混凝土框架結(jié)構(gòu)典型震害分析

劉殿忠　王　賀　王法宇

(吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,長(zhǎng)春　130118)

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混凝土框架結(jié)構(gòu)典型震害分析

劉殿忠王賀王法宇

(吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,長(zhǎng)春130118)

摘要：在對(duì)近幾年國(guó)內(nèi)外地震中房屋震害調(diào)查發(fā)現(xiàn),“強(qiáng)梁弱柱”是造成多數(shù)建筑物局部破壞乃至整體倒塌的主要破壞機(jī)制,這違背了抗震規(guī)范要求的“強(qiáng)柱弱梁”設(shè)計(jì)初衷.形成這種破壞機(jī)制的原因是多方面的,本文通過(guò)對(duì)已有資料的總結(jié),分析了不同因素對(duì)混凝土框架結(jié)構(gòu)發(fā)生“強(qiáng)柱弱梁”破壞現(xiàn)象的影響.

關(guān)鍵詞：破壞機(jī)制；“強(qiáng)梁弱柱”；混凝土框架結(jié)構(gòu)

0引言

自20世紀(jì)以來(lái),世界上發(fā)生的20次災(zāi)難性地震，造成一百萬(wàn)人死亡,其中，我國(guó)發(fā)生的唐山大地震和汶川大地震共造成44萬(wàn)人死亡,給人民生命財(cái)產(chǎn)造成不可估量的損失.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)因其布置靈活,造價(jià)相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)被各國(guó)廣泛應(yīng)用到工業(yè)與民用建筑中,巨大的用量基數(shù)造成了其成為建筑破壞的重災(zāi)區(qū).世界各國(guó)的專(zhuān)家學(xué)者通過(guò)實(shí)踐與研究得出結(jié)論,除理論試驗(yàn)研究外,震害經(jīng)驗(yàn)也是工程抗震的重要組成部分.因此,總結(jié)分析地震震害對(duì)工程抗震建設(shè),減少地震人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失具有重要意義.

1震害調(diào)查

在地震作用下混凝土框架結(jié)構(gòu)有兩種破壞形式：一是結(jié)構(gòu)性破壞，如柱的破壞、梁的破壞、節(jié)點(diǎn)處破壞;二是非結(jié)構(gòu)性破壞,如圍護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞、樓梯的破壞等.結(jié)構(gòu)性破壞往往引起建筑物破壞、喪失使用功能,如建筑物整體垮塌、局部垮塌、整體側(cè)移過(guò)大等.近年發(fā)生過(guò)多起大地震,如汶川地震、蘆山地震、臺(tái)灣集集地震、東日本大地震、土耳其Erzincan地震、阿爾及利亞地震、伊朗Ardekul地震,通過(guò)對(duì)這些不同國(guó)家和地區(qū)的地震震害調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)[1-7],雖然各國(guó)抗震規(guī)范有所不同,但混凝土框架結(jié)構(gòu)破壞形式有許多相似之處,在這幾次地震中,普遍是柱端先于梁端出現(xiàn)塑性鉸(如圖1~圖6),未能形成規(guī)范中所期望的“強(qiáng)柱弱梁”.在出現(xiàn)塑性鉸的柱端,上層建筑的軸壓力極易壓碎其區(qū)域內(nèi)的混凝土,造成塑性鉸區(qū)域抗剪能力的降低,違背了規(guī)范強(qiáng)調(diào)的強(qiáng)剪弱彎的初衷,從而在地震水平力的作用下造成房屋建筑的整體剪切破壞.

有大量國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明,在地震作用下,混凝土框架結(jié)構(gòu)的耗能破壞機(jī)制和其本身的變形能力息息相關(guān).通過(guò)對(duì)我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的解讀不難發(fā)現(xiàn),“強(qiáng)柱弱梁”的屈服機(jī)制有利于將地震能量分布于盡可能多的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,使框架混凝土結(jié)構(gòu)最大程度上發(fā)揮其耗能能力,為建筑物在地震作用下有較強(qiáng)的內(nèi)力重分布能力提供保證.

圖1 汶川地震　　　　　　　　　　　　　圖2 蘆山地震　　　　　　　　　　　圖3 臺(tái)灣集集地震

圖4 東日本大地震　　　　　　　　　　圖5 伊朗Ardekul地震　　　　　　　　　　圖6 阿爾及利亞地震

2各國(guó)規(guī)范對(duì)“強(qiáng)柱弱梁”的考慮

2.1　中國(guó)規(guī)范

我國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]規(guī)定，柱端彎矩設(shè)計(jì)值一級(jí)抗震等級(jí)的框架結(jié)構(gòu)和9度設(shè)防烈度的一級(jí)抗震等級(jí)框架應(yīng)符合∑Mc=1.2∑Mbua；二、三、四級(jí)及其他情況應(yīng)符合∑Mc=ηc∑Mb,具體參數(shù)見(jiàn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》.

2.2　歐洲規(guī)范

歐洲規(guī)范[8]將混凝土框架結(jié)構(gòu)分為高、中、低三個(gè)延性等級(jí),其中，高、中延性等級(jí)的框架結(jié)構(gòu)需要按式∑Msc≥γRd∑Mbu要求考慮梁柱承載能力級(jí)差,低延性等級(jí)無(wú)需考慮,只需按一般要求設(shè)計(jì).式中左端為上下柱彎矩設(shè)計(jì)值之和，右端彎矩為梁端彎矩之和.對(duì)高、中延性等級(jí)的放大系數(shù)分別取1.35和1.2.

2.3　美國(guó)規(guī)范

美國(guó)規(guī)范[9]將框架結(jié)構(gòu)分為一般、中等和特殊框三種框架結(jié)構(gòu)形式,規(guī)范只要求設(shè)計(jì)人員對(duì)特殊框架結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行梁柱承載能力級(jí)差的考慮.公式為:

式中，等式右端為左右梁端彎矩設(shè)計(jì)值之和,等式左端為上下柱彎矩設(shè)計(jì)值之和.與中國(guó)規(guī)范不同的是,美國(guó)規(guī)范同時(shí)允許柱鉸的出現(xiàn),其可以出現(xiàn)在中間層,也可以是其它層;美國(guó)規(guī)范還規(guī)定,在對(duì)梁進(jìn)行抗震承載能力計(jì)算時(shí),應(yīng)考慮六倍板厚范圍內(nèi)的樓板鋼筋對(duì)梁承載能力的提升.

3形成“強(qiáng)梁弱柱”的因素

3.1　樓板的影響

通過(guò)研究,國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者得出一個(gè)相同的結(jié)論[10]:現(xiàn)澆樓板對(duì)框架梁具有較強(qiáng)的增強(qiáng)作用,是提高梁承載能力的主要原因,也是地震震害中出現(xiàn)“柱鉸”破壞機(jī)制的主要原因.現(xiàn)澆樓板對(duì)框架梁的影響主要表現(xiàn)在如下方面:樓板通過(guò)現(xiàn)澆和梁良好的結(jié)合到一起,形成了T型梁,使梁本身的受壓區(qū)截面增大,提高了其正彎矩的承載能力;在一定范圍內(nèi)與梁縱筋平行的現(xiàn)澆樓板的鋼筋增加了梁筋面積,提高了其抗負(fù)彎矩的能力.1976年唐山地震中,48棟鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)震害表明[11],由于現(xiàn)澆混凝土樓板提高了梁的抗彎剛度和抗彎承載力,出現(xiàn)了“強(qiáng)梁弱柱”這一震害現(xiàn)象,而那些沒(méi)有樓板的空框架,全部出現(xiàn)了“強(qiáng)柱弱梁”型破壞.參與多次地震災(zāi)害調(diào)查的專(zhuān)家發(fā)現(xiàn),未考慮現(xiàn)澆樓板對(duì)混凝土梁抗彎承載能力的提升是在大地震中混凝土框架結(jié)構(gòu)發(fā)生“強(qiáng)梁弱柱”型破壞的主要因素[12].蔣永生[13]進(jìn)行的現(xiàn)澆混凝土框架中節(jié)點(diǎn)抗震研究表明,現(xiàn)澆樓板對(duì)框架梁的抗彎承載力有較大提升,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮現(xiàn)澆樓板參與工作.

3.2　填充墻的影響

我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]明確指出,混凝土框架結(jié)構(gòu)的圍護(hù)墻和隔墻,應(yīng)估計(jì)其設(shè)置對(duì)結(jié)構(gòu)抗震的不利影響,避免不合理設(shè)置而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的破壞.但并未具體給出在設(shè)計(jì)中,應(yīng)該采取怎樣的方法來(lái)解決這一問(wèn)題.在工程實(shí)際當(dāng)中,通常采用折減系數(shù)的方法以改變結(jié)構(gòu)的自振周期，從而實(shí)現(xiàn)填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)剛度影響的考慮,但此系數(shù)取值范圍較大,又無(wú)法考慮放置不同部位和數(shù)量對(duì)框架剛度、周期、振型的影響,所以這一方法很難做到結(jié)構(gòu)的精確計(jì)算.填充墻作為一種非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,在實(shí)際工程中與混凝土梁直接砌筑在一起,同時(shí)在墻柱之間采用拉結(jié)筋以保持其穩(wěn)定,這不但加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的層間剛度，也加強(qiáng)了梁的抗彎承剛度和抗彎承載力,這從本質(zhì)上講,填充墻參與了結(jié)構(gòu)在地震過(guò)程中的受力.填充墻的不同分布形式也造成了同層結(jié)構(gòu)內(nèi)地震水平分布剪力發(fā)生變化,所以不同位置的框架柱所受水平力也不同,同時(shí)梁在填充墻的作用下剛度變大,從而出現(xiàn)“強(qiáng)梁弱柱”.

3.3　其他因素的影響

梁、柱配筋率的影響.在進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算梁端彎矩時(shí),往往把梁柱軸線交點(diǎn)簡(jiǎn)化為梁柱交點(diǎn),但在工程實(shí)際受力中,梁柱截面的交點(diǎn)為梁所承受彎矩的真實(shí)截面,顯然,前者的計(jì)算值大于后者造成梁筋超配.同時(shí)為了減少梁中裂縫的產(chǎn)生和梁的變形,人為加大了梁內(nèi)鋼筋用量,進(jìn)一步造成了梁筋超配.配筋率的高低勢(shì)必對(duì)柱子的抗震性能造成影響,與國(guó)外規(guī)范比較,我國(guó)對(duì)柱的縱筋和箍筋的最小配箍率要求較低,這也是出現(xiàn)柱端破壞的原因之一.

軸壓比的影響.我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)抗震等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)的柱軸壓比限制作出的規(guī)定分別為0.6,0.7,0.8,0.85,較歐洲規(guī)范的0.55~0.75,新西蘭規(guī)范的0.5~0.7高出一個(gè)數(shù)量級(jí).文獻(xiàn)[15]研究表明,在7度罕遇地震作用下,軸壓比高于0.6的混凝土框架結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)“強(qiáng)梁弱柱”的破壞現(xiàn)象.因此,軸壓比也是形成“強(qiáng)梁弱柱”的另一個(gè)影響因素.

剛度的影響.隨著生活水平的提高,人們對(duì)室內(nèi)凈空和美觀有了進(jìn)一步的需求,這就要求設(shè)計(jì)師做到大跨度的同時(shí)盡可能縮小柱截面尺寸.大跨度勢(shì)必要加大梁截面的尺寸,而為了美觀減小了柱截面尺寸,這樣梁柱之間產(chǎn)生了較大的剛度差,從而使柱端較梁端更易發(fā)生破壞.

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)以往地震震害現(xiàn)象的分析可以得出如下結(jié)論：“強(qiáng)梁弱柱”是混凝土框架結(jié)構(gòu)發(fā)生各種震害中的主要破壞機(jī)制,影響這種破壞機(jī)制的因素較多,但樓板和填充墻是其中的主要因素.在今后的工程實(shí)踐中,如何考慮上述因素的影響,值得深思,這對(duì)完善混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能具有重要意義.

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Analysis of Typical Damage Features of Concrete Frame Structure

LIU Dian-Zhong，WANG He，WANG Fa-yu

(SchoolofCivilEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun,China130118)

Abstract：In recent years, building damage survey found that the earthquake at home and abroad, "strong beam weak column" is caused by partial destruction of most of the buildings and the overall collapse of the main failure mechanism, which is contrary to the seismic code requirements of "strong column-weak beam" designed . The reason for this failure mechanism is multifaceted, the paper summarizes the existing data, analyze the influence of different factors on the concrete frame structure "strong column-weak beam" damage phenomena.

Keywords:failure mechanism；strong beam and weak column；concrete frame structure

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 375.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-8919(2015)02-0005-04

作者簡(jiǎn)介：劉殿忠(1960～),男,吉林省長(zhǎng)春市人,教授,博士.

收稿日期：2014-10-26.