鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)震破壞模式的控制

張凱鵬

摘 要：當(dāng)前，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是建筑物的主要結(jié)構(gòu)形式，其抗震性能直接關(guān)系到建筑物內(nèi)的人員和財(cái)產(chǎn)安全。因此，應(yīng)該根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)規(guī)范》等文件的要求進(jìn)行科學(xué)的建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保建筑物在強(qiáng)震作用下能夠發(fā)生總體屈服，而非樓板屈服，從而最大限度地保護(hù)建筑物內(nèi)部的設(shè)施和人員安全，這要求建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合“強(qiáng)柱弱梁”原則。所以，本文對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)震破壞模式進(jìn)行分析，探索滿足“強(qiáng)柱弱梁”原則的設(shè)計(jì)措施。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；強(qiáng)震破壞模式；強(qiáng)柱弱梁；仿真模擬

中圖分類號： TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2017）05-46-2

0 引言

長期以來，“強(qiáng)柱弱梁”都是建筑物抗震設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)，能夠直接影響強(qiáng)震作用下的建筑物破壞形式，避免建筑物的完全垮塌。然而，通過對汶川地震的建筑物破壞形式分析，實(shí)際的建筑物鮮有能夠滿足上述要求的，這是多方面因素導(dǎo)致的。在強(qiáng)震作用下，鋼筋混凝土框架的柱體首先遭受破壞，失去支撐力，導(dǎo)致建筑物整體垮塌，造成建筑物內(nèi)部空間的急劇變化，是地震造成的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡的主要原因。所以，有必要對強(qiáng)震作用下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞模式進(jìn)行分析，選擇合理的破壞模式，將地震造成的破壞降到最低。

1 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)震破壞模式分析

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能主要由框架梁和框架柱的力學(xué)性能反映，在強(qiáng)震作用下，柱體先發(fā)生破壞或框架梁先發(fā)生破壞將造成建筑物的不同破壞形式，產(chǎn)生的危害性有極大的差異。

1.1 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的總體屈服模式

總體屈服機(jī)制是在“強(qiáng)柱弱梁”結(jié)構(gòu)的建筑物遭受強(qiáng)震作用后的破壞形式，建筑物的框架梁首先發(fā)生塑形形變，吸收相當(dāng)比例的地震能量，導(dǎo)致框架柱體受到的地震影響相對較小，能夠保證柱體的結(jié)構(gòu)完整或低端發(fā)生少量形變，仍然能夠發(fā)揮可靠的支撐力，維持建筑物的空間結(jié)構(gòu)，從而避免建筑物的整體垮塌。這是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)，是較為合理的強(qiáng)震破壞形式，能夠有效降低地震造成的影響。

1.2 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的樓層屈服模式

所謂樓層屈服機(jī)制是指柱端的抗彎承載力小于框架梁端的抗彎承載力，一旦地震發(fā)生，框架的柱端首先發(fā)生形變，導(dǎo)致柱體遭受破壞，失去對建筑物整體的承載力，造成樓層垮塌。該種破壞形式使得建筑物的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生徹底改變，人員和財(cái)物等被掩埋于廢墟當(dāng)中，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，而且不利于震后搜救，是建筑物應(yīng)該竭力避免的。然而，現(xiàn)在的許多建筑物都呈現(xiàn)“強(qiáng)梁弱柱”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一旦遭遇強(qiáng)震，框架柱體將首先失去承載能力，導(dǎo)致樓層垮塌，危害極為嚴(yán)重。

2 借助LS-DYNA軟件仿真模擬鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的破壞形式

2.1 LS-DYNA軟件概述

LS-DYNA軟件是基于中心差分法的顯式積分算法，借助先進(jìn)的信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用的破壞形式模式，分析地震作用下的建筑物的變形、破壞到坍塌的全過程，研究導(dǎo)致建筑物破壞的主要影響因素。

2.2 仿真模型的建立及相關(guān)參數(shù)選擇

本次仿真模擬選擇的建筑物為5層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑，建筑物單層呈現(xiàn)長方體結(jié)構(gòu)，x方向的柱體間距離設(shè)定為7.2m，y方向的柱體間距離設(shè)定為6m，層高3.6m；框架柱尺寸為500×500（mm）；主梁300×700（mm），次梁250×600（mm）；樓板為現(xiàn)澆樓板，層厚100mm，外墻選擇為填充墻。

在地震波的選擇方面，為節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，選擇加速度峰值較大的汶川地震部分波形作為地震波的主要形式，輸入到仿真軟件中，地震持續(xù)時(shí)間設(shè)定為10s。

2.3 仿真模擬結(jié)果

根據(jù)仿真模擬，構(gòu)件在0.6s前基本處于彈性工作狀態(tài)；1s時(shí)，由于地震動(dòng)突然增大，底層框架柱底端開裂，形成局部破壞；1.3s時(shí)，底層柱頂端產(chǎn)生裂縫，并逐漸貫通，底層柱子退出工作；1.5s時(shí)，二層梁端產(chǎn)生裂縫，一層頂塑性鉸形成；1.6s時(shí)，二層梁板失去支撐，開始塌落；1.9s時(shí)，二層柱頂產(chǎn)生貫通裂縫；2.3s時(shí)，二層樓板接觸地面，碰撞碎裂；隨后，上面各層梁柱也陸續(xù)出現(xiàn)端部開裂破壞；最后，結(jié)構(gòu)整體倒塌。

3 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)震破壞形式的主要影響因素分析

3.1 框架梁剛度放大系數(shù)

當(dāng)前的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的建筑物大多采用現(xiàn)澆樓板，其對框架梁的力學(xué)效果有顯著的增強(qiáng)作用，導(dǎo)致建筑的框架梁的實(shí)際強(qiáng)度要大于梁體本身的力學(xué)強(qiáng)度，而且該種增強(qiáng)效果呈現(xiàn)不均一性，隨著梁體位置的變化而改變。針對此問題，相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范采取經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的方式進(jìn)行換算，即將中梁和邊梁的剛度按照原框架梁剛度的2.0和1.5進(jìn)行處理。該種處理方式僅考慮垂向上的樓板增強(qiáng)作用，對于框架梁的抗彎承載力的影響并未考慮，導(dǎo)致鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)框架梁的實(shí)際剛度大于設(shè)計(jì)值，影響“強(qiáng)柱弱梁”結(jié)構(gòu)的形成。

3.2 柱梁抗彎承載力比

在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，柱梁抗彎承載力比值一般選擇為1.1-17.之間，從理論上看，該比值能夠滿足“強(qiáng)柱弱梁”的結(jié)構(gòu)要求，但是，通過對建筑物在地震中的實(shí)際破壞形式分析來看，該比值并不能確保鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)能夠形成總體屈服機(jī)制，其受到震級的影響較大。具體來說，當(dāng)震級在6級以下時(shí)，框架結(jié)構(gòu)的自身穩(wěn)定性較強(qiáng)，受到的地震破壞較為輕微，能夠維持建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；當(dāng)震級在9度及以上時(shí)，建筑物受到的力學(xué)作用較為強(qiáng)烈，設(shè)計(jì)中承載力的比例選擇較大，因而能夠發(fā)揮“強(qiáng)柱弱梁”的結(jié)構(gòu)特性，產(chǎn)生總體屈服。但是，當(dāng)震級在6-9級之間時(shí)，比值選取較低，導(dǎo)致柱體的力學(xué)破壞較為嚴(yán)重，難以形成總體屈服。

3.3 框架結(jié)構(gòu)柱體的軸壓比

一般情況下，建筑物的柱體應(yīng)該具備足夠的力學(xué)強(qiáng)度，能夠較好的抵御地震作用。然而，實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，出于美觀和降低成本的考慮，多數(shù)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的柱體截面偏小，導(dǎo)致柱體的軸壓比處于較高水平，一旦發(fā)生地震，柱體將無法抵御更大的軸力，極易造成柱體破壞，造成建筑物的垮塌。

3.4 填充墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)對框架柱體的影響

圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要是指建筑物的外墻、門窗等，是構(gòu)成建筑物封閉空間的重要構(gòu)件。在建筑物設(shè)計(jì)中，對此類圍護(hù)結(jié)構(gòu)僅僅考慮其對框架結(jié)構(gòu)的重力影響，未考慮填充墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)對柱體造成的剪切影響，影響柱體力學(xué)作用的發(fā)揮，成為地震中柱體破壞的重要原因之一。

4 控制鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)震破壞模式的具體措施

4.1 構(gòu)建梁柱鉸混合破壞機(jī)制

通過對地震作用下的建筑物破壞實(shí)例分析，參考鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的地震破壞仿真模擬數(shù)據(jù)，在進(jìn)行建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，單純考慮“強(qiáng)柱弱梁”是不可取的，應(yīng)該從框架結(jié)構(gòu)的整體較大考慮，分析梁柱鉸混合破壞的產(chǎn)生機(jī)制，使得建筑物在強(qiáng)震來臨時(shí)能夠形成該種破壞方式，保證建筑物的“大震不倒”，將強(qiáng)震造成的損失降到最低。

4.2 多指標(biāo)綜合評價(jià)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

進(jìn)行建筑物的抗震設(shè)計(jì)時(shí)，不能單單考慮單個(gè)或有限幾個(gè)指標(biāo)，而是應(yīng)該將影響建筑物抗震性能的指標(biāo)全部納入考慮范圍中，除了將指標(biāo)作為單一變量考慮對建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響以外，還應(yīng)該考慮指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性，確保抗震設(shè)計(jì)能夠滿足建筑物“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)原則，有效抵御強(qiáng)震的沖擊，達(dá)到“大震不倒”的目的，最大限制地維持建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4.3 積極應(yīng)用BIM等仿真軟件提升抗震設(shè)計(jì)的可行性

進(jìn)入21世紀(jì)，信息技術(shù)成為社會發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力量。在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，借助信息技術(shù)形成的BIM能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)計(jì)的仿真模擬，分析設(shè)計(jì)的可行性及施工、使用等后續(xù)環(huán)節(jié)中存在的問題，為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考，提升了設(shè)計(jì)的可行性。將其應(yīng)用于抗震設(shè)計(jì)的優(yōu)化中，能夠消除各類不確定因素對建筑結(jié)構(gòu)的影響，形成最佳的“強(qiáng)柱弱梁”結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)束語

總體而言，強(qiáng)震作用下，建筑物產(chǎn)生破壞是必然的，進(jìn)行建筑物抗震設(shè)計(jì)的目的在于選擇合理的建筑物結(jié)構(gòu)破壞形式，將地震造成的影響降到最低，盡可能地維持建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保護(hù)建筑物內(nèi)部的人員和設(shè)施安全。其設(shè)計(jì)應(yīng)該從參數(shù)選擇和仿真模擬等方法出發(fā)，探索合適的設(shè)計(jì)方案，滿足建筑物的抗震設(shè)計(jì)需要。

參 考 文 獻(xiàn)

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