钢筋混凝土框架结构强震破坏模式的控制

张凯鹏

摘 要：当前，钢筋混凝土框架结构是建筑物的主要结构形式，其抗震性能直接关系到建筑物内的人员和财产安全。因此，应该根据《建筑抗震设计设计规范》等文件的要求进行科学的建筑物结构设计，确保建筑物在强震作用下能够发生总体屈服，而非楼板屈服，从而最大限度地保护建筑物内部的设施和人员安全，这要求建筑物的结构设计符合“强柱弱梁”原则。所以，本文对钢筋混凝土框架结构强震破坏模式进行分析，探索满足“强柱弱梁”原则的设计措施。

关键词：钢筋混凝土框架结构；强震破坏模式；强柱弱梁；仿真模拟

中图分类号： TU528 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2017）05-46-2

0 引言

长期以来，“强柱弱梁”都是建筑物抗震设计所追求的目标，能够直接影响强震作用下的建筑物破坏形式，避免建筑物的完全垮塌。然而，通过对汶川地震的建筑物破坏形式分析，实际的建筑物鲜有能够满足上述要求的，这是多方面因素导致的。在强震作用下，钢筋混凝土框架的柱体首先遭受破坏，失去支撑力，导致建筑物整体垮塌，造成建筑物内部空间的急剧变化，是地震造成的财产损失和人员伤亡的主要原因。所以，有必要对强震作用下的钢筋混凝土结构的破坏模式进行分析，选择合理的破坏模式，将地震造成的破坏降到最低。

1 钢筋混凝土框架结构强震破坏模式分析

钢筋混凝土框架结构的抗震性能主要由框架梁和框架柱的力学性能反映，在强震作用下，柱体先发生破坏或框架梁先发生破坏将造成建筑物的不同破坏形式，产生的危害性有极大的差异。

1.1 钢筋混凝土框架结构的总体屈服模式

总体屈服机制是在“强柱弱梁”结构的建筑物遭受强震作用后的破坏形式，建筑物的框架梁首先发生塑形形变，吸收相當比例的地震能量，导致框架柱体受到的地震影响相对较小，能够保证柱体的结构完整或低端发生少量形变，仍然能够发挥可靠的支撑力，维持建筑物的空间结构，从而避免建筑物的整体垮塌。这是钢筋混凝土框架结构抗震设计的主要目标，是较为合理的强震破坏形式，能够有效降低地震造成的影响。

1.2 钢筋混凝土框架结构的楼层屈服模式

所谓楼层屈服机制是指柱端的抗弯承载力小于框架梁端的抗弯承载力，一旦地震发生，框架的柱端首先发生形变，导致柱体遭受破坏，失去对建筑物整体的承载力，造成楼层垮塌。该种破坏形式使得建筑物的空间结构发生彻底改变，人员和财物等被掩埋于废墟当中，造成严重的人员伤亡和财产损失，而且不利于震后搜救，是建筑物应该竭力避免的。然而，现在的许多建筑物都呈现“强梁弱柱”的结构特点，一旦遭遇强震，框架柱体将首先失去承载能力，导致楼层垮塌，危害极为严重。

2 借助LS-DYNA软件仿真模拟钢筋混凝土框架结构在强震作用下的破坏形式

2.1 LS-DYNA软件概述

LS-DYNA软件是基于中心差分法的显式积分算法，借助先进的信息技术实现钢筋混凝土框架结构在强震作用的破坏形式模式，分析地震作用下的建筑物的变形、破坏到坍塌的全过程，研究导致建筑物破坏的主要影响因素。

2.2 仿真模型的建立及相关参数选择

本次仿真模拟选择的建筑物为5层的钢筋混凝土框架结构建筑，建筑物单层呈现长方体结构，x方向的柱体间距离设定为7.2m，y方向的柱体间距离设定为6m，层高3.6m；框架柱尺寸为500×500（mm）；主梁300×700（mm），次梁250×600（mm）；楼板为现浇楼板，层厚100mm，外墙选择为填充墙。

在地震波的选择方面，为节省运算时间，选择加速度峰值较大的汶川地震部分波形作为地震波的主要形式，输入到仿真软件中，地震持续时间设定为10s。

2.3 仿真模拟结果

根据仿真模拟，构件在0.6s前基本处于弹性工作状态；1s时，由于地震动突然增大，底层框架柱底端开裂，形成局部破坏；1.3s时，底层柱顶端产生裂缝，并逐渐贯通，底层柱子退出工作；1.5s时，二层梁端产生裂缝，一层顶塑性铰形成；1.6s时，二层梁板失去支撑，开始塌落；1.9s时，二层柱顶产生贯通裂缝；2.3s时，二层楼板接触地面，碰撞碎裂；随后，上面各层梁柱也陆续出现端部开裂破坏；最后，结构整体倒塌。

3 钢筋混凝土框架结构强震破坏形式的主要影响因素分析

3.1 框架梁刚度放大系数

当前的钢筋混凝土框架结构的建筑物大多采用现浇楼板，其对框架梁的力学效果有显著的增强作用，导致建筑的框架梁的实际强度要大于梁体本身的力学强度，而且该种增强效果呈现不均一性，随着梁体位置的变化而改变。针对此问题，相关的设计规范采取经验参数的方式进行换算，即将中梁和边梁的刚度按照原框架梁刚度的2.0和1.5进行处理。该种处理方式仅考虑垂向上的楼板增强作用，对于框架梁的抗弯承载力的影响并未考虑，导致钢筋混凝土框架结构框架梁的实际刚度大于设计值，影响“强柱弱梁”结构的形成。

3.2 柱梁抗弯承载力比

在钢筋混凝土框架结构的设计中，柱梁抗弯承载力比值一般选择为1.1-17.之间，从理论上看，该比值能够满足“强柱弱梁”的结构要求，但是，通过对建筑物在地震中的实际破坏形式分析来看，该比值并不能确保钢筋混凝土框架结构能够形成总体屈服机制，其受到震级的影响较大。具体来说，当震级在6级以下时，框架结构的自身稳定性较强，受到的地震破坏较为轻微，能够维持建筑物的结构稳定；当震级在9度及以上时，建筑物受到的力学作用较为强烈，设计中承载力的比例选择较大，因而能够发挥“强柱弱梁”的结构特性，产生总体屈服。但是，当震级在6-9级之间时，比值选取较低，导致柱体的力学破坏较为严重，难以形成总体屈服。

3.3 框架结构柱体的轴压比

一般情况下，建筑物的柱体应该具备足够的力学强度，能够较好的抵御地震作用。然而，实际的设计过程中，出于美观和降低成本的考虑，多数钢筋混凝土框架结构的柱体截面偏小，导致柱体的轴压比处于较高水平，一旦发生地震，柱体将无法抵御更大的轴力，极易造成柱体破坏，造成建筑物的垮塌。

3.4 填充墙等围护结构对框架柱体的影响

围护结构主要是指建筑物的外墙、门窗等，是构成建筑物封闭空间的重要构件。在建筑物设计中，对此类围护结构仅仅考虑其对框架结构的重力影响，未考虑填充墙等围护结构对柱体造成的剪切影响，影响柱体力学作用的发挥，成为地震中柱体破坏的重要原因之一。

4 控制钢筋混凝土框架结构强震破坏模式的具体措施

4.1 构建梁柱铰混合破坏机制

通过对地震作用下的建筑物破坏实例分析，参考钢筋混凝土框架结构的地震破坏仿真模拟数据，在进行建筑物的结构设计时，单纯考虑“强柱弱梁”是不可取的，应该从框架结构的整体较大考虑，分析梁柱铰混合破坏的产生机制，使得建筑物在强震来临时能够形成该种破坏方式，保证建筑物的“大震不倒”，将强震造成的损失降到最低。

4.2 多指标综合评价钢筋混凝土框架结构的抗震设计

进行建筑物的抗震设计时，不能单单考虑单个或有限几个指标，而是应该将影响建筑物抗震性能的指标全部纳入考虑范围中，除了将指标作为单一变量考虑对建筑物结构稳定性的影响以外，还应该考虑指标间的关联性，确保抗震设计能够满足建筑物“强柱弱梁”的设计原则，有效抵御强震的冲击，达到“大震不倒”的目的，最大限制地维持建筑结构的稳定性。

4.3 积极应用BIM等仿真软件提升抗震设计的可行性

进入21世纪，信息技术成为社会发展的主要驱动力量。在建筑设计领域，借助信息技术形成的BIM能够实现对设计的仿真模拟，分析设计的可行性及施工、使用等后续环节中存在的问题，为设计优化提供参考，提升了设计的可行性。将其应用于抗震设计的优化中，能够消除各类不确定因素对建筑结构的影响，形成最佳的“强柱弱梁”结构。

5 结束语

总体而言，强震作用下，建筑物产生破坏是必然的，进行建筑物抗震设计的目的在于选择合理的建筑物结构破坏形式，将地震造成的影响降到最低，尽可能地维持建筑物的结构稳定性，保护建筑物内部的人员和设施安全。其设计应该从参数选择和仿真模拟等方法出发，探索合适的设计方案，满足建筑物的抗震设计需要。

参 考 文 献

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