某大樓連梁剪切破壞震害的計算分析與思考

劉育博,楊富涌,魏明宇

(1.四川省建筑設計院,四川成都 610071;2.四川省建筑科學研究設計院,四川成都 610071)

1 工程震害綜述

彭州飯店位于成都彭州市區。設計完成于 1992年12月,主體于 1998年完工。主樓地下一層、地上十八層。結構形式為框架-抗震墻結構。設防烈度為 7度,依據《建筑抗震設計規范》GBJ 11-89進行抗震設計。結構平面布置及樓層層高情況詳圖 1和表1。

從樓層典型平面可以看出,該結構整體剛度大。在結構單體體量不大的情況下,中部的抗震墻閉合形成筒體,且數量較多。但抗震墻洞口連梁設置普遍較高,各層連梁高度均同表2列出的 LL1、LL2,且連梁跨高比極小(均小于 2.5)。

5·12地震震害表現為 LL1和 LL2的在首層至十三層出現不同程度的交叉斜裂縫。LL1發生嚴重剪切破壞,主要集中在二層 ～八層段:交叉斜裂縫自連梁支座兩端呈對角直線貫通。上部混凝土完全壓碎,形成很大的空洞。LL2由于跨高比相對較大,裂縫類型雖然屬于剪切型,但依然呈現出一些彎剪組合特征,其受損情況相對較輕。其余結構構件如框架柱、框架梁、剪力墻以及其它部位連梁均無裂縫出現,震后無破損情況。

2 SATWE程序計算與工程震害對比

由于該工程震害集中體現在兩個抗震墻筒體相連的連梁 LL1、LL2上,為使分析具有針對性,本文將工作的重點也集中于此。筆者采用中國建研院 PKPM軟件 SATWE(2006年10月版)對該工程首先進行原有設防烈度 7度下的多遇地震計算,檢驗其小震下的安全性能,而后根據國家地震局發布的《汶川 8.0級地震烈度分布圖》彭州市區的遭遇烈度(7度)進行補充計算。并將程序計算結果與震害進行對比。

2.1 7度多遇地震下的對比

7度下的多遇地震下,本文將程序計算結果與圖紙實際配筋做了對比,對于框架梁柱而言,二者基本吻合。但是針對抗震墻的連梁,尤其是連接左右兩個筒體的連梁 LL1、LL 2,計算和實配值存在較大差異。以下列出 LL1在 2、3、4層的實配值和程序計算值(表3)。

造成此差異的原因是多方面的:(1)當時計算程序 TBSA和目前選用的 SATWE程序單元模型不同。TBSA空間桿系模型針對連梁計算偏小。(2)遵循的《抗震設計規范》GBJ 11-89和GB 50011-2001在內力調整系數不同。從目前的設計眼光來看,跨高比如此小的連梁,其箍筋配置是存在安全隱患的。

2.2 遭遇烈度下的計算分析

在 7度遭遇烈度(即 7度設防烈度)下,為較真實地體現當時的地震作用,筆者采用中震不屈服方法驗算該結構的承載力。具體步驟是:將水平地震影響系數 αmax調至 7度中震值 0.23,把荷載分項系數改為 1.0,取消抗震承載力調整系數 γRE,同時材料強度取標準值。也就是說,降低結構的安全儲備,在相對真實的情況下采用振型分解反應譜法計算結構的地震反應。

計算結果表明,該結構超筋情況出現在LL1位置,自二層至十三層均為剪壓比超過上限,即 V>0.15fcbh0。LL2在二層和六層出現相同的情況。表4列出 LL1、LL2在二至六層的剪力值。

可以看出 LL1、LL2的計算結果和實際連梁破壞情況大體趨勢是一致的。LL1在地震中裂縫沿兩端支座對角直線貫穿。這正是剪壓比超限后發生斜壓破壞的典型特征;而LL2計算結果在 3、4、5層均未超過剪壓比上限,雖然與震害中的剪切破壞有一定差異,但與裂縫呈現出的些許彎剪組合特征也是基本相符的。同時施工質量差和預埋孔洞對連梁實際抗剪能力削弱也會對該連梁破壞模式產生一些影響。

3 關于連梁設計的一些思考

針對本工程特點,抗震墻作為第一道抗震防線吸收了絕大多數地震力,從而保護相連框架的安全性。但是連梁的破壞模式并不理想,作為連接左右筒體的主要水平構件,發生脆性剪切破壞的直接后果,是左右筒體轉變成獨立墻肢,分別承受相應的地震剪力。其抗側剛度大幅降低。如果遭遇烈度更大,則該建筑的抗震安全性能會經受嚴峻考驗。理想的連梁破壞機制,應是連梁受彎后屈服,在支座形成塑性鉸。既耗散地震能量,同時繼續約束兩側抗震墻的變形。直到地震力增大到某種程度使得其承受的彎矩超過塑性鉸轉動能力時,端部混凝土受壓區壓碎為止。這種破壞模式在抗震中發揮的作用遠優于前者。設計延性連梁,主要是控制合適的跨高比。就本工程,筆者針對LL1嘗試了兩種方式來增大連梁的跨高比:減小連梁高、減小連梁高度同時增大跨度(表5、表6)。

從表中不難看出,表5中雖然減小 LL1的高度,造成其承受地震剪力降低,但是自身抗剪能力減少得更多。而表6則通過增大跨度并減少高度相結合的方式最終解決了剪壓比超限的問題。分析原因,筆者認為協調連梁兩側抗震墻的剛度是解決連梁破壞模式的主要因素。就本工程而言,由于LL1兩側筒體剛度太大,僅僅通過減小梁高是無法傳遞墻體側移產生的巨大剪力的。只有適當削弱抗震墻剛度,同時連梁截面又不能取值過小,才能從中尋找到平衡。盡管這樣的結果會造成結構的自振周期有所加長,但將改變連梁的破壞模式極大改善結構的抗震性能。

目前,《建筑抗震設計規范》對于連梁的“強剪弱彎”措施,采取的是如下原則:

但這是在多遇地震下的實現的。通過本工程可以看出,如果在地震作用達到設防烈度或更大的情況,原先的延性破壞就可能轉變為脆性剪切破壞。因此,筆者認為,只有更大幅度地增大抗剪能力和抗彎能力比例,同時重視連梁的概念設計,才能有效改善連梁的延性。

4 結束語

本文運用中國建研院 PKPM的 SATWE程序對 5·12地震彭州飯店連梁剪切破壞工程進行下多遇地震計算以及實際遭遇烈度下中震不屈服計算,針對發生破壞的連梁,二者取得了大體一致性。由此提出,設計工作基于多遇地震下實現的“強剪弱彎”的連梁延性受力機制,并不能夠保證在中震以及大震下達到理想變形模式。并提出連梁的截面高度和跨度的選擇,不僅需要調節自身的跨高比,還需兼顧抗震墻體的整體剛度,注重連梁的概念設計,方能最大可能的實現理想的延性破壞模式。

[1]GB 50011-2001建筑抗震設計規范[S]

[2]GB J 11-89建筑抗震設計規范[S]

[3]包世華.新編高層建筑結構(第二版)[M].北京:中國水利水電出版社,2005

[4]周穎,呂西林.中震彈性設計與中震不屈服設計的理解與實施[J].結構工程師,2008(12)