既有钢筋混凝土框架结构的Pushover分析——基于不同施工质量状况

林君

(1．福建省建筑科学研究院福建福州350025;2.福建省绿色建筑技术重点实验室福建福州350025)

既有钢筋混凝土框架结构的Pushover分析
——基于不同施工质量状况

林君1，2

(1．福建省建筑科学研究院福建福州350025;2.福建省绿色建筑技术重点实验室福建福州350025)

通过工程具体实例，对典型的既有钢筋混凝土框架结构进行抗震鉴定，根据现场对整体结构的实际检测结果并利用迈达斯系列软件Midas Building对其进行多遇地震作用下的弹性分析及罕遇地震作用下的Pushover分析，得到其在弹塑性阶段的地震反应特征。分析比较了既有钢筋混凝土框架结构在框架柱、梁构件两端箍筋间距满足与不满足(实测箍筋间距较设计偏大)设计要求的情况下两种模型的不同计算结果，进一步表明房屋施工质量缺陷对结构自身抗震性能存在不可忽略的影响，同时也为主体结构下一步的维修加固提供了真实、有效的数据分析结果及理论计算依据。

框架结构;施工质量;抗震性能设计;弹塑性分析

0 引言

随着人类经济、技术水平的不断提高，我们也在不断研究开发符合时代水平的抗震设计方法，但目前已有的抗震计算方法和抗震构造的相关措施，在结构遭遇罕遇地震情况下，仍很难保证“大震不倒”。因此，正确了解结构在地震中的破坏状况，掌握结构在地震时的全过程反应，清楚结构的薄弱楼层和薄弱构件，这些关键问题的研究在抗震设计过程中显得非常重要。因此，在设计新结构或鉴定加固既有建筑的过程中，基于建筑结构的非线性特性来分析和追踪结构在地震发生时响应的全过程，有利于工程师们及时发现实际过程中结构抗震的薄弱楼层和构件，这种分析方法是一种极具效力检验结构遭遇地震所能抵抗倒塌能力的有效方法。本文将通过对一栋既有钢筋混凝土框架结构进行抗震鉴定，通过非线性分析，得出其在罕遇地震作用下，在不同施工质量状况下的结构响应，为结构的进一步加固维修提供理论依据。

1 工程概况

某一中学学生宿舍楼为8层现浇钢筋混凝土框架结构，静压沉管灌注桩基础，位于抗震设防7度区(0.10g)，Ⅲ类场地类别，地震分组二组，重点设防类，框架抗震等级一级，2005年建成并投入使用至今。

结构标准层平面布置示意图，如图1所示。

图1 结构标准层平面布置示意图(mm)

2 现场主要检查结果

(1)建筑及结构布置检查:现场实测建筑、结构平立面布置与委托方提供的竣工图纸资料基本一致。上部结构采用现浇钢筋混凝土多跨双向框架结构体系，无砌体结构相连，框架梁纵横向拉通、对直，框架柱纵横向对齐，上下对中，梁、柱节点连接方式正确，传力路线基本明确，形成完整系统。

(2)地基基础检测:该工程设计采用静压沉管灌注桩，现场检查上部结构未发现因基础不均匀沉降引起的裂缝，观察建筑物基础周边地面，未见明显沉陷。

(3)上部钢筋混凝土结构构件工作状态:柱、梁及板构件未发现明显裂缝及变形，梁、柱节点无明显缺陷。

(4)建筑物的侧向位移:根据现场条件布置10个测点量测建筑物的侧向位移，数据表明，结构整体侧移方向无明显一致性，现阶段所测测点侧向位移均未超过规范［1］规定的限值要求(H/450，H为结构顶点高度)。

(5)构件截面尺寸检测:抽取部分梁、柱构件量测其截面尺寸。数据表明，所检柱、梁构件截面尺寸与设计图纸基本相符。

(6)构件混凝土强度检测:现场抽检部分钢筋混凝土框架柱、梁构件采用回弹法进行现龄期砼抗压强度检测。检测结果表明，钢筋混凝土框架柱构件混凝土强度推定值为31.2MPa～32.6MPa，钢筋混凝土框架梁构件混凝土强度推定值为25.8MPa～28.9MPa，均满足设计及规范［2－3］规定的最低限值要求(≥C20)。

(7)主筋配置检测:现场抽检部分钢筋混凝土框架柱、梁构件进行角筋规格及主筋根数检测。数据表明，所检钢筋混凝土框架柱、梁构件角筋规格及主筋根数均满足设计要求。

(8)箍筋配置检测:根据委托方提供的竣工图纸，该工程钢筋混凝土框架柱构件箍筋配置为4Φ10@ 100/200，钢筋混凝土框架梁构件箍筋配置为4Φ8@ 100/200。现场抽检部分梁、柱构件进行箍筋加密区长度及加密区间距配置检测。数据表明，大部分所检钢筋混凝土框架柱、框架梁构件两端箍筋均未见明显加密，实测柱、梁箍筋间距为230mm～250mm之间，不满足规范［2－3］规定的柱、梁两端箍筋加密区间距的最低限值要求(≤100mm)，施工质量存在偏差。

(9)钢筋力学性能检测:抽取1根钢筋混凝土框架梁构件，截取1根22梁底纵向钢筋进行力学性能试验。数据表明，所检钢筋力学性能满足规范［4］要求。

(10)围护系统检测:现场检查未发现填充墙体存在明显变形及裂缝，与框架连接良好，沿墙高均设置拉结钢筋，其余围护系统诸如女儿墙、走廊栏板、楼梯栏板、门窗框、室外及屋面排水沟等非结构构件工作状况基本正常。

(11)抗震措施鉴定:结构抗震措施鉴定结果，如表1所示。

表1 抗震措施鉴定结果汇总表

3 抗震承载能力验算分析

(1)计算参数

计算分析软件:迈达斯系列软件—Midas Building

楼面恒载:根据设计板厚及考虑实际板面与板底装修情况取值。

活荷载:根据现行荷载规范，宿舍取2.0kN/m2，阳台、卫生间取2.5kN/m2，楼梯取3.5kN/m2，不上人屋面取0.5kN/m2。

材料强度:框架柱、梁、板混凝土强度等级均按设计取值;框架柱、梁主筋强度设计值按300MPa考虑，框架柱、梁箍筋以及板筋强度设计值按210MPa考虑。

箍筋间距:柱、梁构件箍筋间距按现场实测数据250mm考虑。

(2)多遇地震作用下结算结果

多遇地震作用下整体结构抗震承载能力计算结果，如表2所示。

表2 计算结果汇总表

由表2可知，结构底层抗剪承载力比值不满足规范要求，出现薄弱层，且一层～八层框架柱实测箍筋配置不满足计算配筋要求，结构构件承载能力验算未能通过。

(3)抗震鉴定结论

根据现场检测数据、承载能力验算分析等抗震鉴定结果，该工程在多遇地震作用下结构抗震性能不符合规范要求。委托方应及时对不满足设计要求的柱、梁箍筋采取措施进行处理。

(4)结论分析

该工程案例现场检测时结构构件工作状况基本正常，结构平立面布置比较均匀、规则，传力路径明确，形成完整系统。但是框架柱、梁构件两端箍筋加密区范围内未按设计要求进行必要的箍筋加密。

众所周知，箍筋在混凝土结构构件中扮演了重要的角色，它用来连接受力主筋和受压区混凝土使其共同工作，横向箍筋通过减小纵向钢筋的自由长度，防止纵向钢筋受力后压屈，充分发挥其抗压强度，同时也起到固定纵向钢筋位置的作用;横向箍筋还能起到抗剪的作用，还能够有效抑制结构已经产生的斜裂缝进一步扩展，增大了腹部结构混凝土的骨料咬合力;还对纵向钢筋受力作用下对混凝土保护层的撕脱产生了很强的约束;同时，纵向钢筋与腹筋形成的骨架使内部混凝土受到约束，也利于抗剪;长期荷载作用下，横向箍筋可以承受因混凝土收缩和环境湿度变化等产生的横向应力，以防止或减少纵向裂缝［5］。

汶川地震后，中铁八局的姚辉与中国建筑科学研究院的徐有邻对汶川地震中建筑结构震害现象进行分析。在其论文中，对比了配箍密集柱与箍筋配置很少的柱的不同震害表现，配置箍筋对柱梁的抗震性能影响很大，立柱配置箍筋少，容易在地震反复作用下造成混凝土产生裂缝，发生破碎，甚至发生坍塌，原因在于得不到箍筋的围箍，捆绑约束，致使混凝土压碎散落，纵筋屈服，导致立柱失稳倒塌。而配箍配置比较密集的立柱没有表现得那么脆弱，尽管在地震反复作用下也出现混凝土碎裂，但是在密集箍筋的围箍作用下，捆绑加破碎的混凝土并未散落而继续承受压力，柱子也因此没有倒塌而维系了结构的安全。

鉴于此，为了验证加密区箍筋间距在结构理论计算中所起的作用，在该工程实例中，框架柱、梁两端箍筋加密区间距按设计100mm取值，重新代入验算。经验算，一层～八层框架柱设计箍筋配置均满足计算要求，计算通过。

(5)静力弹塑性分析

传统的抗震设计方法无法细致地反映整体结构在地震作用下所表现出来的抗震性能，对结构构件在大震作用下可能形成的屈服类型及延性指标无法准确获得，对结构的进一步维修加固无法提供更加详尽的分析结果。同时，结构抗震设计采用的地震力取值可能偏低，如汶川地震中发生之前，该地区的设防烈度在6度以下，但是实际发生地震的烈度远大于6度。从汶川灾后现场大量的框架结构损坏程度来看，目前我国依据承载力和构造保证延性的抗震设计方法并不十分完善，仍然需要进一步研究［6－8］。

综合以上分析，决定对该工程进行静力弹塑性分析，以期获得结构在大震作用下结构屈服后的响应、极限承载能力以及了解结构构件的出铰顺序，为下一步的维修加固提供指导意见［9－10］。本研究进行弹塑性分析使用的软件仍旧是迈达斯系列软件——Midas Building，该计算软件在计算分析中提供构件在各分析步骤上出现的状态顺序为:出现塑性铰(B)－直接居住极限状态(IO)－生命安全极限状态(LS)－坍塌极限状态(C.D)。为了验证既有钢筋混凝土框架结构在不同施工质量水平下的抗震性能，本研究计算模型仍旧采用设计箍筋间距(以下简称模型一)与实测箍筋间距(以下简称模型二)分别输入分析。分析结果如下:

①建立模型，模型简图如图2所示。

图2 Midas Building模型简图

②边界条件

合理的边界条件决定了计算结果的准确性，根据本研究的对象，各个柱脚处面设置为刚接。

③计算结果

a.层剪力与层间位移角

计算结果表明，模型一X、Y向弹塑性工况下最大层间剪力分别为2 910kN、3 629kN，模型二X、Y向弹塑性工况下最大层间剪力分别为2 965kN、3 469kN，X、Y向最大层间剪力分别增长了1.89％、－5.51％;模型一X、Y向弹塑性工况下最大层间位移角分别为0.02 661、0.01 962，模型二X、Y向弹塑性工况下最大层间位移角分别为0.03 867、0.03 435，X、Y向最大层间位移角分别增长了45.3％、75.1％。主要计算结果，如图3～图6所示。

b.结构构件的出铰顺序及变形极限状态验算分析

计算结果表明，模型一与模型二在X向静力弹塑性工况作用下构件达到直接居住极限状态和生命安全极限状态的出铰顺序基本一致，但模型一构件达到坍塌极限状态时，较模型二推迟了两个步长，且各出铰步骤中模型二出现塑性铰的构件数均较模型一多。

图3 模型一X向层剪力－层间位移角计算结果

图4 模型一Y向层剪力－层间位移角计算结果

图5 模型二X向层剪力－层间位移角计算结果

图6 模型二Y向层剪力－层间位移角计算结果

模型一与模型二在Y向静力弹塑性工况作用下构件达到直接居住极限状态和生命安全极限状态的出铰顺序基本一致，且在整个分析步骤中模型一构件未达到坍塌极限状态，模型二在第24分析步骤时构件达到倒塌状态。同样的，各出铰步骤中模型二出现塑性铰的构件数均较模型一多。

主要计算结果图形，如图7～图14所示。(注:限于篇幅关系，下列结果图形为分别从模型一和模型二各抽取的一榀中间框架X向静力弹塑性计算结果图形。)

图7 模型一第3分析步骤时构件出现塑性铰

图8 模型二第3分析步骤时构件出现塑性铰

图9 模型一第9分析步骤时构件达到直接居住极限状态

图10 模型二第9分析步骤时构件达到直接居住极限状态

图11 模型一第13分析步骤时构件达到生命安全极限状态

图12 模型二第13分析步骤时构件达到生命安全极限状态

(6)静力弹塑性结论分析

综合a、b的计算分析结果，鉴于该工程框架柱、框架梁构件两端箍筋未按设计要求进行加密，存在较明显的施工质量偏差，在大震作用下结构出现塑性铰的时间加快，出现塑性铰的数量增多，结构水平变形加大，房屋出现倒塌的概率大大增加，结构抗震性能降低。

图13 模型一第20分析步骤时构件达到坍塌极限状态

图14 模型二第18分析步骤时构件达到坍塌极限状态

4 结语

传统的抗震设计方法无法细致地反映整体结构在地震作用下所表现出来的抗震性能，对结构构件在大震作用下可能形成的屈服类型及延性指标无法准确获得，对结构的进一步维修加固无法提供更加详尽的分析结果。静力弹塑性分析是基于性能的抗震设计中最具代表性的分析方法，因为计算效率较高和操作简单、理论概念清晰等原因被广大结构工程师们所普遍运用。对典型既有钢筋混凝土框架结构进行抗震鉴定，Pushover分析结果表明房屋施工质量缺陷对结构进入弹塑性状态后塑性铰的出饺顺序及延性性能的影响均不可忽略，为主体结构下一步的维修加固提供了真实、有效的数据分析结果及理论计算依据。

［1］GB 50292－1999民用建筑可靠性鉴定标准［S］．北京:中国建筑工业出版社，2006．

［2］GB 50023－2009建筑抗震鉴定标准［S］．北京:中国建筑工业出版社，2009．

［3］GB 50011－2010建筑抗震设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2010．

［4］GB 1499．2－2007钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋［S］．北京:中国建筑工业出版社，2007．

［5］霍维捷．日本建筑结构抗震技术现状［J］．上海建设科技，2005(06):17－19．

［6］沈聚敏，周锡元，高小旺，等．抗震工程学［M］．北京:中国建筑工业出版社，2000．

［7］杨仕升，郝效强，秦荣．钢筋混凝土框架结构抗震能力评估研究［J］．地震工程与工程振动，2005，25(5):80－841．

［8］汪梦甫，周锡元．关于结构静力弹塑性分析(Push－over)方法中的几个问题［J］．结构工程师，2002，(4):17－221．

［9］朱杰江，吕西林，容柏生．复杂体型高层结构的推覆分析方法和应用［J］．地震工程与工程振动，2003，23(2):26-361．

［10］王选民，邹银生．复杂高层建筑结构地震作用的计算［J］．建筑结构学报，1998，19(2):60－661．

Pushover Analysis of Existing Reinforced Concrete Frame Structure——Based On Different Construction Qualities

LIN Jun1，2
(1.Fujian Academy of Building Research，Fuzhou 350025;2.Fujian Provincial Key Laboratory of Green Building Technology，Fuzhou 350025)

The seismic appraisal for typical existing reinforced concrete frame structure is conducted based on real project.The structural elastic analysis under frequent earthquake and pushover analysis under rare earthquake are carried out using the software MIDAS Building along with the actual inspection data of the structure.The structural seismic response characteristics of elastic－plastic stage is obtained. Two models of construction situations of different stirrup spacing at member ends are simulated.One of which meets the design requirements，while the other one disagrees with that(the stirrup spacing is too large).The results show that the impact of construction quality defects on the structural seismic performance cannot be ignored.This research provides effective analysis results and theoretical calculation basis for structural maintenance and reinforcement.

Frame structure;Construction quality;Performance－based seismic design;Elastic－plastic analysis

TU3

:A

:1004－6135(2017)01－0050－05

林君(1985．8－)男，工程师。

E-mail:150335678@qq．com

2016－10－11