RC框架结构在不同类型地震作用下的破坏分析

祖庆芝

(漳州职业技术学院，福建 漳州 363000)

0 前言

地震作为一种突发性自然灾害具有不可预测、发生突然、破坏性大等特点，根据中国地震台网统计数据，近一年(2021年)来全球范围内4级以上地震发生的次数多达555次，6级以上地震108次。我国地震主要发生在西北及西南地区，2021年云南漾濞县发生多次地震，最大震级达到6.4级，给当地基础设施造成了严重的破坏。近一年全球地震发生频次如图1所示，我国近期地震分布情况如图2所示。

图1 近一年全球地震发生频次

钢筋混凝土框架结构因其施工便捷、设计简便，被广泛应用在现代建筑中，但在地震作用下钢筋混凝土框架结构常发生严重的构件开裂甚至倒塌现象。针对钢筋混凝土结构的震害，李昆等[1]对云南漾濞地震后公共建筑的震害特征进行了调查和分析；闫培雷等[2]对四川康定6.3级地震作用下的结构破坏形式及原因进行了分析；张令心等[3]对九寨沟7.0级地震作用后的房屋进行了调查分析，分析结果见表1。由前述震害调查及研究可知，钢筋混凝土框架结构在地震作用下的破坏主要发生在梁柱节点处及梁与填充墙接触部位。国内外诸多学者针对钢筋混凝土框架结构地震破坏及抗震性能进行了深入研究。陈泽帆等[4]考虑到结构的几何属性及材料特性等因素，研究了钢筋混凝土框架梁柱子结构的抗倒塌性能，研究表明，结构的纵筋屈服强度、极限强度是影响钢筋混凝土框架梁柱子结构抗连续倒塌能力的主要因素；韩明明等[5]以5层钢筋混凝土框架结构为研究对象，研究了含带跃层柱框架结构的抗震性能；骆欢等[6]开展了1∶5缩尺的钢筋混凝土框架结构倒塌振动台试验研究，研究结果表明实验模型呈“强梁弱柱”型破坏；孙广俊等[7]通过10层RC框架结构有限元分析研究了近断层对结构倒塌特性的影响，研究表明，对结构倒塌模式影响最大的因素是底层框架柱的损伤，框架柱不对称损伤比对称损伤所引起的楼层层间位移大；Takasuke SAITO等[8]通过建立考虑钢筋的黏结滑移和梁柱节点板剪切变形的钢筋混凝土框架结构非线性分析的有限元分析模型，研究了钢筋混凝土框架在循环荷载作用下的受力状态；Claudia Marin-Artieda等[9]通过非延性钢筋混凝土框架的两个动态试验数据创建数值模型，开展梁柱节点上的弯曲、剪切、拉拔和黏结滑移破坏模式研究，研究结果表明非延性框架的破坏机制主要是拉拔和黏结滑移，近场地震作用下黏结滑移的形成与地震的峰值加速度水平有关。

表1 历次地震震害特征

由前述研究可知，RC框架结构地震破坏现象明显，在地震作用下钢筋混凝土框架结构易在构造柱柱头及梁柱结合处发生破坏，且破坏形式受地质条件、地震烈度、地震类型等多种因素影响。现有的研究较少涉及不同类型地震对钢筋混凝土框架结构的影响，因此本文以6层RC框架结构为研究对象，探究不同类型地震对RC框架结构破坏形式的影响。

1 结构模型的建立

1.1 结构概况

本文选择建立的结构模型为福建省漳州市的某一在建6层钢筋混凝土框架结构，该结构所处地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g。该框架结构首层层高为4.5 m，2～6层层高为3.6 m，如图3所示。该框架结构所有框架柱的截面尺寸均为0.4 m×0.4 m，混凝土保护层厚度为25 mm，框架柱的纵向钢筋均为直径为25 mm的HRB400钢筋，箍筋均用直径为8 mm的HRB335钢筋，箍筋间距为100 mm(加密区)及200 mm(非加密区)，该框架结构所用的混凝土强度等级为C30。

(a)立面图

(b)平面图图3 RC框架结构立面图和平面图

1.2 材料本构

采用有限元软件ABAQUS建立该6层RC框架结构有限元模型，其中混凝土材料本构采用ABAQUS中的损伤塑性模型(CDP模型)，按照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[10]计算得到混凝土拉压应力—应变关系，如图4所示。混凝土损伤因子d参照文献[11-13]，采用Sidiroff能量等价原理，按照式(1)计算。应力—应变关系弹性段取混凝土强度的0.4倍，泊松比取 0.16，截断应变取3ε0[14]。

(1)

式中：d为损伤因子；σ为混凝土真实应力；ε为混凝土真实应变；E0为混凝土初始弹性模量。

图4 混凝土拉压应力—应变关系

钢筋本构关系采用文献[15]中的双折线模型，屈服后弹性模量取初始弹性模量的1/100。HRB335钢筋屈服强度标准值为335 MPa，极限强度标准值为455 MPa，HRB400钢筋屈服强度标准值为400 MPa，极限强度标准值为540 MPa，弹性模量为2×105MPa，泊松比取0.28，具体的钢筋材料本构参数，见表2。

表2 钢筋本构参数

1.3 建立有限元模型

建立结构有限元模型时，混凝土采用C3D8R实体单元，钢筋采用T3D2桁架单元[16]，钢筋部件通过内置区域(Embedded Region)的方式嵌入到混凝土部件中，不考虑钢筋和混凝土之间的相对滑移。恒荷载及活荷载以附加质量的方式附加到楼板上[17]，框架梁、框架柱和楼板采用合并的方式合成一个整体，结构整体有限元模型及网格划分如图5所示。

2 结构自振特性分析

采用有限元软件ABAQUS中的Lanczos方法求解结构前10阶自振模态，结构前4阶振型，如图6所示。结构第一阶振型为沿纵向的平动，第二阶振型为沿横向的平动，第三阶振型为整体扭转，第四阶振型为1～3层沿横向负方向平动、4～6层沿横向正方向平动。结构各阶自振频率及周期见表3；表3中的结构各阶自振频率及周期可知，结构主频为1.02 Hz。

(a)结构有限元模型

(b)网络划分图5 结构有限元模型及网格划分

(a)第一阶振型

(b)第二阶振型

(c)第三阶振型

(d)第四阶振型

表3 结构各阶自振频率及周期

3 地震作用下的结构分析

为研究长周期地震、竖向地震及常规地震对钢筋混凝土框架结构的动力响应及破坏形式的影响，分别选取El Centro地震波、Nihonkai-Chubu地震波、Hyogoken-Nanbu地震波作为计算时输入的地震波。长周期地震动通常分为近断层地震动和远场地震动。3种地震波特性见表4，地震波时程曲线如图7所示。

表 4 不同地震波特征

图7 地震波时程曲线

3.1 地震震级对结构的影响

为研究不同震级地震作用下RC框架结构的动力响应与破坏情况，分别进行6度、7度、8度多遇地震作用下的结构时程分析，输入地震波选择El Centro地震波，地震加速度峰值按照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[18]规定的进行调整，见表5。

表5 时程分析所用地震加速度时程的最大值 单位：cm·s-2

3.1.1 结构加速度响应分析

分别提取结构1～6层(F1～F6)的加速度时程曲线，如图8所示。由图8可知，不同震级地震作用下结构加速度峰值出现的时间不同，且随地震加速度峰值增大，结构随层高的加速度峰值的变化值增加。其沿楼层加速度峰值的变化如图9所示。当PGA=18 Gal时，F1的加速度响应峰值为278 mm/s2，F6的加速度响应峰值为461 mm/s2，增幅为65.8%；当PGA=35 Gal时，F1的加速度响应峰值为537 mm/s2，F6的加速度响应峰值为868 mm/s2，增幅为61.6%；当PGA=70 Gal时，F1的加速度响应峰值为815 mm/s2，F6的加速度响应峰值为1 252 mm/s2，增幅为53.6%。由此可知，随地震震级增加，结构沿高度的加速度增幅呈下降趋势。由图9所示的沿楼层加速度峰值变化也可看出，随PGA增加，各层的加速度峰值曲线斜率变小。

(a)F1加速度时程曲线

(b)F2加速度时程曲线

(c)F3加速度时程曲线

(d)F4加速度时程曲线

(e)F5加速度时程曲线

(f)F6加速度时程曲线

图9 沿楼层加速度峰值变化

3.1.2 结构地震损伤分析

各性能水准对应的材料应变限值见表6。混凝土损伤因子与应变关系如图10所示，提取不同震级作用下结构的拉伸损伤曲线及云图如图 11 所示。

表6 各性能水准对应的材料应变限值

图10 混凝土损伤因子与应变关系

(a)PGA=18 Gal

(b)PGA=35 Gal

(c)PGA=70 Gal图11 不同地震作用下结构的拉伸损伤曲线及云图

根据前述表6及图10，可以计算出不同震级地震作用下结构的破坏情况。如图11(a)所示，当PGA=18 Gal时，结构1层拉伸损伤最大达到0.15，损伤最大部位为边柱与梁结合处，2层及3层拉伸损伤明显减小，4层以上无拉伸损伤；如图11(b)所示，当结构遭遇7度多遇地震，即PGA=35 Gal时，结构1层拉伸损伤最大达到0.95，达到拉伸损伤最大值，损伤最大部位为1层横梁端部，此时混凝土受拉达到极限值，会出现不可恢复的拉裂缝，2层及3层拉伸损伤值在0.8左右，接近拉伸破坏，4层拉伸损伤值为0.1，结构基本未出现破坏；如图11(c)所示，当PGA=70 Gal时，结构1层拉伸损伤最大达到0.95，2层拉伸损伤值>0.8，破坏位置均在梁端部位。

对比3种地震等级可知，随地震强度的增加，拉伸损伤由低层逐渐向高层扩展，但破坏形式相似，均表现为梁柱结点的破坏，这与震害调查所得结论一致。结合上一小节中对结构加速度时程的分析可知，随地震强度增加，结构拉伸损伤逐步发展，从而导致结构加速度随层高的变化幅度呈现减小趋势，即地震过程中结构的破坏导致结构地震响应的变化。

3.2 地震类型对结构的影响

为研究远场地震及近场地震对RC框架结构地震动力响应及破坏形式的影响，分别计算7度多遇地震及地震峰值加速度为35 Gal时，RC框架结构在El Centro地震波、Nihonkai-ChuBbu地震波、Hyogoken-Nanbu地震波的地震响应。

3.2.1 地震类型对结构加速度响应的影响

提取3种地震作用下结构各层的加速度峰值，如图12(a)所示。由图12(a)可知，Nihonkai-ChuBu地震作用下结构的加速度峰值均大于El Centro地震作用下结构的加速度峰值，即结构对远场地震的动力响应更为显著，在Hyogoken-NanBu地震作用下，1～3层加速度峰值小于El Centro地震作用下的加速度峰值，但在4～6层，结构的最大加速度均大于El Centro地震作用下的最大加速度，即结构在近场地震作用下的层间动力响应差异较其他类型地震更大。层高对于结构加速度峰值变化的影响如图12(b)所示。由图12(b)可知，Hyogoken-NanBu地震作用下的层高变化对结构动力响应影响更大，因此，当RC框架结构在设计建造时，考虑层高变化时应充分考虑近场地震的影响。

(a)结构各层的加速度峰值

(b)层高对于结构加速度峰值变化的影响图12 地震类型对结构加速度响应的影响

3.2.2 不同类型地震作用下结构非线性分析

提取3种地震作用下边柱的底部剪力及柱顶位移，如图13所示。在El Centro地震作用下边柱顶部最大位移为7 mm，底部剪力为12 450 N；在Nihonkai-ChuBu地震作用下边柱顶部最大位移为8.4 mm，底部剪力为12 500 N；在Hyogoken-NanBbu地震作用下边柱顶部最大位移为7.8 mm，底部剪力为12 470 N。

由此可知，不同类型地震作用下结构的柱底剪力及顶部位移差异较小，但在滞回环包围的面积大小上可以看出，远场地震过程中结构消耗的能量大于近场地震及常规地震，即结构在远场地震作用下的非线性发展速度更快。

(b)Nihonkai-Chubu地震

(c)Hyogoken-Nanbu地震图13 3种地震作用下边柱的底部剪力及柱顶位移曲线

3.2.3 不同类型地震作用下结构破坏形式分析

提取3种地震作用下结构的拉伸损伤值及拉伸损伤云图，如图14所示。由图14可知，在不同类型地震作用下，结构拉伸损伤达到最大值时均对应地震波峰值，且在3种地震作用下结构1层的拉伸损伤值均达到0.95，即结构出现不可恢复的拉伸破坏，结构的破坏部位均出现在梁端与柱结合处。有所不同的是，在近场及远场地震作用下结构1～4层破坏严重，在El Centro地震作用下结构1～3层破坏严重。从拉伸损伤值曲线可以看出，远场地震作用下结构的损伤呈台阶状逐渐破坏，而在近场地震及常规地震作用下混凝土呈现突然的拉伸破坏。

(a)El Centro地震

(b)Nihonkai-Chubu地震

(c)Hyogoken-Nanbu地震图14 3种地震作用下结构的拉伸损伤值及拉伸损伤云图

4 结论

本文通过有限元软件ABAQUS分析了不同震级及不同地震类型对RC框架结构的动力响应及破坏情况的影响，得出的主要结论有：

1)在6度、7度、8度3个震级地震作用下，结构加速度峰值出现的时间不同，且随地震加速度峰值增大，结构随层高的加速度峰值的变化值增加；

2)地震过程中由于结构出现破坏，导致结构动力响应发生变化，当结构拉伸损伤发展到0.95时结构出现不可恢复变形，结构损伤发展导致其地震响应峰值增幅由65.8%减小至53.6%；

3)结构在近场地震作用下的层间动力响应差异较其他类型地震更大，RC框架结构在设计建造中考虑层高变化时应充分考虑近场地震的影响；

4)结构在远场地震作用下的非线性发展速度更快，所消耗能量更多，且在破坏过程中呈现阶段性破坏，在PGA相同的情况下结构整体破坏程度比近场地震及常规地震更严重。