混凝土柱軸力有顯著的變化，當(dāng)混凝土柱處于受壓狀態(tài)時(shí)，抗剪承載能力與抗剪需求之間的比值有很大起伏，速度脈沖地震作用極易引起混凝土柱的抗剪失效.國(guó)內(nèi)趙衛(wèi)鋒和周靖等[13，14]分別采用單個(gè)混凝土柱和框架結(jié)構(gòu)柱為研究對(duì)象，研究了近斷層豎向地震作用對(duì)混凝土柱抗剪性能的影響，研究表明豎向脈沖地震作用下混凝土柱容易發(fā)生剪切脆性破壞.為探究強(qiáng)震中建筑結(jié)構(gòu)抗剪失效坐層破壞形成的機(jī)理，本文以4層平面大跨度混凝土框架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，討論水平及豎向強(qiáng)震作用下加速度峰值比、構(gòu)件剪跨比、框架柱初始軸壓比等參數(shù)與框架梁、柱抗剪性能之間的定性關(guān)系，對(duì)比分析梁、柱相對(duì)抗剪失效的順序.

1 地震動(dòng)記錄與框架結(jié)構(gòu)

1.1 地震動(dòng)記錄

不同的震源機(jī)制對(duì)于結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響較大，為避免震源機(jī)制的干擾和影響，選擇同一地震事件(1999年臺(tái)灣集集地震)中5組地震記錄(原始水平地震記錄與豎向地震記錄).為減小地震記錄場(chǎng)地差異的影響，選擇場(chǎng)地類型均為硬土類，各地震動(dòng)記錄的斷層距R<30 km.記錄來(lái)源于美國(guó)太平洋地震工程研究中心(PEER)強(qiáng)震數(shù)據(jù)庫(kù).數(shù)值參數(shù)分析中水平向地震加速度峰值均為PGAH=0.4 g.

表1 分析所采用的地震波記錄

1.2 框架結(jié)構(gòu)模型

圖1 框架結(jié)構(gòu)立面圖
Fig.1 Elevation of the studied frame

采用專業(yè)結(jié)構(gòu)抗震分析平臺(tái)SeismoStruct[15]建立4層2跨大跨平面框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示.結(jié)構(gòu)底層層高為2.8～4.2 m，其余各層層高均為4.2 m，跨度為15 m，混凝土柱截面均為650×600 mm2，梁截面為900×350 mm2.框架梁、柱混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值14.3 MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.27 MPa，峰值極限應(yīng)變?yōu)?.002.縱向受力鋼筋選取HPB 300，橫向鋼筋選取HPB 235，框架柱與框架梁初始設(shè)計(jì)抗剪承載力之比為1.66.

將即時(shí)抗剪承載力與即時(shí)抗剪需求之比值定義為抗剪性能系數(shù)，用ρ表示.當(dāng)抗剪需求超過(guò)抗剪承載力，即抗剪性能系數(shù)小于1.0時(shí)，混凝土構(gòu)件發(fā)生抗剪失效.以框架結(jié)構(gòu)底層梁、柱為考察對(duì)象，抗剪性能系數(shù)最小值表征最不利抗剪時(shí)刻.框架梁、柱的斜截面即時(shí)抗剪承載力計(jì)算，采用我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[16]的抗剪承載力模型：

(1)

(2)

(3)

式中：αcv為截面混凝土受剪承載力系數(shù)；λ為計(jì)算剪跨比，取值范圍為1.0～3.0，當(dāng)λ小于1.0或大于3.0時(shí)，分別取用1.0或3.0；N為軸壓力，當(dāng)N大于0.3fcA時(shí)取0.3fcA(fc為混凝土抗壓強(qiáng)度，A為構(gòu)件的截面面積)；ft與fyv分別為混凝土的抗拉強(qiáng)度及箍筋的屈服強(qiáng)度；γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)，當(dāng)考慮豎向地震作用時(shí)，取1.0.

2 參數(shù)分析

圖2 框架柱即時(shí)軸力
Fig.2 Axial force time history of frame column

圖2與圖3分別為同一工況下，混凝土框架底層中柱的即時(shí)軸力與即時(shí)抗剪需求時(shí)程曲線.將圖3中抗剪需求取絕對(duì)值，并根據(jù)抗剪承載力公式計(jì)算出即時(shí)抗剪承載力，得到即時(shí)抗剪承載力與即時(shí)抗剪需求時(shí)程曲線，如圖4所示.由圖可知，對(duì)特定設(shè)計(jì)工況下(峰值比大、剪跨比小等)，在水平及豎向強(qiáng)震聯(lián)合作用下，混凝土構(gòu)件的抗剪需求有可能大于抗剪能力，從而發(fā)生剪切失效.

2.1 峰值比的影響

地震災(zāi)害調(diào)查表明，近場(chǎng)區(qū)域豎向地震加速度峰值可能超過(guò)水平加速度峰值，如1994年美國(guó)北嶺大地震中記錄到豎向地震加速度最大值達(dá)到了1.18 g，距離震源31 km處收集地震波記錄最大峰值比甚至達(dá)到了3.64.當(dāng)豎向地震作用強(qiáng)度較大時(shí)，混凝土柱很容易處于“受壓”和“受拉”的相互轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，極不利于框架柱的抗震，尤其是不利于混凝土柱的抗剪.為探討峰值比的影響，保持水平向地震加速度峰值不變(PGAH=0.4 g)，縮放豎向地震加速度峰值得到5種峰值比 (其中峰值比為0，代表不考慮豎向地震作用)，研究雙向強(qiáng)震聯(lián)合作用下，峰值比與混凝土框架梁、柱抗剪性能之間的關(guān)系.由圖5可知，豎向地震作用對(duì)混凝土梁、柱的抗剪性能有重要影響，隨著峰值比的增加，框架梁、柱的抗剪性能基本呈直線遞減，這一變化趨勢(shì)與其他相關(guān)研究[13，14]的結(jié)果是相似的.

圖5 峰值比對(duì)抗剪性能的影響
Fig.5 Influence of vertical-to-horizontal peak ratio on the shear behavior

2.2 剪跨比的影響

由我國(guó)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范所給出的混凝土梁、柱抗剪承載力計(jì)算公式可知，剪跨比是影響混凝土梁、柱抗剪承載力的重要因素，其能反映梁、柱截面彎矩和剪力的比例關(guān)系.以底層柱的剪跨比為控制參數(shù)(改變底層層高)，并將混凝土柱剪跨比簡(jiǎn)化為Hn/2h0(其中Hn為柱的凈高，h0為混凝土柱截面的有效高度).圖6為不同剪跨比對(duì)應(yīng)的框架梁、柱抗剪性能系數(shù).由圖可知，混凝土框架梁、柱的抗剪性能系數(shù)隨著剪跨比的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，在本研究中，當(dāng)剪跨比為3.0時(shí)，梁和柱的抗剪性能系數(shù)達(dá)到最大值.

圖6 剪跨比對(duì)抗剪性能的影響
Fig.6 Influence of shear span ratio on the shear behavior

2.3 豎向周期的影響

結(jié)構(gòu)自振周期是結(jié)構(gòu)的固有屬性，是反映結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的重要參數(shù).由我國(guó)抗震規(guī)范所給出的地震反應(yīng)譜可知，結(jié)構(gòu)的自振周期直接決定地震影響系數(shù)取值，也就意味著結(jié)構(gòu)自振周期在很大程度上規(guī)定了設(shè)計(jì)地震作用的水平.圖7為豎向振動(dòng)周期與梁、柱抗剪性能之間的關(guān)系.由圖可知，框架梁、柱的抗剪性能系數(shù)隨著框架結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)周期的增大有相同的變化趨勢(shì)，即梁和柱的抗剪性能隨著豎向振動(dòng)周期的增大而顯著減小.此變化趨勢(shì)的主要原因是：豎向振動(dòng)周期增大，地震反應(yīng)增大，構(gòu)件的抗剪需求增大，而抗剪承載力有所減小.

圖7 豎向基本周期對(duì)抗剪性能的影響
Fig.7 Influence of vertical fundamental period on the shear behavior

2.4 初始軸壓比的影響

由我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范給定的混凝土柱斜截面抗剪承載力計(jì)算模型可知，混凝土柱的軸向受力狀態(tài)對(duì)抗剪承載能力有重要影響.當(dāng)柱的軸壓比小于0.3時(shí)，軸向壓力增大能夠提高混凝土柱的抗剪承載力，而軸向拉力對(duì)混凝土柱抗剪承載力有明顯削弱作用.豎向地震作用下，建筑結(jié)構(gòu)會(huì)受到垂直向上或向下的豎向地震作用.較大的初始軸壓比并不能提高混凝土柱的抗剪承載力，當(dāng)初始軸壓比較小時(shí)，豎向地震作用容易引起混凝土柱的受拉，從而引起混凝土抗剪承載力的削弱.以底層中間柱初始軸壓比為控制參數(shù)，得到初始軸壓比與混凝土框架梁、柱抗剪性能的關(guān)系如圖8所示.混凝土框架梁、柱抗剪性能系數(shù)隨初始軸壓比的增大有相同的變化趨勢(shì)，即隨著初始軸壓比的增加先增加后減小.在本研究中，梁和柱的抗剪性能系數(shù)的峰值對(duì)應(yīng)的初始軸壓比分別為0.45與0.40時(shí).

圖8 初始軸壓比對(duì)抗剪性能的影響
Fig.8 Influence of initial axial load ratio on the shear behavior

2.5 框架梁、柱抗剪性能的比較

“強(qiáng)柱弱梁”是框架抗震設(shè)計(jì)中對(duì)混凝土框架柱的彎矩設(shè)計(jì)值進(jìn)行放大，使其相對(duì)梁有更好的抗彎能力，保證框架結(jié)構(gòu)在地震作用下僅出現(xiàn)梁鉸屈服機(jī)制或梁先于柱屈服，避免框架在強(qiáng)震作用下因柱端屈服而發(fā)生倒塌破壞.同時(shí)，為防止框架梁、柱在地震作用下發(fā)生脆性的剪切破壞，抗震概念設(shè)計(jì)中提出了“強(qiáng)剪弱彎”的思想，對(duì)框架梁、柱構(gòu)件的抗剪設(shè)計(jì)值進(jìn)行放大，以使框架梁、柱在地震作用下只發(fā)生預(yù)期的彎曲破壞.由上述對(duì)各參數(shù)的討論可知，“強(qiáng)柱弱梁”和 “強(qiáng)剪弱彎”并不一定能有效控制梁柱發(fā)生剪切失效的順序.圖9～圖11對(duì)雙向強(qiáng)震作用下混凝土梁柱抗剪性能(保持足夠的抗彎承載力)進(jìn)行了對(duì)比，從發(fā)生失效時(shí)間橫向的比較可知，梁、柱剪切失效的順序有多種情況.在本文設(shè)定的工況下(框架柱與框架梁初始抗剪承載力之比1.66)，由于外因(加速度峰值比)與內(nèi)因(剪跨比、豎向周期等)不利條件的共同影響，混凝土框架可能出現(xiàn)柱先于梁的剪切破壞，即典型的“強(qiáng)梁弱柱”型抗剪失效模式.在已有的相關(guān)研究中，極少報(bào)道此類情況，關(guān)于此類失效模式的影響規(guī)律，尚有待專門的深入研究.

圖9 框架柱發(fā)生剪切失效
Fig.9 Shear failure of column

圖10 梁與柱基本同時(shí)發(fā)生抗剪失效
Fig.10 Shear failure of beam and column at the same time

圖11 柱先于梁的抗剪失效
Fig.11 Shear failure of column prior to that of beam

3 結(jié) 論

(1) 近場(chǎng)豎向強(qiáng)震作用對(duì)混凝土框架梁、柱的抗剪性能有重要影響，隨著豎向與水平向加速度峰值比的增加，即豎向地震作用強(qiáng)度提高，框架梁和柱的抗剪性能顯著減小.

(2) 混凝土框架梁、柱抗剪性能系數(shù)隨構(gòu)件剪跨比的增大呈先增加后減小的變化趨勢(shì).在本研究中，當(dāng)剪跨比為3.0時(shí)，梁和柱的抗剪性能系數(shù)基本達(dá)到峰值；結(jié)構(gòu)豎向自振周期的增大對(duì)框架梁、柱的抗剪性能有明顯的削弱；隨著框架柱初始軸壓比的增加，框架梁、柱的抗剪性能系數(shù)呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，在本研究中，梁和柱的抗剪性能系數(shù)峰值分別出現(xiàn)在軸壓比為0.45與0.40時(shí).

(3) 水平及豎向聯(lián)合強(qiáng)震作用下，混凝土框架結(jié)構(gòu)可能發(fā)生框架柱先于框架梁的抗剪失效模式.此破壞模式的影響規(guī)律，尚有待深入研究.

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[16] 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50010-2010[S].

責(zé)任編輯：羅 聯(lián)

Shear Resistant Behavior of RC Frame Structures Subjected to Coupled Horizontal and Vertical Near-Field Ground Motions

ZHAOWei-feng,HEFang-ping,LIUTian,LONGZhi-lin*

(Department of Civil Engineering,Xiangtan University, Xiangtan 411105 China)

The influences of coupled horizontal and vertical near-field ground motions on the shear-resistant behavior of reinforced concrete (RC) frame structure are discussed. The relationship between the shear-resistant behavior of frame component and the vertical to horizontal peak ground acceleration (PGA) ratio, shear span ratio of frame component, structural vertical vibration period and initial axial compression ratio are analyzed. The results show that the increase of the PGA ratio and the structural vertical vibration period can significantly weaken the shear-resistant behavior of the beams and columns. The shear behavior factors of the beam and column increase first, and then decrease with increasing in the shear span ratio and the initial axial compression ratio. Considering the general seismic design conditions, the frame column is likely to experience a shear failure prior to a shear failure of the frame beam, when the structure is subjected to the coupled horizontal and vertical near-field ground motions.

near-field ground motion; frame structure; vertical earthquake action; shear-resistant failure

2015-01-10

湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014SK4062)；湘潭市科技計(jì)劃項(xiàng)目(S2013N0013)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51471139 & 51071134)；湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(12JJ2024)

龍志林(1965— )，男，湖南 祁東縣人，教授，博士生導(dǎo)師. E-mail:longzl@xtu.edu.cn

TU318+.1

A

1000-5900(2015)02-0045-08