高烈度地區(qū)設(shè)置少量鋼筋混凝土翼墻對框架結(jié)構(gòu)性能的影響

蔣媛

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

高烈度地區(qū)設(shè)置少量鋼筋混凝土翼墻對框架結(jié)構(gòu)性能的影響

蔣媛

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

框架結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、使用靈活等特點，同時其自身的結(jié)構(gòu)體系側(cè)向剛度較小，在強烈地震作用下結(jié)構(gòu)的變形較大，填充墻及其他附屬構(gòu)件的破壞嚴(yán)重。介紹了框架結(jié)構(gòu)在角部不設(shè)置翼墻和設(shè)置少量、長度很短翼墻兩種結(jié)構(gòu)體系，并通過對小震、中震、大震下的結(jié)構(gòu)主要計算結(jié)果進行對比分析。結(jié)果表明，設(shè)置少量、長度很短翼墻結(jié)構(gòu)體系抗震性能得到了明顯提高(如設(shè)置短翼墻后，位移角減少約15%～35%等)。設(shè)置少量、長度很短翼墻框架結(jié)構(gòu)一種即經(jīng)濟又有效的辦法，在實際設(shè)計中值得推廣。

框架結(jié)構(gòu)；鋼筋混凝土翼墻；抗震性能；靜力彈塑性分析；經(jīng)濟性比較

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是我國地震區(qū)廣泛使用的一種結(jié)構(gòu)形式[1]?？蚣芙Y(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、使用靈活等特點，同時其自身的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較小，在強烈地震作用下結(jié)構(gòu)的變形較大，填充墻及其他附屬構(gòu)件的破壞嚴(yán)重[2]。我國規(guī)范主要通過一系列的抗震措施來保證按多遇地震設(shè)計的結(jié)構(gòu)在更大地震作用下的抗震性能[1]，但5.12汶川地震后，現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能受到了廣大學(xué)者的質(zhì)疑[3]。中國地震局工程力學(xué)研究所通過實驗、研究、分析，得出通過對已有單跨框架結(jié)構(gòu)進行增設(shè)鋼筋混凝土翼墻加固后，結(jié)構(gòu)抗震性能有明顯提高[4]；朱丙寅[2]也提出了一些關(guān)于單跨框架結(jié)構(gòu)設(shè)置少量、長度很短翼墻的設(shè)計思路。對于高烈度地區(qū)框架結(jié)構(gòu)設(shè)置少量、長度很短翼墻后，結(jié)構(gòu)抗震性能的詳細(xì)研究以及經(jīng)濟指標(biāo)的比較至今研究較少。本文通過對高烈度地區(qū)設(shè)置少量鋼筋混凝土翼墻的框架結(jié)構(gòu)與未設(shè)置翼墻的框架結(jié)構(gòu)進行比較分析，說明高烈度地區(qū)設(shè)置少量鋼筋混凝土翼墻對框架結(jié)構(gòu)性能的影響及經(jīng)濟指標(biāo)的差別。

1 分析模型

為了研究高烈度地區(qū)設(shè)置少量鋼筋混凝土翼墻對框架結(jié)構(gòu)性能的影響，選取一幢2×7跨5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。未設(shè)置鋼筋混凝土翼墻的結(jié)構(gòu)平面詳見圖1、雙向均設(shè)置鋼筋混凝土翼墻的結(jié)構(gòu)平面詳見圖2（注：圖1、圖2圖上填充區(qū)域為功能性降板區(qū)域）?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的梁、板、柱、翼墻均采用現(xiàn)澆，梁、板混凝土強度等級為C30（fc=14.3 N/mm2）；柱、翼墻混凝土強度等級從基頂?shù)轿菝婢鶠镃45（fc=21.1 N/mm2）；梁、板、柱、翼墻鋼筋均為HRB400（fy=360 N/mm2）?？蚣苤孛娉叽鐬?00 mm×800 mm，400 mm×700 mm等，框架梁截面尺寸為400 mm×700 mm，次梁截面尺寸為200 mm×600 mm。翼墻長度均為700 mm、寬度為400 mm。首層層高4 000 mm、標(biāo)準(zhǔn)層層高3 500 mm。采用北京盈建科軟件有限責(zé)任公司編制YJK-A進行小震彈性分析、中震不屈分析；采用中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部編制PUSH&EPDA進行彈塑性分析。分別按7度0.15 g、8度0.20 g以及8度0.30 g，均為II類場地，第一組進行抗震分析。整體分析時，結(jié)構(gòu)的嵌固部位均取為基頂。

圖1 未設(shè)置翼墻結(jié)構(gòu)布置示意圖Fig.1 The structure layout without wings

圖2 雙向均設(shè)置翼墻結(jié)構(gòu)布置示意圖Fig.2 The structure set up with the two-way wing walls

2 小震彈性計算結(jié)果

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）[5]相關(guān)規(guī)定，采用YJK-A分別按7度0.15 g、8度0.20 g、8度0.30 g以及9度0.40 g，均為II類場地，第一組進行抗震分析，主要計算結(jié)果詳下表1～表3。

表1 7度0.15 g小震作用下結(jié)構(gòu)計算結(jié)果對比Tab.1 Comparison of structural calculation results under minor earthquake of 7 degree 0.15 g

表2 8度0.20 g小震作用下結(jié)構(gòu)計算結(jié)果對比Tab.2 Comparison of structural calculation results under minor earthquake of 8 degree 0.20 g

表3 8度0.30 g小震作用下結(jié)構(gòu)計算結(jié)果對比Tab.3 Comparison of structural calculation results under minor earthquake of 8 degree 0.30 g

結(jié)果表明，在小震作用下，框架結(jié)構(gòu)在角部增加少量且長度很短的翼墻后，結(jié)構(gòu)整體剛度有了明顯改善。結(jié)構(gòu)周期變短，雖然結(jié)構(gòu)基底剪力及剪重比有所增加，但結(jié)構(gòu)位移角變小，整個結(jié)構(gòu)在地震作用下安全度有明顯提高。特別是烈度越高的地區(qū)，翼墻設(shè)置的意義越大。

3 中震不屈計算結(jié)果

中震不屈采用相對簡化的等效彈性方法進行中震作用下的性能分析。采用北京盈建科軟件有限責(zé)任公司編制YJK-A進行中震不屈分析，地震影響系數(shù)分別取0.34，0.45，0.68，內(nèi)力調(diào)整系數(shù)取為1（即強柱弱梁、強剪弱彎等均不調(diào)整），不計算風(fēng)荷載，阻尼比0.06，周期折減系數(shù)1.0，中梁剛度系數(shù)不放大[6]。中震作用下的最大層間位移角計算結(jié)果見表4。

表4 中震作用下最大層間位移角計算結(jié)果對比Tab.4 Comparison of the calculation results of the maximum inter-story drift angle under moderate earthquake

在中震作用下，設(shè)置翼墻的框架結(jié)構(gòu)最大層間位移角明顯小于未設(shè)翼墻的框架結(jié)構(gòu)。說明在中震作用下，框架結(jié)構(gòu)在角部增加少量且長度很短的翼墻后，能夠減輕或避免隔斷墻、圍護墻以及機電設(shè)施的破壞，減小經(jīng)濟損失或人員傷亡。

4 大震作用下結(jié)構(gòu)抗震性能評價

本工程采用PKPMCAD工程部編制PUSH&EPDA軟件進行靜力彈塑性分析。分別按7度0.15 g，8度0.20 g以及8度0.30 g在大震作用下，分別采用倒三角形荷載和彈性CQC地震力荷載沿X，Y方向進行推覆分析。大震作用下彈塑性層間位移角計算結(jié)果詳下表5。

表5 大震作用下彈塑性層間位移角對比Tab.5 Comparison of the calculation results of the maximum inter-story drift angle under major earthquake

未設(shè)置翼墻結(jié)構(gòu)與雙向均設(shè)置翼墻結(jié)構(gòu)采用PKPMCAD工程部編制PUSH&EPDA軟件，采用相同地震烈度作用、相同地震波進行彈塑性時程分析，結(jié)構(gòu)塑性鉸分布圖詳見圖3、圖4。

圖3 未設(shè)置翼墻結(jié)構(gòu)塑性鉸分布圖Fig.3 The plastic hinge distribution map when the wing wall structure is not set up

圖4 雙向均設(shè)置翼墻結(jié)構(gòu)塑性鉸分布圖Fig.4 The plastic hinge distribution diagram of the wing wall structure is provided in both directions

在大震作用下，從靜力彈塑性分析可以看出，設(shè)置翼墻的結(jié)構(gòu)彈性層間位移角明顯小于未設(shè)置翼墻的結(jié)構(gòu)；從結(jié)構(gòu)塑性鉸分布圖可以看出，在相同條件下未設(shè)置翼墻的結(jié)構(gòu)框架柱局部出現(xiàn)塑性鉸，框架梁塑性鉸數(shù)量明顯多于同條件下雙向均設(shè)置翼墻結(jié)構(gòu)，雙向均設(shè)置翼墻結(jié)構(gòu)框架柱未出現(xiàn)塑性鉸，僅首層翼墻出現(xiàn)水平裂縫，符合概念設(shè)計要求。設(shè)置翼墻的結(jié)構(gòu)在大震作用下，結(jié)構(gòu)的抗震性能明顯高于未設(shè)翼墻的結(jié)構(gòu)[7-9]。

5 經(jīng)濟性比較

框架結(jié)構(gòu)梁、柱斷面相同僅結(jié)構(gòu)是否設(shè)翼墻的區(qū)別，分別在烈度為7度0.15 g、8度0.20 g以及8度0.30 g作用下，結(jié)構(gòu)含鋼筋量詳表6。

框架結(jié)構(gòu)梁、柱斷面不同但整體剛度接近時，未設(shè)翼墻的結(jié)構(gòu)與設(shè)翼墻的結(jié)構(gòu)分別在烈度為7度0.15 g、8度0.20 g以及8度0.30 g作用下，結(jié)構(gòu)含鋼筋量詳表7。

表6 梁、柱斷面相同的情況下兩種體系含鋼量對比Tab.6 The comparison of two kinds of systems with the same beam and column section

表7 整體剛度接近的情況下兩種體系含鋼量對比Tab.7 Comparison of two kinds of systems with steel content when the overall stiffness is close

從表6、表7可以看出，梁、柱斷面相同的情況下，設(shè)翼墻的結(jié)構(gòu)經(jīng)濟指標(biāo)與未設(shè)設(shè)翼墻的結(jié)構(gòu)較為接近，烈度越高設(shè)翼墻的結(jié)構(gòu)經(jīng)濟指標(biāo)越好框架結(jié)構(gòu)梁、柱斷面不同但整體剛度接近的前提下，采用設(shè)置翼墻體系方案經(jīng)濟指標(biāo)優(yōu)于未設(shè)翼墻結(jié)構(gòu)體系。

6 結(jié)論

1）在小震作用下，增加少量、長度很短的翼墻后，結(jié)構(gòu)整體剛度有了明顯改善，整個結(jié)構(gòu)在地震作用下安全度明顯提高。特別是烈度越高、翼墻設(shè)置的意義越大。

2）在中震作用下，設(shè)置翼墻的框架結(jié)構(gòu)抗震性能明顯優(yōu)于未設(shè)翼墻的框架結(jié)構(gòu)，減小或避免隔斷墻、圍護墻以及機電設(shè)施施的破壞，減小經(jīng)濟損失或人員傷亡。

3）在大震作用下，從靜力彈塑性分析和動力彈塑性時程分析的結(jié)構(gòu)塑性鉸分布圖均可以看出，增加少量、長度很短的翼墻后結(jié)構(gòu)抗倒塌能力得到明顯增強。

4）從經(jīng)濟上看，增設(shè)少量、長度很短的翼墻后結(jié)構(gòu)性能有較大改善，且對經(jīng)濟指標(biāo)影響較??；當(dāng)兩種結(jié)構(gòu)體系整體剛度接近時，采用增設(shè)少量翼墻的結(jié)構(gòu)方案，經(jīng)濟指標(biāo)明顯優(yōu)于未設(shè)置翼墻結(jié)構(gòu)。

[1]韋鋒，傅劍平，白紹良.我國混凝土框架結(jié)構(gòu)強柱弱梁措施的實際控制效果[J].建筑結(jié)構(gòu)，2007，37（8）：5-9.

[2]朱丙寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問答及分析[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[3]騰軍，曹冬雪，李祚華，等.框架結(jié)構(gòu)強柱弱梁地震破壞模式形成探討[J].建筑結(jié)構(gòu)，2011，41（S）：285-290.

[4]王財權(quán).單跨框架結(jié)構(gòu)翼墻加固抗震性能研究[D].中國地震局工程力學(xué)研究所.

[5]GB50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

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[7]蔣媛，劉開強.成都某超高層辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計可行性分析[J].西南科技大學(xué)學(xué)報，2015，30（3）：52-56.

[8]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司,中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施：結(jié)構(gòu)（混凝土結(jié)構(gòu)）[M].北京：中國計劃出版社，2012.

[9]蔣媛，劉開強.成都某復(fù)雜高層辦公結(jié)構(gòu)設(shè)計可行性分析[J].水利與建筑工程學(xué)報，2015，13（6）：188-193.

Effect of Reinforced Concrete Wing Walls on Performance of Frame Structure in High Intensity Area

Jiang Yuan
（Power China Chengdu Engineering Corporation Limited，Chengdu 610072，China）

Due to such features as regular structure,flexible usage and small lateral stiffness,frame structure has big structural deformation with the filler wall and attached element heavily destroyed when there is a strong earthquake.This study compares two structural systems under minor,moderate and major earthquakes,one with some short wing walls and the other with none.According to the results,the seismic behavior of the structural system with short wing walls is significantly improved（if the short wing wall is set and the displacement angle is reduced by about 15%to 35%,etc.）.It concludes that setting some short wing walls is an economical and efficient way,which is recommendable in practical design.

frame structure;reinforced concrete wing wall;seismic behavior;nonlinear static analysis;economic comparison

Tu318+·1

：A

1005-0523（2017）01-0040-06

（責(zé)任編輯 王建華）

2016-07-28

中國電建集團成都院2016年科技項目（P330-2016）

蔣媛（1986—），女，碩士，工程師，研究方向為建筑結(jié)構(gòu)、巖土工程設(shè)計。