混凝土框架结构典型震害分析

刘殿忠　王　贺　王法宇

(吉林建筑大学土木工程学院,长春　130118)



混凝土框架结构典型震害分析

刘殿忠王贺王法宇

(吉林建筑大学土木工程学院,长春130118)

摘要：在对近几年国内外地震中房屋震害调查发现,“强梁弱柱”是造成多数建筑物局部破坏乃至整体倒塌的主要破坏机制,这违背了抗震规范要求的“强柱弱梁”设计初衷.形成这种破坏机制的原因是多方面的,本文通过对已有资料的总结,分析了不同因素对混凝土框架结构发生“强柱弱梁”破坏现象的影响.

关键词：破坏机制；“强梁弱柱”；混凝土框架结构

0引言

自20世纪以来,世界上发生的20次灾难性地震，造成一百万人死亡,其中，我国发生的唐山大地震和汶川大地震共造成44万人死亡,给人民生命财产造成不可估量的损失.钢筋混凝土框架结构因其布置灵活,造价相对较低等优点被各国广泛应用到工业与民用建筑中,巨大的用量基数造成了其成为建筑破坏的重灾区.世界各国的专家学者通过实践与研究得出结论,除理论试验研究外,震害经验也是工程抗震的重要组成部分.因此,总结分析地震震害对工程抗震建设,减少地震人员伤亡和财产损失具有重要意义.

1震害调查

在地震作用下混凝土框架结构有两种破坏形式：一是结构性破坏，如柱的破坏、梁的破坏、节点处破坏;二是非结构性破坏,如围护结构的破坏、楼梯的破坏等.结构性破坏往往引起建筑物破坏、丧失使用功能,如建筑物整体垮塌、局部垮塌、整体侧移过大等.近年发生过多起大地震,如汶川地震、芦山地震、台湾集集地震、东日本大地震、土耳其Erzincan地震、阿尔及利亚地震、伊朗Ardekul地震,通过对这些不同国家和地区的地震震害调查分析发现[1-7],虽然各国抗震规范有所不同,但混凝土框架结构破坏形式有许多相似之处,在这几次地震中,普遍是柱端先于梁端出现塑性铰(如图1~图6),未能形成规范中所期望的“强柱弱梁”.在出现塑性铰的柱端,上层建筑的轴压力极易压碎其区域内的混凝土,造成塑性铰区域抗剪能力的降低,违背了规范强调的强剪弱弯的初衷,从而在地震水平力的作用下造成房屋建筑的整体剪切破坏.

有大量国内外学者研究表明,在地震作用下,混凝土框架结构的耗能破坏机制和其本身的变形能力息息相关.通过对我国《建筑抗震设计规范》的解读不难发现,“强柱弱梁”的屈服机制有利于将地震能量分布于尽可能多的结构构件,使框架混凝土结构最大程度上发挥其耗能能力,为建筑物在地震作用下有较强的内力重分布能力提供保证.

图1 汶川地震　　　　　　　　　　　　　图2 芦山地震　　　　　　　　　　　图3 台湾集集地震

图4 东日本大地震　　　　　　　　　　图5 伊朗Ardekul地震　　　　　　　　　　图6 阿尔及利亚地震

2各国规范对“强柱弱梁”的考虑

2.1　中国规范

我国《混凝土结构设计规范》[7]规定，柱端弯矩设计值一级抗震等级的框架结构和9度设防烈度的一级抗震等级框架应符合∑Mc=1.2∑Mbua；二、三、四级及其他情况应符合∑Mc=ηc∑Mb,具体参数见《混凝土结构设计规范》.

2.2　欧洲规范

欧洲规范[8]将混凝土框架结构分为高、中、低三个延性等级,其中，高、中延性等级的框架结构需要按式∑Msc≥γRd∑Mbu要求考虑梁柱承载能力级差,低延性等级无需考虑,只需按一般要求设计.式中左端为上下柱弯矩设计值之和，右端弯矩为梁端弯矩之和.对高、中延性等级的放大系数分别取1.35和1.2.

2.3　美国规范

美国规范[9]将框架结构分为一般、中等和特殊框三种框架结构形式,规范只要求设计人员对特殊框架结构形式进行梁柱承载能力级差的考虑.公式为:

式中，等式右端为左右梁端弯矩设计值之和,等式左端为上下柱弯矩设计值之和.与中国规范不同的是,美国规范同时允许柱铰的出现,其可以出现在中间层,也可以是其它层;美国规范还规定,在对梁进行抗震承载能力计算时,应考虑六倍板厚范围内的楼板钢筋对梁承载能力的提升.

3形成“强梁弱柱”的因素

3.1　楼板的影响

通过研究,国内外专家学者得出一个相同的结论[10]:现浇楼板对框架梁具有较强的增强作用,是提高梁承载能力的主要原因,也是地震震害中出现“柱铰”破坏机制的主要原因.现浇楼板对框架梁的影响主要表现在如下方面:楼板通过现浇和梁良好的结合到一起,形成了T型梁,使梁本身的受压区截面增大,提高了其正弯矩的承载能力;在一定范围内与梁纵筋平行的现浇楼板的钢筋增加了梁筋面积,提高了其抗负弯矩的能力.1976年唐山地震中,48栋钢筋混凝土框架结构震害表明[11],由于现浇混凝土楼板提高了梁的抗弯刚度和抗弯承载力,出现了“强梁弱柱”这一震害现象,而那些没有楼板的空框架,全部出现了“强柱弱梁”型破坏.参与多次地震灾害调查的专家发现,未考虑现浇楼板对混凝土梁抗弯承载能力的提升是在大地震中混凝土框架结构发生“强梁弱柱”型破坏的主要因素[12].蒋永生[13]进行的现浇混凝土框架中节点抗震研究表明,现浇楼板对框架梁的抗弯承载力有较大提升,设计时应考虑现浇楼板参与工作.

3.2　填充墙的影响

我国《建筑抗震设计规范》[14]明确指出,混凝土框架结构的围护墙和隔墙,应估计其设置对结构抗震的不利影响,避免不合理设置而导致主体结构的破坏.但并未具体给出在设计中,应该采取怎样的方法来解决这一问题.在工程实际当中,通常采用折减系数的方法以改变结构的自振周期，从而实现填充墙对结构刚度影响的考虑,但此系数取值范围较大,又无法考虑放置不同部位和数量对框架刚度、周期、振型的影响,所以这一方法很难做到结构的精确计算.填充墙作为一种非结构构件,在实际工程中与混凝土梁直接砌筑在一起,同时在墙柱之间采用拉结筋以保持其稳定,这不但加强了结构的层间刚度，也加强了梁的抗弯承刚度和抗弯承载力,这从本质上讲,填充墙参与了结构在地震过程中的受力.填充墙的不同分布形式也造成了同层结构内地震水平分布剪力发生变化,所以不同位置的框架柱所受水平力也不同,同时梁在填充墙的作用下刚度变大,从而出现“强梁弱柱”.

3.3　其他因素的影响

梁、柱配筋率的影响.在进行结构内力计算梁端弯矩时,往往把梁柱轴线交点简化为梁柱交点,但在工程实际受力中,梁柱截面的交点为梁所承受弯矩的真实截面,显然,前者的计算值大于后者造成梁筋超配.同时为了减少梁中裂缝的产生和梁的变形,人为加大了梁内钢筋用量,进一步造成了梁筋超配.配筋率的高低势必对柱子的抗震性能造成影响,与国外规范比较,我国对柱的纵筋和箍筋的最小配箍率要求较低,这也是出现柱端破坏的原因之一.

轴压比的影响.我国《建筑抗震设计规范》对抗震等级为一级、二级、三级、四级的柱轴压比限制作出的规定分别为0.6,0.7,0.8,0.85,较欧洲规范的0.55~0.75,新西兰规范的0.5~0.7高出一个数量级.文献[15]研究表明,在7度罕遇地震作用下,轴压比高于0.6的混凝土框架结构容易出现“强梁弱柱”的破坏现象.因此,轴压比也是形成“强梁弱柱”的另一个影响因素.

刚度的影响.随着生活水平的提高,人们对室内净空和美观有了进一步的需求,这就要求设计师做到大跨度的同时尽可能缩小柱截面尺寸.大跨度势必要加大梁截面的尺寸,而为了美观减小了柱截面尺寸,这样梁柱之间产生了较大的刚度差,从而使柱端较梁端更易发生破坏.

4结论

通过对以往地震震害现象的分析可以得出如下结论：“强梁弱柱”是混凝土框架结构发生各种震害中的主要破坏机制,影响这种破坏机制的因素较多,但楼板和填充墙是其中的主要因素.在今后的工程实践中,如何考虑上述因素的影响,值得深思,这对完善混凝土框架结构的抗震性能具有重要意义.

参考文献

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[13] 阳波.钢筋混凝土框架结构“强柱弱梁”机制影响因素研究[D].长沙:湖南大学,2012.

[14] 蒋永生.整浇梁板的框架节点抗震研究[J].建筑结构学报,1994(12):11-16.

[15] 建筑抗震设计规范(GB50011-2010)[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

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

中图分类号：TU 375.4

文献标志码：A

文章编号：2095-8919(2015)02-0005-04

作者简介：刘殿忠(1960～),男,吉林省长春市人,教授,博士.

收稿日期：2014-10-26.