钢筋混凝土框架结构在三维特大地震作用下的倒塌分析

(1.广州大学土木工程学院 广东 广州 510006，2.广州市第一市政有限公司 广东 广州 510030)

引言

在地震下作用下房屋倒塌问题，一直是地震工程和结构工程的一个热点问题。我国在汶川、玉树地震中大量的建筑倒塌，造成人员的重大伤亡[1]。我国规范[2]提出了“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准设防目标，并采用两阶段设计方法。但是其中的结构的弹性设计与弹塑性抗倒塌验算是两个相对独立的过程，并且第二阶段的抗倒塌验算一般只针对于少数重要建筑，大量的房屋建筑采用概念设计和抗震构造措施来保证结构的抗倒塌能力，结构的弹塑性阶段的分析的不足，将会导致结构在“巨震”的抗倒塌能力不足。

一个国家或地区抗震设防水准，是社会财富投入能力与灾害损失风险博弈的结果。由于历史的原因，我国存在大量的低设防烈度建筑。在过去的汶川地震中，远高于建筑设防烈度的地震动烈度是造成建筑倒塌的重要原因。混凝土框架结构由于其结构平面布置灵活，可形成较大的建筑空间，而广泛应用于住宅、商户、学校当中。历次大震表明，混凝土框架结构震害严重。为此，本文以常见的6度设防的钢筋混凝土框架为例，在ABAQUS/Explicit平台上分析了6度设防钢筋混凝土框架的抗倒塌能力。

一、工程概况

框架结构资料：结构底层高4.1m，其他层高3.7m，总高22.6m，一共6层。场地类别为1类，特征周期为：0.25s，设计地震分组为一组，根据《建筑结构荷载规范》[3]，荷载楼面恒荷载标准值6kN/m2，房间活荷载标准值2kN/m2，走廊活荷载标准值取3.5kN/m2，隔断墙与维护墙荷载标准值取8kN/m2。平面布置如图1所示。为代表性的内廊式平面布置，常见于学校和医院[4]。按丙类结构设计，6度设防。采用盈建科软件进行设计，配筋完成后，转换为ABAQUS计算文件。

结构三维视图见图2，梁柱构件采用B31/B32纤维单元模拟，由于Explicit模块不能采用“*Rebar”关键字考虑钢筋作用。配筋梁柱构件的模拟采用组合单元法，通过“tie”关键字实现共节点模拟配筋梁柱构件。而墙板等构件则采用S4R/S3R分层壳单元模拟。

结构的前三阶周期分别为2.08s，1.77s，1.74s。边梁截面尺寸、中梁截面尺寸、1层-3层柱截面尺寸、4层-6层柱截面尺寸分别为200×400，200×300，400×400，400×400，四级框架，梁板柱混凝土等级为C30，梁柱纵筋种类为HRB400，楼板厚度100。

分析过程中，混凝土本构模型为文献[5]中混凝土经验塑性损伤模型，钢筋本构为线性随动硬化模型并考虑损伤。

图1 标准层平面布置图 图2 三维结构视图

输入El Centro地震动，持续时间为53.46s，各向时程曲线和反应谱曲线见图3。

(a)EW向加速度时程 (b)NS向加速度时程

(c)竖向加速度时程 (d)反应谱曲线

为了考察混凝土框架结构在不同特大震烈度下的抗倒塌能力，对El Centro地震动记录进行调幅。调幅参照文献[4]所建议特大地震的峰值加速度(PGA)水平进行。其中6度、7度、8度、9度设防烈度对应的特大地震峰值加速度水平分别为220，400，620，800(单位/gal)。

二、连续倒塌分析方法

三、分析结果

6度设防的钢筋混凝土框架，其在6度、7度的特大地震烈度地震动作用下，没有出现明显的垮塌现象。而在8度、9度对应的地震烈度水准下，结构出现了垮塌。这表明按现行规范设计的混凝土框架结构具备抵御高于设防烈度1度的特大地震抗倒塌能力，而不具备抵御远高于设防烈度特大地震的抗倒塌能力。

T=1.00s T=3.00s T=4.00s T=5.00s

(a)8度地震

T=1.00s T=3.00s T=3.40s T=4.24s

在8度、9度地震动作用下的框架结构的倒塌过程见图4。图中给出了混凝土塑性损伤本构中受压损伤因子分布情况。从图中可以得到以下结论：

(1)6度设防混凝土框架在8度、9度烈度地震动作用下的倒塌模式有一定的相似，表现为底部柱子端部先失效，同时结构整体出现了较大的侧移，结构在重力荷载作用下产生竖向位移，最后倒塌。结构的倒塌模式表现为以侧向增量倒塌为主、竖向连续倒塌为次的倒塌模式。

(2)从损伤的分布情况可知，框架柱的损伤要快于框架梁，这表明“强柱弱梁”机制没有实现，这与一些历史震害调查结果一致。

(3)倒塌过程迅速。El Centro地震动记录的持续时间为53.46s，框架从出现倒塌前兆到完全倒塌，其持续时间分别为6.0s和4.24s。由此可见，从首个构件失效到结构完全倒塌持续时间短暂，倒塌过程迅速。