汶川地震中某RC框架结构的震害分析与模拟

汶川地震中某RC框架结构的震害分析与模拟
徐超;刘健;温增平;杜修力;李立云;陆鸣
【摘要】2008年5月12日,四川省汶川县发生里氏8.0级地震,造成了巨大的人员伤亡以及工程结构震害.本文基于江油市某RC框架结构的震害调查,分析了该框架结果出现底层“薄弱层”和“强梁弱柱”的破坏机制的主要原因.采用该框架结构附近三个台站的主震加速度记录作为输入开展了非线性地震反应分析.研究表明,填充墙的竖向不均匀布置改变了框架的抗侧刚度分布,造成底层薄弱层的破坏现象.底层柱子的轴压比相对较大,塑性变形能力及耗能能力相对较差,使得底层柱的变形量更容易达到其塑性变形极限而发生破坏.由于现浇楼板对梁刚度和抗弯承载力的增强,框架结构很难出现规范中“强柱弱梁”的破坏机制.结构基本周期对应的加速度反应谱值是决定结构地震反应的主要参数,基本周期加速度反应谱值的增加会导致结构塑性铰的迅速发展,造成结构出现柱铰机构而整体失稳倒塌.建议设计框架结构时,尽量避免填充墙的不均匀布置.适当增加底层柱的截面面积和配筋率,降低轴压比以保证良好的延性.梁端负向抗弯承载力计算时采用T型截面,并考虑一定范围内楼板配筋的影响.
【期刊名称】《震灾防御技术》
【年(卷),期】2016(011)003
【总页数】10页(P542-551)
【关键词】RC框架结构;震害;填充墙;楼板;非线性动力时程分析
【作者】徐超;刘健;温增平;杜修力;李立云;陆鸣
【作者单位】中国地震局地球物理研究所,北京100081;中国地震局地球物理研究所,北京100081;中国地震局地球物理研究所,北京100081;北京工业大学建筑工程
学院,北京100124;北京工业大学建筑工程学院,北京100124;中国地震局地壳应力
研究所,北京100085
【正文语种】中文
2008年5月12日四川汶川发生8.0级大地震，强烈的地面运动导致大量建筑物
破坏倒塌，造成了重大的经济损失和人员伤亡。

在这次地震中，重灾区钢筋混凝土框架结构梁柱构件的破坏甚至结构的整体倒塌现象较为普遍（李小军等，2008；
闫培雷等，2010）。

值得关注的是，大多数RC框架结构的柱端出现破坏，而梁
端基本完好，这种“强梁弱柱”的破坏机制不符合抗震设计的预期目标，在很大程度上限制了结构整体抗震性能的发挥（中国建筑科学研究院，2010）。

另外，有
一些RC框架结构的变形和破坏集中在某些楼层，呈现出薄弱楼层的破坏机制，这对于结构的整体抗倒塌性能是极为不利的。

深入研究框架结构出现上述震害的机理，对于完善框架结构的抗震设计具有一定参考意义。

本文以地震中某典型RC框架结构的震害为例，探讨了造成“强梁弱柱”及“薄弱层”震害现象的主要原因。

考虑楼板对框架梁抗弯承载力的影响，建立了该框架结构的非线性地震反应分析模型，以附近三个台站的主震加速度记录作为输入开展非线性地震反应分析，定量研究了结构的地震破坏原因，为框架结构的抗震设计提供参考。

江油市农业银行大楼建于2000年，主体为六层全现浇框架结构，抗震设防烈度为Ⅶ度，设计地震动分组为第一组，设计基本地震加速度为0.1g，Ⅱ类场地，抗震
等级为三级。

该大楼一层为门面，二至四层为办公用房，五、六层为住宅。

首层层高3.9m，以上各层层高3.3m。

结构平面呈长方形，长轴方向有11个开间，短轴方向为2跨，开间为3.3m，跨度分别为6.6m和4.8m。

底层作为门面用房，11
个开间只设置了4道横墙，显得比较空旷；二至四层两侧为大会议室，中间为小开间办公室，总共布置了9道横墙；五、六层的住宅楼布置了10道横墙。

楼板均为100mm厚现浇楼板。

现场调查发现该建筑的震害特点如下：①底层破坏最为严重，呈现明显薄弱层的破坏特征，主要表现为底层少量框架柱的柱头混凝土压碎脱落，箍筋绷脱，纵向钢筋外露，甚至压屈，部分框架柱柱顶出现塑性铰，而二层及以上楼层的承重构件基本完好；底层填充墙的破坏最严重，部分出现了通透性的交叉裂缝甚至倒塌的现象，二层以上各层填充墙均有不同程度的开裂，未发现倒塌现象，震害较底层轻很多；
②未发现梁端破坏的现象，呈现“强梁弱柱”的破坏机制；③底层框架柱的破坏只发生在柱顶，未发现柱底破坏的情况。

主要震害如图1所示。

根据结构构件及整体的破坏情况可认为该房屋属于中等破坏状态。

现场调查发现，该房屋主体承重结构是规则的RC框架。

但是由于填充墙的不均匀布置，改变了框架结构层间抗侧移刚度的分布。

底层11个开间只有4道填充墙，明显少于上面的楼层，导致底层的抗侧移刚度也明显小于上面楼层，在水平地震作用下容易出现变形和能量集中的现象。

可见，填充墙的不均匀分布可能是造成结构出现底层薄弱层破坏机制的主要原因之一。

其次，框架结构底层柱的实际轴压比相对较大，其延性较差，在地震作用下更容易发生破坏。

另外，底层框架柱在没有填充墙约束的情况下易出现塑性变形，加之现浇楼板对框架梁的刚度和抗弯承载力不同程度的加强作用，导致该框架结构未能出现规范期望的“强柱弱梁”破坏机制。

2.1 带塑性铰的梁柱单元模型
采用DRAIN-2DX（Prakash等，2002）建立结构的非线性动力分析模型，梁柱构件采用带塑性铰的梁-柱单元模拟。

带塑性铰的梁柱单元不仅能够模拟轴向变形及两端的弯曲变形，而且可以模拟弯曲时的剪切变形。

假定单元由相互平行的理想弹性元件和两端带集中塑性铰的理想弹塑性元件复合而成，以此模拟受弯过程中的
应变硬化效应，且构件的塑性变形集中发生在两端的塑性铰处。

单元的基本组成如图2所示，图中的刚域可用来模拟梁柱节点处的端点偏移。

单元的弯曲滞变模型
采用考虑应变硬化的双线性模型来模拟，如图3所示。

弹性段代表屈服前的有效
弹性刚度，不考虑在循环荷载作用下的刚度退化效应，即屈服后在循环荷载作用下的卸载和再加载刚度与有效弹性刚度相同。

通过引入单元的几何刚度矩阵近似考虑P-Δ效应。

对梁柱构件分别指定不同的屈服模式，以区分其实际力学行为的差异，如图4所示。

对梁构件而言，由于其轴力和弯矩的相互作用较小可以忽略不计，其屈服特征点只有两个，即梁端逆时针、顺时针的屈服弯矩My+和My-，如图4（a）所示；对于框架柱构件，由于在重力作用下会产生比较大的轴向压力，有必要考虑轴力和弯矩的相互作用以体现其实际的受力特点。

其屈服特征点参数为：轴力为零时正反方向的屈服弯矩My+和My-，轴心受拉与轴心受压的屈服拉力Pyt和屈服压力Pyc，大小偏压分界点A、B的弯矩Ma、Mb及轴力Na、Nb，如图4（b）所示。

框架柱通常采用对称配筋，因此其六个屈服特征点通常也是对称的。

对于两种屈服模式，其特征点参数的计算方法参考邹胜斌（2000）的研究成果。

2.2 结构数值分析模型
图5为部分结构设计图纸，可以看出主体承重结构平面和立面规则，故选择结构
短轴方向的一榀框架建立平面杆系分析模型。

结构计算简图如图6所示，所有框
架柱截面尺寸均为400mm×400mm，框架梁截面尺寸为250mm×500mm。

梁
柱构件采用C30混凝土，纵向钢筋采用HRB335。

结构梁柱的纵向配筋如图7所示。

计算结构质量时采用1.0×恒荷载＋0.5×活荷载的组合方式。

恒荷载取梁柱构件、楼板及填充墙的自重。

活荷载取值如下：客厅卧室1.5kN/m2，厨厕卫
2.0kN/m2，挑阳台2.5kN/m2，办公室2.0kN/m2，会议室2.0kN/m2。

动力分析前将重力荷载施加于框架节点及梁上。

根据结构设计图纸的实际配筋量确定各梁柱构件的屈服特征点参数，其中混凝土和钢筋的强度均取其平均值。

为了考虑现浇楼板对框架梁的刚度及抗弯承载力的影响，将框架梁以矩形截面计算的刚度乘以增大系数1.5，将其按照矩形截面计算的反向抗弯承载力提高20%（蒋永生等，1994；吴勇等，2002；管民生等，2005；王
振波等，2015）。

通过模态分析可得前三阶振型对应的周期分别为0.967s、0.31s和0.172s。

结构
模型的基本周期比实际结构按照经验公式计算的基本周期偏长0.6s左右。

研究表明，实际结构中的填充墙在一定程度上增加了框架体系的抗侧刚度，使得考虑填充墙作用的结构的基本周期比纯框架结构短30%—40%（钱稼茹等，2008；魏琏等，1991），将该结构模型的基本周期按照此规律予以折减后与实际结构的基本周期
大致相同。

另外第二周期及第三周期与基本周期之比T2/T1=0.314和
T3/T1=0.174与经验统计给出的参考值T2/T1=0.33和T3/T1=0.186基本一致，可见该结构计算模型比较合理。

2.3 地震动输入
结构非线性动力时程分析的地震动输入采用汶川地震主震时江油市的地震记录。

江油市有三个强震台，分别为江油含增地震台、江油重华地震台和江油地震局台。

地震动的加速度时程如图8所示。

图9给出了三个强震记录的水平向地震动加速度
反应谱与规范Ⅶ度大震加速度反应谱的对比。

从图中可以看出，不同台站记录的峰值加速度以及加速度反应谱形状等参数有较大的差异。

江油含增台和江油地震局台记录的峰值加速度较大，但反应谱形状比较瘦，峰值较大，短周期成分比较丰富；江油重华台记录的峰值加速度较小，但反应谱形状较胖，峰值较小，长周期成分相对更加丰富。

另外，含增台记录在短周期（小于0.3s）部分的谱值显著高于规范
Ⅶ度大震反应谱，在结构基本周期处的谱值与规范Ⅶ度大震接近，地震局台和重华台记录在在周期小于2s区段内的谱值显著高于规范反应谱，这也是造成结构破坏
的主要原因之一。

2.4 地震反应分析结果
采用三条记录的水平向地震波作为输入进行结构非线性地震反应时程分析。

在六条地震波作用下结构每层最大层间位移角的平均值如图10所示。

根据钟益村等（1984）和高小旺等（1993）的研究成果，可以判定结构从底层往上的破坏状态依次为：中等破坏、中等破坏、轻微破坏，轻微破坏、基本完好、基本完好，这与结构的实际破坏状态基本一致。

在每条地震波所用下，变形最大的楼层均为底层，越往上的楼层变形越小，表明结构底层为薄弱层，符合实际结构底层薄弱层的破坏机制。

图11给出了结构在不同地震波作用下的塑性铰分布情况，从图中可以看出，柱端出现了大量的塑性铰。

在非线性动力时程反应的过程中，底层柱的柱端首先出现塑性铰，紧接着底层的梁端出现塑性铰，随着输入地震动强度的增加，结构塑性铰呈现自下向上的发展趋势。

可见考虑现浇楼板及其配筋对梁刚度和抗弯承载力影响的分析模型较好地体现了实际结构在地震作用下的破坏形态。

由于输入的地震记录在峰值和频谱特性方面存在差异，塑性铰的数量和分布也各不相同。

为了研究结构破坏与地震动之间的关系，将各记录的部分地震动参数以及对应的结果反应列于表1，其中Sa（T=0.987s）是结构基本周期对应的加速度反应谱值，PGA为峰值加速度，Samax为加速度反应谱的峰值。

结构的顶点位移时程如图12所示。

由表1可知，结构的位移反应与峰值加速度及反应谱峰值的关系比较离散，而最大位移反应与其基本自振周期对应的加速度反应谱值密切相关，最大位移反应随着基本周期加速度反应谱值的增加而显著增加，表明对于该结构而言，基本周期对应的加速度反应谱值是控制结构最大位移反应的主要参数。

在基本周期加速度反应谱值很大的重华NS波的作用下，结构顶点侧移甚至达到了199.1mm，而最大层间位移角也达到0.0207，已经超过规范规定的1/50的塑性变形限值。

从结构的塑性铰分布图中可以看出，梁、柱端形成大量塑性铰，结构已进入弹塑性
阶段，而且出现较大的塑性变形，表现为图12（f）中明显的残余位移；而在加速度反应谱值相对较小的含增EW及含增NS波作用下，结构出现的塑性铰相对少得多，塑性变形不太明显，顶点位移也很小。

整体而言，随着基本周期加速度反应谱值的增加，结构塑性铰的数量也在增加，表现出越来越明显的塑性变形特征。

可见，实际结构的基本自振周期对结构在地震作用下的表现具有重要的影响，在结构设计及震害分析时应重视这一点。

在重华NS波的作用下结构的最大位移反应比其他地震波作用时要大得多，结构出现大量塑性铰而进入弹塑性阶段。

从图11（f）可以看出，底层柱几乎全部出现塑性铰，进而形成柱铰机构，这对于结构整体抗震性能的发挥和抗倒塌都是非常不利的。

图12（f）中的残余变形也很好的说明了这一点。

规范中也明确指出：框架结构的变形能力和其破坏机制密切相关（中国建筑科学研究院，2010）。

一般而言，框架结构典型的梁铰机构的塑性铰数量要远比某一层形成柱铰机构的塑性铰数量多，当地震波输入结构的侧向变形能相同时，梁铰机构发生的总体塑性变形就会比柱铰机构小，或者说在同样的输入能量下梁铰机构更不容易达到其塑性变形能力的极限。

因而梁铰机构往往比柱铰机构具备更大的塑性变形能力和耗能能力，输入相同地震能量时形成梁铰机构的结构破坏也相对较轻，倒塌可能性更小。

在设计中总是希望结构在地震作用下优先出现梁铰屈服机制，具体体现在“强柱弱梁”的抗震构造措施上，但实际震害表现出来的大多是“强梁弱柱”的破坏形态，如何充分实现框架结构梁铰屈服机制需要开展更深入的研究。

本文通过对汶川地震中某典型RC框架结构的震害分析及非线性地震反应分析，得到的主要结论及提出的建议有：
（1）填充墙的不合理设置会明显影响结构的整体抗震性能和破坏机制。

由于填充墙竖向布置不均匀，结构的抗侧刚度在楼层间发生突变，填充墙少的楼层可能成为软弱层和薄弱层，在水平地震作用下出现变形集中的现象，容易形成楼层屈服机制
而造成结构整体失稳垮塌，建议设计时尽量避免填充墙的不均匀布置。

（2）底层柱子的轴压比相对最大，导致楼层延性不足，塑性变形能力及耗能能力相对较差，使得变形量更容易达到其塑性变形极限而发生破坏，这可能也是底层柱子遭受破坏最为严重的原因之一，建议设计中严格控制框架结构底层柱的轴压比，以保证良好的延性。

（3）框架结构柱端出现塑性铰甚至破坏，而梁端很少出现塑性铰，表现出“强梁弱柱”的破坏机制，这与规范“强柱弱梁”的抗震设计目标不符。

现浇楼板及板筋的作用使框架梁刚度和抗弯承载力增强是造成这种破坏的主要原因。

建议在钢筋混凝土的抗震设计中，计算梁端抗弯承载力设计值时应考虑楼板配筋的影响，将按照矩形截面计算的设计值适当提高。

（4）考虑现浇楼板及其配筋对梁刚度和抗弯承载力影响的分析模型较好地体现了实际结构在地震作用下的破坏形态。

结构最大层间位移角及塑性铰的分布状态表明底层为明显的薄弱层，结构非线性地震反应分析的结果与实际震害基本一致。

（5）动力分析结果表明，结构基本周期对应的加速度反应谱值是影响最大位移反应的主要参数之一。

地震动加速度反应谱值在结构基本周期附近已超过设防Ⅶ度大震的水平，这是造成结构破坏的主要原因。

建议设计采用填充墙的钢筋混凝土框架结构时，应充分考虑填充墙对结构计算周期的影响，将理论基本周期予以折减，并使用折减后的基本周期计算地震作用。

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