帶破損安全層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究

柏 潔 廖光明 李輝進(jìn)

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065)

1 概述

結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方法，大體有兩種類型。一種是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法，即加強(qiáng)建筑物的強(qiáng)度和剛度，保證結(jié)構(gòu)自身具有能夠滿足抗震要求的“強(qiáng)度抵抗型”設(shè)計；另一種是增加建筑物塑性變形性能來吸收和耗散地震輸入能量的“延性效果設(shè)計”，比如隔震技術(shù)、耗能減震技術(shù)、吸振減震技術(shù)等。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是一種消極的抗震方式，結(jié)構(gòu)處于被動抵御的狀態(tài)。因此最新的抗震理論研究都趨向于避免結(jié)構(gòu)和地震力硬碰硬，抑制地震能量向結(jié)構(gòu)本體的傳播從而保證結(jié)構(gòu)的完整性，隔震體系已經(jīng)在設(shè)計領(lǐng)域成熟運(yùn)用，各種地震阻尼器技術(shù)相應(yīng)地產(chǎn)生并投入實(shí)踐。但在相對偏遠(yuǎn)和落后的地方想要普及隔震和減振技術(shù)顯然是不太現(xiàn)實(shí)的，因此本文希望在不增加建筑造價的情況下通過改變結(jié)構(gòu)本身的一些構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)建筑物的“延性效果設(shè)計”,具體做法是引用橋梁工程中雙薄壁墩[1]的概念，在建筑的地下室或底層設(shè)置雙薄壁柱，保證其豎向承載力不降低的條件下把單柱改為雙柱，通過減小其線剛度，將遭受大震作用時產(chǎn)生的水平變形集中于該層，使承擔(dān)大量地震能量的吸收和耗散作用直至破損，極大地減少上部結(jié)構(gòu)所受破壞，我們把這一層稱為破損安全層[2]。

2 雙薄壁柱理論分析

假設(shè)方形柱截面寬度為B，在面積變化不大的情況下把方形柱分割為兩個相同的小柱，小柱截面寬度為nB，高度為mB，兩小柱中間分開，留有微小間隙Δ，如圖1所示。

分割的目的是為了減小柱的線剛度，因此在分割后相比原來的單根柱在其他屬性上不宜差別過大，假設(shè)有：

可以看出，當(dāng)分割后的小柱邊長約為原來的0.707倍時，雙薄壁柱兩個方向上的慣性矩均減小為原來的1/2。

3 模擬實(shí)例

以一四層學(xué)生宿舍框架為例，在SAP2000中建立兩種框架模型如圖2，圖3所示。

3.1 側(cè)移剛度對比

在x方向上，對于方形單柱：

對于分割后的雙薄壁柱：

側(cè)移剛度比：

很顯然，在截面面積相同的情況下，分割后的雙柱的側(cè)移剛度減小為原來的1/2，可以將其設(shè)置于破損層。

如圖4所示，通常情況下我們希望框架結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制如圖4a)所示，但在2008年汶川地震中主體保存下來的房屋情況來看，相當(dāng)一部分是因為底層柱被剪斷發(fā)生如圖4b)所示破壞，減小了地震力對上部結(jié)構(gòu)的沖擊，使得上部結(jié)構(gòu)得以保持整體而幸存。因此，我們可以考慮在多層框架底層進(jìn)行“弱柱”設(shè)計，通過減小底層柱的側(cè)移剛度，調(diào)整上層和底層柱的線剛度比，使結(jié)構(gòu)底層在罕遇地震下形成柱鉸機(jī)制以吸收大部分地震能量但又不至于倒塌，繼而保護(hù)上部結(jié)構(gòu)的完整性。

3.2 多遇地震下結(jié)構(gòu)反應(yīng)

在SAP2000中分別建立模型并運(yùn)行分析后，得到了底層為普通柱和底層為雙薄壁柱的分析結(jié)果，通過比較二者在相同工況下的不同反應(yīng)，來研究二者的結(jié)構(gòu)性能[3,4]。

3.2.1監(jiān)測點(diǎn)層間位移

根據(jù)兩種模型不同模態(tài)下的運(yùn)動反應(yīng)，選取一平動反應(yīng)較大的Z軸線上每層節(jié)點(diǎn)作為監(jiān)測位移點(diǎn)，比較兩種模型的層間位移。

圖5和圖6分別給出了兩種模型在X方向上的層間位移值和Y方向上的層間位移角，可以看出，在地震作用下原始模型的最大層間位移總是發(fā)生在第二層，相當(dāng)于在第二層的位置有一個突變，形成了薄弱層；而模型2的最大層間位移發(fā)生在底層，也即設(shè)置雙薄壁柱這一層。雙薄壁柱這一層的最大層間位移超過了原始模型最大層間位移值，滿足我們對破損層產(chǎn)生較大位移的預(yù)期。結(jié)果表明，當(dāng)把原始方形柱替換為雙薄壁柱后，底層線剛度的降低使其成為了薄弱層，層間位移增大。在其余樓層層間位移基本一致的情況下，把第二層的位移量轉(zhuǎn)移一部分到底層，使得結(jié)構(gòu)不同樓層的層間位移值更加均勻。從圖6也可以看出兩種模型除了底層層間位移角相差較大之外，其他樓層的位移角基本保持了一致，且多遇地震下雙柱模型的最大層間位移角為1/830，小于規(guī)范規(guī)定的1/550，滿足小震作用下規(guī)范規(guī)定的彈性層間位移角限值要求。罕遇地震雙柱模型的最大層間位移角為1/80，同樣滿足框架結(jié)構(gòu)大震作用下規(guī)范規(guī)定的1/50的要求。

3.2.2靜力彈塑性分析

用SAP2000對兩種模型進(jìn)行靜力彈塑性分析[5-8]，通過觀察兩種模型塑性鉸的發(fā)展情況來預(yù)測結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)。圖7和圖8給出了兩種模型在倒三角加載和模態(tài)加載模式下最終塑性鉸的發(fā)展情況。

可以看到，在兩個方向分別加載時，模型1的塑性鉸主要都發(fā)生在第二層和第三層，且塑性鉸先發(fā)生于梁端。而模型2的塑性鉸則比較集中在底層也就是雙薄壁柱層，且顏色發(fā)展較深，表明結(jié)構(gòu)底層柱率先出現(xiàn)塑性鉸，且隨著塑性鉸的發(fā)展，雙薄壁柱上的塑性鉸首先屈服直到破壞，該模型的上部主體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出了類似剛體平移的反應(yīng)。在同等地震力作用下，雙薄壁柱較原始方柱會發(fā)生更大的側(cè)移從而率先出現(xiàn)塑性鉸，利用由雙柱形成的薄弱層來耗散大量的地震能量，使得地震力在雙薄壁柱這一層便得到大量的吸收，減小對上部結(jié)構(gòu)的沖擊，且由于雙薄壁柱的兩根柱子塑性鉸發(fā)展不一定同步，當(dāng)?shù)讓泳植康钠渲幸桓≈鶡o法再承載時，還可以在震后選擇換掉已經(jīng)破壞的小柱，實(shí)現(xiàn)薄弱層的修復(fù)。

圖9和圖10為兩種模型分別在X方向和Y方向?qū)娱g位移與基底剪力的關(guān)系曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，前期基底剪力不大時兩種模型層間位移的增長斜率基本保持不變，表明前期在基底剪力作用下二者均保持彈性，隨著基底剪力的不斷增大，二者的斜率逐漸增大，表明結(jié)構(gòu)逐漸進(jìn)入彈塑性狀態(tài)。其中模型1的各層層間位移基本呈現(xiàn)同步變化，增長斜率具有一致性，且模型1的第二層層間位移發(fā)展最快。模型2的底層也就是破損安全層的層間位移值增長最快，表明隨著基底剪力的不斷增大，底層將會率先達(dá)到層

間位移角限值而破壞。當(dāng)基底剪力達(dá)到約10 000 kN時，破損層層間位移值斜率急劇增大，較小的基底剪力增量便可引起較大的層間位移，表明此時破損層剛度已經(jīng)退化甚至破壞，對應(yīng)10 000 kN的層間位移角約為1/66，同樣滿足規(guī)范規(guī)定的1/50的要求。

4 結(jié)語

將橋梁工程中雙薄壁墩的概念引入到房屋結(jié)構(gòu)中，衍生出破損安全層和雙薄壁柱的概念。通過本次模擬可以看到，當(dāng)把普通柱用雙薄壁柱替代后，兩種模型均能滿足設(shè)計預(yù)期，即在遭遇多遇地震作用時能達(dá)到一般抗震要求。而在遭受罕遇地震作用時，模型1的破壞形態(tài)為各樓層多根梁柱均出現(xiàn)塑性鉸直至鉸失效破壞，模型2則是底層雙薄壁柱率先出鉸直至破壞而其余構(gòu)件保持基本完好的局部破壞形態(tài)?？梢哉J(rèn)為，由于破損層的存在，在結(jié)構(gòu)遭遇強(qiáng)震作用時，破損層在破壞過程中耗散了大量地震能量，有效避免了上部主體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，體現(xiàn)出了較好的抗震性能。但是也需指出，由于破損層在地震作用下屬于薄弱層，因此實(shí)際工程設(shè)計時不建議將其納入生活使用范圍，而是可以利用其特點(diǎn)將其作為地下室或者半地下室使用。本文僅對雙薄壁柱和破損層概念作了初期的模擬探討，新的抗震模型的提出，還需要對細(xì)節(jié)進(jìn)行深入的研究。

[1] 易祥軍，林 勝，鄒毅松.連續(xù)剛構(gòu)橋雙薄壁墩與單柱式墩結(jié)構(gòu)行為對比分析[J].中外公路，2006，26(3)：162-164.

[2] 王星星,廖光明,施秀虎,等.框架剪力墻結(jié)構(gòu)側(cè)向加載模式下的Pushover分析[J].山西建筑,2017,43(5):55-58.

[3] 王星星，廖光明.底層隔震與設(shè)置破損薄弱層的抗震性能分析[J]．建筑結(jié)構(gòu)，2016(46)：349-353.

[4] 廖光明,呂西林.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)動力相似關(guān)系研究[J].四川建筑科學(xué)研究，1989(3)：35-43.

[5] 錢稼茹,羅文斌.靜力彈塑性分析——基于性能/位移抗震設(shè)計的分析工具[J].建筑結(jié)構(gòu),2000(6):23-26.

[6] 王躍方，谷 濱，李海江．框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)push-over研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報，2002，42(6)：709-713.

[7] 黃 鑫,劉 瑛,黃 河.基于Push-over原理的SAP2000結(jié)構(gòu)彈塑性分析實(shí)例[J].青島理工大學(xué)學(xué)報,2007(4):19-23.

[8] 趙桂峰,李曉芬,張 猛.基于pushover方法的RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能評估研究[J].世界地震工程,2015(3):62-70.