带破损安全层钢筋混凝土框架结构抗震性能研究

柏 洁 廖光明 李辉进

(四川大学建筑与环境学院，四川 成都 610065)

1 概述

结构的抗震设计方法，大体有两种类型。一种是传统的结构抗震设计方法，即加强建筑物的强度和刚度，保证结构自身具有能够满足抗震要求的“强度抵抗型”设计；另一种是增加建筑物塑性变形性能来吸收和耗散地震输入能量的“延性效果设计”，比如隔震技术、耗能减震技术、吸振减震技术等。传统的设计方法是一种消极的抗震方式，结构处于被动抵御的状态。因此最新的抗震理论研究都趋向于避免结构和地震力硬碰硬，抑制地震能量向结构本体的传播从而保证结构的完整性，隔震体系已经在设计领域成熟运用，各种地震阻尼器技术相应地产生并投入实践。但在相对偏远和落后的地方想要普及隔震和减振技术显然是不太现实的，因此本文希望在不增加建筑造价的情况下通过改变结构本身的一些构造来实现建筑物的“延性效果设计”,具体做法是引用桥梁工程中双薄壁墩[1]的概念，在建筑的地下室或底层设置双薄壁柱，保证其竖向承载力不降低的条件下把单柱改为双柱，通过减小其线刚度，将遭受大震作用时产生的水平变形集中于该层，使承担大量地震能量的吸收和耗散作用直至破损，极大地减少上部结构所受破坏，我们把这一层称为破损安全层[2]。

2 双薄壁柱理论分析

假设方形柱截面宽度为B，在面积变化不大的情况下把方形柱分割为两个相同的小柱，小柱截面宽度为nB，高度为mB，两小柱中间分开，留有微小间隙Δ，如图1所示。

分割的目的是为了减小柱的线刚度，因此在分割后相比原来的单根柱在其他属性上不宜差别过大，假设有：

可以看出，当分割后的小柱边长约为原来的0.707倍时，双薄壁柱两个方向上的惯性矩均减小为原来的1/2。

3 模拟实例

以一四层学生宿舍框架为例，在SAP2000中建立两种框架模型如图2，图3所示。

3.1 侧移刚度对比

在x方向上，对于方形单柱：

对于分割后的双薄壁柱：

侧移刚度比：

很显然，在截面面积相同的情况下，分割后的双柱的侧移刚度减小为原来的1/2，可以将其设置于破损层。

如图4所示，通常情况下我们希望框架结构的破坏机制如图4a)所示，但在2008年汶川地震中主体保存下来的房屋情况来看，相当一部分是因为底层柱被剪断发生如图4b)所示破坏，减小了地震力对上部结构的冲击，使得上部结构得以保持整体而幸存。因此，我们可以考虑在多层框架底层进行“弱柱”设计，通过减小底层柱的侧移刚度，调整上层和底层柱的线刚度比，使结构底层在罕遇地震下形成柱铰机制以吸收大部分地震能量但又不至于倒塌，继而保护上部结构的完整性。

3.2 多遇地震下结构反应

在SAP2000中分别建立模型并运行分析后，得到了底层为普通柱和底层为双薄壁柱的分析结果，通过比较二者在相同工况下的不同反应，来研究二者的结构性能[3,4]。

3.2.1监测点层间位移

根据两种模型不同模态下的运动反应，选取一平动反应较大的Z轴线上每层节点作为监测位移点，比较两种模型的层间位移。

图5和图6分别给出了两种模型在X方向上的层间位移值和Y方向上的层间位移角，可以看出，在地震作用下原始模型的最大层间位移总是发生在第二层，相当于在第二层的位置有一个突变，形成了薄弱层；而模型2的最大层间位移发生在底层，也即设置双薄壁柱这一层。双薄壁柱这一层的最大层间位移超过了原始模型最大层间位移值，满足我们对破损层产生较大位移的预期。结果表明，当把原始方形柱替换为双薄壁柱后，底层线刚度的降低使其成为了薄弱层，层间位移增大。在其余楼层层间位移基本一致的情况下，把第二层的位移量转移一部分到底层，使得结构不同楼层的层间位移值更加均匀。从图6也可以看出两种模型除了底层层间位移角相差较大之外，其他楼层的位移角基本保持了一致，且多遇地震下双柱模型的最大层间位移角为1/830，小于规范规定的1/550，满足小震作用下规范规定的弹性层间位移角限值要求。罕遇地震双柱模型的最大层间位移角为1/80，同样满足框架结构大震作用下规范规定的1/50的要求。

3.2.2静力弹塑性分析

用SAP2000对两种模型进行静力弹塑性分析[5-8]，通过观察两种模型塑性铰的发展情况来预测结构在地震作用下的反应。图7和图8给出了两种模型在倒三角加载和模态加载模式下最终塑性铰的发展情况。

可以看到，在两个方向分别加载时，模型1的塑性铰主要都发生在第二层和第三层，且塑性铰先发生于梁端。而模型2的塑性铰则比较集中在底层也就是双薄壁柱层，且颜色发展较深，表明结构底层柱率先出现塑性铰，且随着塑性铰的发展，双薄壁柱上的塑性铰首先屈服直到破坏，该模型的上部主体结构呈现出了类似刚体平移的反应。在同等地震力作用下，双薄壁柱较原始方柱会发生更大的侧移从而率先出现塑性铰，利用由双柱形成的薄弱层来耗散大量的地震能量，使得地震力在双薄壁柱这一层便得到大量的吸收，减小对上部结构的冲击，且由于双薄壁柱的两根柱子塑性铰发展不一定同步，当底层局部的其中一根小柱无法再承载时，还可以在震后选择换掉已经破坏的小柱，实现薄弱层的修复。

图9和图10为两种模型分别在X方向和Y方向层间位移与基底剪力的关系曲线。可以发现，前期基底剪力不大时两种模型层间位移的增长斜率基本保持不变，表明前期在基底剪力作用下二者均保持弹性，随着基底剪力的不断增大，二者的斜率逐渐增大，表明结构逐渐进入弹塑性状态。其中模型1的各层层间位移基本呈现同步变化，增长斜率具有一致性，且模型1的第二层层间位移发展最快。模型2的底层也就是破损安全层的层间位移值增长最快，表明随着基底剪力的不断增大，底层将会率先达到层

间位移角限值而破坏。当基底剪力达到约10 000 kN时，破损层层间位移值斜率急剧增大，较小的基底剪力增量便可引起较大的层间位移，表明此时破损层刚度已经退化甚至破坏，对应10 000 kN的层间位移角约为1/66，同样满足规范规定的1/50的要求。

4 结语

将桥梁工程中双薄壁墩的概念引入到房屋结构中，衍生出破损安全层和双薄壁柱的概念。通过本次模拟可以看到，当把普通柱用双薄壁柱替代后，两种模型均能满足设计预期，即在遭遇多遇地震作用时能达到一般抗震要求。而在遭受罕遇地震作用时，模型1的破坏形态为各楼层多根梁柱均出现塑性铰直至铰失效破坏，模型2则是底层双薄壁柱率先出铰直至破坏而其余构件保持基本完好的局部破坏形态。可以认为，由于破损层的存在，在结构遭遇强震作用时，破损层在破坏过程中耗散了大量地震能量，有效避免了上部主体结构发生破坏，体现出了较好的抗震性能。但是也需指出，由于破损层在地震作用下属于薄弱层，因此实际工程设计时不建议将其纳入生活使用范围，而是可以利用其特点将其作为地下室或者半地下室使用。本文仅对双薄壁柱和破损层概念作了初期的模拟探讨，新的抗震模型的提出，还需要对细节进行深入的研究。

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