翼緣框架柱框架結構抗震性能初探

張李勇 （合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

1 慨 述

2008年汶川地震，當地的中小學建筑震害十分嚴重，四川省有將近7000多座學校教育建筑坍塌，部分框架結構教學樓發生了整體倒塌，導致2萬多名學生傷亡[1]，社會各界為之震驚。地震發生后，學校建筑尤其是教學樓的倒塌原因受到了來自世界各地的建筑抗震專家的高度關注[2]。

由于對通風采光等方面有較高要求，汶川當地許多中小學教學樓采用單跨框架結構形式，外挑一定長度的外走廊。這種結構形式抗震防線單一，冗余度少，強烈地震作用下，柱子出現破壞，結構瞬間整體倒塌[3]。結構沒有出現期望的“強柱弱梁”破壞機制，許多框架梁甚至在結構倒塌后都完好無損，這其中主要有框架梁的鋼筋超配、現澆樓板影響和填充墻影響等。

汶川地震后，我國對中小學教學樓提高了設防類別并在《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010） 第6.1.5條規定：“甲、乙類建筑以及高度大于24m的丙類建筑，不應采用單跨框架結構；高度不大于24m的丙類建筑不宜采用單跨框架結構”。本文提出在普通純框架結構框架柱邊增設一定長度和寬度的剪力墻翼墻，剪力墻整體數量較少，形成一種翼緣框架柱框架結構，探討以此來改變框架結構在地震作用下的破壞機制。本文借助Midas/Building[4-5]有限元分析軟件，對翼緣框架柱框架結構大震作用下的破壞機制進行初步研究。

2 彈塑性分析

2.1 案例概況

如圖1所示為某5層框架結構中學教學樓，層高均為3.6m，抗震設防烈度為7度（0.10g），第一組，Ⅱ類場地。梁、柱截面尺寸如圖中標注所示，樓板厚120mm。梁、柱和樓板混凝土強度等級為C30，鋼筋采用HRB400級鋼筋。空心砌塊填充墻厚200mm。

本文對單跨純框架結構（模型1）和翼緣框架柱框架結構（模型2）進行罕遇地震作用下的靜力彈塑性分析分析。翼緣框架柱框架結構為在純框架結構的基礎上，在結構位移容易出現最大值的四角對稱設置L形翼緣框架柱，翼墻厚度300mm，長度為800mm。

不計板自重的樓面、屋面恒載為1.5kN/m2和4kN/m2；樓面活載為2.5kN/m2（教室）、3.5kN/m2（走廊），屋面活載為0.5kN/m2；內、外墻線荷載為6.5kN/m和7.5kN/m、混凝土欄板陽臺和女兒墻線荷載均為4kN/m。框架和剪力墻抗震等級均為二級，周期折減系數0.7。

2.2 靜力彈塑性分析

進行push-over分析，率先對結構施加重力荷載（1.0DL+0.5LL），模擬地震作用下結構的初始受力情況[6]。然后再對結構施加軟件自帶的振型荷載分布模式的側向荷載，由于結構Y向剛度相對較弱，側向荷載僅在結構Y向施加。采用位移控制的增量控制方法，在第一水準下自動調整步長，極限層間位移角為1/20，結構最大位移控制為1/50總高（360mm）。

2.2.1 性能點分析

該算例中，單跨純框架結構進行罕遇地震作用下靜力彈塑性分析時沒有出現結構性能點，結構沒有足夠的抗倒塌能力。程序以最接近控制位移時步驟為結束步驟，推覆結束時，結構的頂點位移為310.225mm，接近結構最大控制位移，最大層間位移角為1/46，大于1/50的規范規定限值。翼緣框架柱框架結構存在性能控制點，說明結構有足夠的抗倒塌能力。

Y向靜力彈塑性工況下，翼緣框架柱框架結構性能點處結構的最大層間位移出現在第3層，為12.134mm；最大層間位移角為1/296，小于《 建筑抗震設計規范》（ GB50011-2010）1/50 的規定限值，滿足彈塑性極限的要求。

從圖2結構位移-剪力能力曲線可以看出，翼緣框架柱框架結構的抗震承載能力比純框架結構有較大提升，結構能力曲線在下降后繼續上升，上升曲線斜率同前期上升曲線斜率接近，表明翼墻遭受地震作用后破壞，結構框架部分作為第二道防線繼續承擔地震作用，保障結構整體安全性。

2.2.2 塑性鉸發展情況

Midas/Building中，對于梁、柱等線性結構構件，采用鉸模型來表現其非線性特征；對于剪力墻構件，采用纖維模型來進行模擬。

從模型1塑性鉸發展情況（圖3）可以看出，純框架結構塑性鉸首先在梁端出現，隨著側向推覆力的增大，底層柱下端開始出現塑性鉸，側向推覆力繼續增大到推覆結束時，結構底層柱端塑性鉸發展情況（LS狀態）均比結構梁端（B或IO狀態）充分，大震作用下結構容易底層柱端率先破壞，發生整體倒塌。

從模型2塑性鉸發展情況(圖4、圖5)可以看出，翼緣框架柱框架結構框架部分塑性鉸首先在翼墻與框架梁交接處的梁端出現，隨著側向推覆力的增大，底層柱下端開始出現塑性鉸，側向推覆力繼續增大到推覆結束時，梁端大部分塑性鉸進入屈服階段（C、D狀態），梁端破壞，充分吸能耗能，此時底層柱端大部分塑性鉸還處于正常使用極限狀態（LS狀態）。結構翼墻部分較框架部分先出現塑性鉸，隨著推覆力的增加，其應變狀態不斷發展，到推覆結束時僅結構靠近懸挑端第二層底部翼墻進入第5應變狀態，其余大部分處于第1應變狀態。大震作用下翼墻作為第一道抗震防線未完全退出工作，退出工作部分的地震力轉嫁給結構框架柱繼續承擔，框架柱未出現屈服，實現了多道抗震防線的設置，有效保證結構的整體安全性。

3 結 論

本文對某教學樓的單跨純框架結構和翼緣框架柱框架結構模型進行靜力彈塑性分析，對比二者的抗震性能和破壞機制，可以得出以下結論：

①相比較純框架結構，翼緣框架柱框架結構由于翼墻的增設提高了結構的抗震承載能力；②翼緣框架柱框架結構改善了結構罕遇地震作用下的破壞機制，有利于結構“強柱弱梁”破壞機制的實現，增強了結構的延性；③翼緣框架柱框架結構在理論上實現了多道抗震防線的設計理念，罕遇地震作用下翼墻首先吸能耗能，能夠延緩結構主體框架部分塑性鉸的發展，減小破壞。

在單跨純框架結構抗震防線單一、抗倒塌能力不足的情況下，考慮在中小學教學樓建筑中采用翼緣框架柱框架結構，有其理論上的可行性。翼墻的合理布置數量和位置需要進一步研究。

[1]史慶軒，楊坤，王秋維，門進杰.汶川大地震村鎮中小學建筑的震害調查和分析[J].西安建筑科技大學學報，2008(5).

[2]馮遠,劉宜豐，肖克艱，等.來自汶川大地震親歷者的第一手資料——結構工程師的視界與思考［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

[3]白楊.帶懸挑外廊單跨框架結構抗震加固方法研究[D].武漢：華中科技大學，2013.

[4]Building Code Requirements for Structural Concrete(ACI318-05)And Commentary(ACI318R-05).ACICommittee318，2002.

[5]北京邁達斯技術有限公司.結構大師用戶手冊[M].北京:北京邁達斯技術有限公司，2009．

[6]北京金土木軟件技術有限公司.Pushover分析在建筑工程抗震設計中的應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.