汶川地震框架結(jié)構(gòu)震害分析及減震技術(shù)的應(yīng)用★

成琬玥 何 斌，2 納曼·麥麥提，2 柯 譜，2 徐 靜

(1.喀什大學(xué)土木工程學(xué)院，新疆 喀什 844008; 2.喀什大學(xué)建筑設(shè)計研究中心(所)，新疆 喀什 844008)

1 框架結(jié)構(gòu)震害

校舍建筑由于需要大開間作為教室，經(jīng)常使用框架結(jié)構(gòu)作為承載體系。盡管具有一定的延性，“5·12”汶川地震中框架結(jié)構(gòu)仍呈現(xiàn)出不同的震害形式。葉列平(2008)提出框架結(jié)構(gòu)的主體震害一般較輕，主要破壞發(fā)生在圍護(hù)結(jié)構(gòu)和填充墻；框架結(jié)構(gòu)可以使用和加固后使用的比例占調(diào)查總數(shù)的86%；建議進(jìn)一步完善結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求，同時提出框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)柱弱梁機(jī)制在實際地震中很難實現(xiàn)。孫治國(2010)對包括映秀鎮(zhèn)、漢旺鎮(zhèn)等幾個震中區(qū)域進(jìn)行調(diào)研，指出存在大量的非延性(脆性)的剪切破壞、彎剪破壞，呈現(xiàn)出“強(qiáng)梁弱柱”“強(qiáng)構(gòu)件弱節(jié)點”等現(xiàn)象，未完工框架結(jié)構(gòu)項目也大量呈現(xiàn)出各種破壞。吳振波(2010)指出在統(tǒng)計的61棟框架結(jié)構(gòu)中，倒塌和嚴(yán)重破壞的僅占9.8%；但是處于小震烈度區(qū)的框架也普遍出現(xiàn)填充墻的開裂現(xiàn)象。他同時也強(qiáng)調(diào)了“強(qiáng)柱弱梁”機(jī)制無法實現(xiàn)，提出采用設(shè)置次要剪力墻減少彈性階段結(jié)構(gòu)位移。葉列平(2009)對汶川地震極震區(qū)同一個地點的建筑群震害進(jìn)行統(tǒng)計，指出盡管框架結(jié)構(gòu)根據(jù)《混凝土抗震設(shè)計規(guī)范》設(shè)計，但是由于填充墻等影響，其未倒塌建筑結(jié)構(gòu)的實際抗震承載力儲備比較大；同時由于塑性變形能力的存在、提高整體結(jié)構(gòu)冗余度等可以使得結(jié)構(gòu)整體屈服機(jī)制得以實現(xiàn)。

因此，對于框架結(jié)構(gòu)而言，如何充分利用框架延性較好特性，提高其耗能能力，是對既有框架結(jié)構(gòu)加固改造的一種較好選擇。采用阻尼器加固框架結(jié)構(gòu)，一方面可以通過阻尼器的耗能保證整體結(jié)構(gòu)處于彈性階段、或者在可以接受的塑性變形階段；另一方面保證結(jié)構(gòu)改造僅僅限于局部某些區(qū)域、施工周期短。

2 分析方法

1)框架在地震作用下，呈現(xiàn)出剪切型變形特性。采用阻尼器加固框架結(jié)構(gòu)首先要確定加固的目標(biāo)和加固設(shè)計方法，同時采用諸如簡化分析和通用有限元程序進(jìn)行動力響應(yīng)分析。翁大根(2012)認(rèn)為可以將消能部件與主體結(jié)構(gòu)分開設(shè)計，而采用附加消能部件產(chǎn)生的抗力作為影響未設(shè)阻尼器結(jié)構(gòu)的運(yùn)動方程的因素，采用預(yù)先估算結(jié)構(gòu)減震所需的附加阻尼比和驗算實際附加阻尼比的方式。同時針對某5層規(guī)則框架引入JSSIM法進(jìn)行估算期望附加阻尼力，同時對比了采用SAP2000時程分析的計算結(jié)果，提出小震下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)效果較差、而罕遇地震則能大大增加安全延性空間的結(jié)論。劉中偉(2016)采用等效阻尼比的方式考慮阻尼器提供的耗能效應(yīng)，即一周內(nèi)耗能等效的原則得到等效阻尼比，將框接結(jié)構(gòu)的阻尼比由5%提高到7%；采用罕遇地震下基底剪力時程、頂點位移時程、頂點加速度時程和層間位移角以及樓層側(cè)移包絡(luò)等參數(shù)，考察減震前后結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。

2)基于振動臺試驗的減震框架結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)分析。通過擬靜力試驗可以獲得阻尼器本構(gòu)模型，而通過振動臺試驗可以驗證數(shù)值分析結(jié)果以及發(fā)現(xiàn)實際問題。蘇豐陽(2014)介紹了設(shè)置某黏滯阻尼器斜撐的單榀兩層框架對照振動臺試驗，采用模擬小震和罕遇地震的天然波和人工波作為輸入，以頂層最大峰值響應(yīng)、位移均方根響應(yīng)和最大加速度作為控制性指標(biāo)進(jìn)行檢驗，提出設(shè)置黏滯阻尼器可以有效降低結(jié)構(gòu)在地震中的反應(yīng)。同時也提出直接相連的梁柱節(jié)點區(qū)域有額外負(fù)擔(dān)。李洪泉(1996)針對單榀剪切型三層框架進(jìn)行設(shè)置軟剛阻尼器的對照縮尺振動臺試驗，采用El centro波輸入模擬小震、大震和大震后修復(fù)的框架結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)；通過宏觀觀測和拾取位移反應(yīng)時程曲線方式，提出對于震后有損結(jié)構(gòu)采用阻尼器加固的方式有效改善地震作用下變形集中的現(xiàn)象。

3 工程實踐

劉中偉(2016)采用等效阻尼比的方式考慮阻尼器提供的耗能效應(yīng)，即一周內(nèi)耗能等效的原則得到等效阻尼比，將框架結(jié)構(gòu)的阻尼比由5%提高到7%；采用罕遇地震下基底剪力時程、頂點位移時程、頂點加速度時程和層間位移角以及樓層側(cè)移包絡(luò)等參數(shù)，考察減震前后結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。楊康(2016)采用黏滯流體阻尼器對江蘇鹽城某6層L形框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，采用逐步增加反應(yīng)譜阻尼比至層間位移角剛好滿足《抗規(guī)》要求的方式獲得附加阻尼比。龔杰(2016)就廣州某單跨4層框架結(jié)構(gòu)，采用對橫向框架設(shè)置附加非線性黏滯阻尼器的方式進(jìn)行加固，采用Perform-3D以柱鋼筋的應(yīng)變作為監(jiān)測柱的性能狀態(tài)。計算結(jié)果表明有控制結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下整體破壞遠(yuǎn)小于無控制結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

汶川地震中，對于框架結(jié)構(gòu)的震害調(diào)查表明按規(guī)范設(shè)計的主體結(jié)構(gòu)震害屬于可控范圍，但是普遍存在填充墻發(fā)生破壞或倒塌的問題。阻尼器可以有效控制主體結(jié)構(gòu)的位移和加速度等反應(yīng)指標(biāo)，同時由于其加固時涉及建筑范圍較小、施工方便，在今后的框架結(jié)構(gòu)加固中有進(jìn)一步推廣的可能。

[1] 清華大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)專家組,西南交通大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)專家組,北京交通大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)專家組,等.汶川地震建筑震害分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2008(4):1-9.

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