框架結構破壞機制研究分析

郭恩平 陳稚文

(1.湖南科技學院，湖南 永州 425199;2.永州市建設工程質量安全監督站，湖南 永州 425000)

0 引言

框架結構在歷次震害中表現為強梁弱柱的破壞機制，現有的改進框架性能的意見都是從構件的層次采取措施［1］。在水平地震作用下多層框架結構表現出來的是以梁柱彎曲變形為主的剪切型，即柱鉸機制。從結構體系層次去分析原因在于整體結構體系，可以考慮在框架結構中設置一定數量的剪力墻從而改變其破壞現狀。本文在已有研究的基礎上，對其中剪力墻的布置方式及數量進行了進一步研究。

1 關于少剪力墻框架的規定

框—剪結構側移為彎剪型曲線。因此可以考慮在多層框架結構中布置適當的剪力墻，改變其結構體系。GB 50011-2010抗震規范［2］第6.1.3條提出此類結構體系的規定，但只是為了使框架結構滿足側移限制的要求，本文中在框架結構中添加少量墻肢是為從整體變形角度改變框架結構破壞現狀。

2 少量墻肢布置及合理數量研究

2.1 框架結構算例

某市某百貨商場營業廳，其總結構平面如圖1所示，結構三維圖如圖2所示。按照GB 50011-2010抗震規范，用PKPM設計計算構件配筋。通過Pushover分析，該框架結構在大震作用下不能實現強柱弱梁。在框架結構中添加少量剪力墻從而改變其破壞機制。

圖1 結構平面布置圖（一）

圖2 結構三維圖（一）

2.2 剪力墻布置方式的確定

剪力墻的布置方式根據抗震規范要求宜均勻、對稱。關于剪力墻的厚度遵照《抗震規范》第6.4.1條和第6.5.1條，以下各類模型中對墻肢厚度統一為250 mm。通過Pushover分析對比各方案塑性鉸的發展過程，本設計算例剪力墻布置采用圖3，圖4的方式。

2.3 剪力墻數量的確定

引入剪力墻結構剛度特征值系數λ［3］來確定剪力墻的最小合理數量。通過多次分析列出典型方案如表1所示。

圖3 結構平面布置圖（二）

圖4 結構三維圖（二）

表1 少剪力墻框架結構布置方案

3 Pushover分析結果與討論

3.1 各方案靜力非線性分析結果

本文采用SAP2000對該結構進行Pushover分析，在結構橫向施加水平地震作用，其中剪力墻分層殼單元模擬［4］，塑性鉸為自定義鉸屬性。選取Y向③軸分析結果。

方案1結果。

圖5 方案1 Pushover塑性鉸發展過程

由圖5可知通過能力譜與需求譜曲線結果分析該結構不滿足大震不倒的要求。此方案墻肢截面偏小，以下不予討論。

方案2結果。

由圖6可知該方案滿足抗震三水準要求，且相對方案1結構在各級地震作用下進入塑性的程度較輕。塑性鉸首先出現在梁端，隨之墻肢底部進入塑性，底層柱屈服進入塑性，最終結構破壞，且此時梁鉸均剛進入屈服階段，底層柱鉸處于可立即使用階段，上部部分柱鉸處于屈服階段。可知此種剪力墻布置改變了框架結構破壞機制。

圖6 方案2 Pushover塑性鉸發展過程

方案3結果。

圖7 方案3 Pushover塑性鉸發展過程

由圖7可知該方案滿足抗震三水準要求。方案3與方案2結構的塑性鉸的發展過程相似，由于墻肢截面的增大，結構的剛度特征值系數也會增大，墻肢破壞時，框架梁進入塑性階段的數量與方案2相比較少，且框架底層無柱鉸出現。此方案改變了框架破壞機制。

3.2 側移分析

由圖8可知方案2，3結構的層位移依次減小。布置的少量剪力墻發揮作用使得結構側移曲線向彎剪型發展。方案2各級最大層間位移角滿足規范的要求，小震下為1/1 048、中震下1/483、大震下1/227。方案3各級最大層間位移角同樣滿足規范要求，小震下為1/1 208、中震下1/554、大震下1/236，滿足規范層間位移角的要求。方案2，3布置了少量剪力墻，減小了結構層間位移角，重要的是使得整體結構的剛度和強度分布趨于均勻，側移曲線趨于均勻，避免薄弱層的出現，從而實現了“強柱弱梁”的延性破壞機制。

3.3 討論

方案1剪力墻剛度不足，結構不能抵抗罕遇烈度下的地震作用;方案2少剪力墻框架結構在大震作用下墻肢作為第一道抗震防線首先破壞，并且結構最終破壞時實現了強柱弱梁的破壞機制，此時結構的剛度特征值系數為9.4;方案3少剪力墻框架結構與方案2的破壞過程相似，但是此時結構的剛度特征值系數為6.5，已經接近框架—剪力墻的結構體系。本文的研究目的是框架結構通過添加最小數量的剪力墻來實現強柱弱梁的破壞機制，針對本設計算例，少剪力墻框架結構的剛度特征值系數為9.4時最為合理。

圖8 結構層位移和層間位移角曲線

4 結論與存在的問題

4.1 結論

1)框架結構中添加少量的剪力墻可以徹底地改變結構的破壞機制。

2)本文通過框架設計算例確定的少剪力墻框架結構的剛度特征值系數最小值為9.4。

4.2 存在的問題

1)規范沒少剪力墻結構明確規定。

2)本文只是針對某一設計算例分析少量剪力墻的合理數量，具有局限性，需大量實驗研究。

3)對于少剪力墻具體計算和構造沒有明確規定。

［1］張 忠，董 昆，彭 勃.從實際震害重新認識“強柱弱梁”［J］.建筑結構學報，2007，40(7)：70-73.

［2］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.

［3］方鄂華，錢稼茹，葉列平.高層建筑結構設計［M］.第2版.北京：中國建筑工業出版社，2003.

［4］耿小龍，耿 偉.談現代高層建筑的結構設計［J］.山西建筑，2013，39(32)：23-24.

［5］門 俊，陸新征，宋二祥，等.分層殼模型在剪力墻結構計算中的應用［J］.防護工程，2006，28(3)：9-13.