低矮框剪结构的抗震能力评价

2014-06-06史义博

山西建筑 2014年16期

史义博

(中国中元国际工程有限公司，北京 100089)

框架结构具有空间大，布置灵活等特点，并且具有很好的抗震性能，因此，在现代洋房、商场等低矮建筑中备受推崇。但是，框架结构在大地震中表现并不是很理想，2008年汶川地震中，在强震区或极震区框架结构出现了大量的底层或底两层坐层破坏，造成了大量的人员伤亡;在1999年的中国台湾Chichi地震中，同样也出现了大量框架结构底层坐层破坏，并没有达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计原则［1，2］。而剪力墙结构具有很好的抗侧力能力，但是，由于其空间小，其目前主要运用在高层住宅中。框架剪力墙结构正是结合了两者的特点，既能够提供较大的空间，又能具有较大的抗侧力能力，能够很好的保护框架柱在大地震中不至于产生倒塌破坏。由于结合了两种优点，框架剪力墙结构一般不是很高。随着经济水平的提高，性能设计的成熟，低矮框架剪力墙结构也越来越受到人们的青睐。剪力墙、框架剪力墙等结构的抗震性能国内已经有大量的研究［3-7］。考虑到框剪结构的优越特性，合理布置剪力墙便成了重要的内容，有人考虑增加少量剪力墙结构来提高其抗震性能，同时能够提高抗倒塌能力［8］。本文主要以汶川地震中都江堰市区的几栋低矮框架、框剪为主要研究对象，对比分析其震害特征，结果表明，低矮框剪结构在大震条件下的震害明显轻于框架结构，且能够明显具有抗倒塌能力。最后，本文通过ABAQUS有限元软件对其中一栋框剪结构进行大震下的数值模拟，结果表明，剪力墙承担了大部分的地震剪力，有效地保护了框架柱。

1 震害对比

2008年5月12日下午2时28分，我国四川省发生了8.0级大地震，震中烈度高达11度。

图1 都江堰一框架结构填充墙完全塌落

图2 都江堰一框架结构窗间墙破坏

这次地震造成了大量的人员伤亡和经济损失。以都江堰为例，都江堰地区位于9度区，地震中有大量的框架结构发生了底层或底两层坐层倒塌，或发生严重的破坏，而与之相隔不远的框架剪力墙结构却仅发生中等左右的破坏，如图1～图4所示。从图1可以看到，在都江堰地区一框架结构破坏相当严重，填充墙已经完全倒塌，只留下残墙。图2是框架结构窗间墙破坏，其墙已经完全变形酥碎。图3和图4为离框架结构不远处的一8层框剪结构。部分剪力墙也出现了剪切破坏，但是填充墙基本上破坏较少，造成的伤亡较少，大楼内仪器损坏较少。从震害对比就能看出，在极震区，框剪结构的抗震性能要远好于框架结构，其造成伤亡要明显少于框架结构。

图3 与图2框架相距不远的框剪结构

图4 图3中剪力墙结构的窗户拐角处破坏

图5 框架剪力墙结构平面简图

图6 框架剪力墙结构立面简图

2 ABAQUS有限元建模

为了分析低矮框架剪力墙结构的大震抗震性能，本文以都江堰一个8层框剪结构为分析对象，进行ABAQUS有限元建模时程分析。结构的基本信息如图5，图6所示。

模型采用实体单元模拟柱和梁，采用壳单元模拟剪力墙、楼板和填充墙，采用面单元模拟梁和柱内的钢筋，而采用rebar layer布置剪力墙和楼板内的钢筋。梁、柱、剪力墙、楼板等构件使用C35混凝土材料，其拉压全应力应变曲线如图7所示。填充墙采用粘土砖标号为MU10、砂浆标号为M5的砌体材料，其本构曲线如图8所示［9］。钢筋采用线弹性本构。在ABAQUS中，混凝土、砌体等材料采用混凝土损伤塑性模型模拟。模型图如图9所示。前三阶模态如图10～图12所示。

图7 混凝土材料其拉压全应力应变曲线

图8 填充墙的砌体材料本构曲线

图9 有限元模型图

图10 第一阶模态——横向平动

图11 第二阶模态——纵向平动

图12 第三阶模态——扭转

3 抗震能力分析

对模型采用最大加速度峰值为0.4g的卧龙波考虑双向地震动输入进行时程分析。所输入卧龙波按照抗规2010相应规定截取14 s。卧龙波的时程曲线及其反应谱结果如图13，图14所示。

拉损伤云图与压损伤云图如图15，图16所示。从图15可以看到，结构在圆形拐角处，由于刚度突变较大，损伤也较大，与实际震害比较可知，实际震害在拐角处也发生较多破坏，窗户处的刚度突变使应力集中到剪力墙处，使剪力墙发生破坏，混凝土剥落，钢筋露出。层间位移角如图17所示。从图17可以看到，由于X向比较规则，层间位移角变化比较规则，而Y向由于剪力墙布置不够均匀，层间位移角发生了重分布，在第二层和第五层发生了相对较大的变化，实际震害发现，第二层拐角处震害最为严重，但都没有发生填充墙倒塌的情况。从图17可以看到，结构最大的位移角小于1/200满足规范要求的1/120的要求。