新舊抗震規(guī)范下不同延性框架結構倒塌性能的研究

李奉閣,楊曉健

內(nèi)蒙古科技大學建筑與土木工程學院,內(nèi)蒙古包頭014010

新舊抗震規(guī)范下不同延性框架結構倒塌性能的研究

李奉閣,楊曉健*

內(nèi)蒙古科技大學建筑與土木工程學院,內(nèi)蒙古包頭014010

建筑結構的抗震性能是抗震防災系統(tǒng)中首要的環(huán)節(jié)，其中抗倒塌能力是抗震性能的表現(xiàn)指標，所以抗倒塌能力的強弱對結構的穩(wěn)定性起到了決定性的作用。我國在2001版抗震規(guī)范的基礎上，于2010年修訂實施了新版抗震規(guī)范。該文采用目前較流行的彈塑性時程分析法，在基于SAP2000的彈塑性分析平臺上，分別按照新舊抗震規(guī)范設計不同延性的框架結構，分析各結構在不同設防烈度下的抗倒塌能力。

框架結構;抗震規(guī)范;抗倒塌性能

建筑結構的抗震性能是抗震防災系統(tǒng)中首要的環(huán)節(jié)，其中抗倒塌能力是抗震性能的表現(xiàn)指標，所以抗倒塌能力的強弱對結構的穩(wěn)定性起到了決定性的作用[1]。地震具有突發(fā)性極強和破壞性極大的特點，而真正給國家和人民造成財產(chǎn)及生命損失的是地震引起的房屋倒塌。我國地處地震多發(fā)地帶，由于國家各項技術仍處在發(fā)展階段，導致我國的抗震設計水平相對比較落后，設防水準低于歐美發(fā)達國家的平均水準。在2008年5月12日，我國四川汶川發(fā)生了8.0級的特大地震，這次地震給我們敲響了警鐘，汶川地震區(qū)的設防烈度基本為6～7°，而在地震極震區(qū)的實際強度最高達到了11°。因此建筑結構的抗震設計應該不只是滿足于該地區(qū)設防等級下的抗震要求，還需要具備抵抗可能會發(fā)生的大震及特大震下的抗倒塌能力。為了能夠直觀準確的看到新舊規(guī)范改變對結構抗倒塌能力的影響，所以深入研究地震抗倒塌定量設計方法和完善抗倒塌理論十分重要[2]。

本文以鋼筋混凝土框架結構為例，分別按照新舊抗震規(guī)范建立模型，再通過彈塑性時程分析來對比其差異，分析得出規(guī)范內(nèi)容改變對結構產(chǎn)生的影響，為工程設計人員的設計提供思路，為學者進一步的深入研究奠定基礎。

1 結構彈塑性時程分析理論與方法

1.1 結構彈塑性時程分析

彈塑性時程分析方法是把整個結構假設為一個彈塑性振動體系對其進行分析，直接將地震動記錄輸入結構中，通過積分運算，求出地震加速度在持續(xù)時間內(nèi)，結構內(nèi)力隨時間變化的情況，也稱為彈塑性直接動力法。

1.2 地震波的選取

采用彈塑性時程分析法進行建筑結構抗地震倒塌計算時，地震加速度時程應符合下列規(guī)定：

1.應選用不少于3組符合建筑場地類別和設計地震分組的地震加速度時程曲線，其中實際強震記錄的數(shù)量不應少于總數(shù)的2/3；

2.所選用的地震加速度時程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線與現(xiàn)行國家標準《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011規(guī)定的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符；

3.地震加速度時程曲線應為完整的地震動過程，其有效持時不應少于結構一階周期的5倍；

4.必要時應考慮近場效應或符合場地特征的最不利地震動記錄[3]；

根據(jù)以上4條規(guī)定，在SAP2000中選取了3條地震動記錄進行彈塑性時程分析。

圖1 規(guī)范譜與地震譜對比圖Fig.1 Contrast between standard spectrum and seismic spectrum

1.3 材料強度取值

根據(jù)《建筑結構抗倒塌設計規(guī)范》5.2.5條規(guī)定，在進行建筑結構抗倒塌計算時，混凝土軸心抗壓強度和軸心抗拉強度宜取標準值，鋼筋宜取其屈服強度強度的標準值。

1.4 結構倒塌判斷準則

目前，有三類判斷主流結構的抗倒塌準則，一是基于變形所建立的倒塌破壞判斷準則；二是基于最大位移和能量雙重標準所建立的倒塌破壞判斷準則；三是基于剛度所建立的倒塌破壞準則。這三類倒塌判斷準則對于結構非線性時程分析來說都有一定的缺陷。所以本文采用我國新實行的建筑結構抗倒塌設計規(guī)范（CECS 392:2014）第5.4.2作為鋼筋混凝土框架結構倒塌破壞的判斷準則[4]。

2 模型設計

分別按照新舊規(guī)范在各設防烈度下設計層數(shù)不同的鋼筋混凝土框架結構。場地類別為Ⅱ類場地，按第2設計地震分組、丙類建筑結構來設計。

結構平面圖如圖2所示，為具有代表性的內(nèi)廊式平面布置，學校、宿舍、醫(yī)院多為此類布置。恒荷載標準值取6 kN/m2，房間活荷載標準值取2 kN/m2，屋面恒荷載取7 kN/m2，活荷載取0.5 kN/m2。結構每層層高為3.3 m，梁柱混凝土等級為C30，梁柱縱筋配筋種類為HRB400，對中間一榀框架進行設計分析，按照我國現(xiàn)行的抗震設計規(guī)范進行設計，梁柱截面如表2所示，配筋分別由PKPM2005和PKPM2010軟件計算得出，圖3給出了按新舊規(guī)范設計的6層框架在設防烈度分別為6°、7°、8°和9°的配筋圖。新規(guī)范中對框架柱的最小配筋率有所提高，而且由于彎矩和剪力增大系數(shù)的變化以及鋼筋強度等因素的改變，致使新規(guī)范下設計的框架結構梁柱配筋量增大。

圖2 結構布置Fig.2 The layout of structures

圖3 新舊規(guī)范下6層框架結構配筋Fig.3 Reinforcements of frame structures with 6 layers under the new and old codes

本結構層高為3.3 m，6層結構總層高19.8 m（小于24 m），所以在6、7、8、9°區(qū)按照規(guī)范規(guī)定的抗震等級為四、三、二、一級設計。在6°和7°設防區(qū)，軸壓比為柱截面尺寸的主要控制因素，豎向荷載對結構穩(wěn)定性起控制作用，6°區(qū)的軸壓比限值從舊規(guī)范中規(guī)定的1.05降低到了0.90，7°區(qū)的軸壓比限值從0.9降低到了0.85，提高了結構的抗倒塌能力，對于6°區(qū)和7°區(qū)的柱端彎矩增大系數(shù)均提高了0.2，柱剪力增大系數(shù)均提高了0.1，即提高了柱截面配筋面積，提升了結構的抗震性能。

對于8°區(qū)和9°區(qū)的框架結構，層間位移角是柱截面尺寸的主要控制因素，水平地震作用對結構穩(wěn)定性起控制作用。新舊抗震設計規(guī)范對框架結構的彈性層間位移角限值均為1/550。抗震等級為二級的8°區(qū)和抗震等級為一級的9°區(qū)其柱端彎矩增大系數(shù)均提高了0.3，柱剪力增大系數(shù)提高了0.1，即提高了柱截面配筋面積，提升了結構的抗震性能。

表1 選取地震波Table 1 Selection for earthquake wave

表2 模型編號及截面尺寸Table 2 Pattern number and cross-section sizes

3 分析結果

先對6層框架結構進行靜力彈塑性分析，對新舊規(guī)范設計的框架結構抗震性能的變化進行簡單對比，分析結果如圖4所示。

圖4 荷載位移曲線Fig.4 The displacement curves of loads

通過圖中曲線對比發(fā)現(xiàn)，按新規(guī)范設計的結構在承載力和變形能力等方面還是有較明顯提升，在新規(guī)范中充分考慮了框架柱端的箍筋約束效應，對混凝土本構關系的影響如表3所示。

表3 箍筋效應影響Table 3 The influence of stirrup effect

在基于SAP2000的分析平臺上采用彈塑性時程分析來得到所設計各個模型的層位移和層間位移角，如表4至表11所示。

表4 新舊規(guī)范下在6°設防烈度區(qū)結構層間位移角Table4 Displacement angle between structure layers at 6°fortification intensity area under the new and old codes

表5 新舊規(guī)范下在6°設防烈度區(qū)結構層位移Table 5 Displacement between structure layers at 6°fortification intensity area under the new and old codes

表6 新舊規(guī)范下在7°設防烈度區(qū)結構層位移角Table 6 Displacement angle between structure layers at 6°fortification intensity area under the new and old codes

表7 新舊規(guī)范下在7°設防烈度區(qū)結構層位移Table 7 Displacement between structure layers at 7°fortification intensity area under the new and old codes

表8 新舊規(guī)范下在8°設防烈度區(qū)結構層位移角Table 8 Displacement angle between structure layers at 8°fortification intensity area under the new and old codes

表9 新舊規(guī)范下在8°設防烈度區(qū)結構層位移Table 9 Displacement between structure layers at 8°fortification intensity area under the new and old codes

表10 新舊規(guī)范下在9°設防烈度區(qū)結構層位移角Table 10 Displacement angle between structure layers at 9°fortification intensity area under the new and old codes

表11 新舊規(guī)范下在9°設防烈度區(qū)結構層位移Table 11 Displacement between structure layers at 9°fortification intensity area under the new and old codes

從上面表中可以看出，隨著設防烈度的提升，結構的層間位移角和層間位移為增大的趨勢，不同設防烈度的框架結構的層間位移角均沒有超出規(guī)范規(guī)定的彈塑性層間位移角1/50的限值，說明按照新舊規(guī)范設計的結構在遭遇罕遇地震時，抗震性能可以滿足要求。在不同地震波的作用下，6度和7度設防區(qū)的薄弱層大概在4層5層，8度設防區(qū)的薄弱層基本集中在4層，9度設防區(qū)的薄弱層在位于3層。對比新舊規(guī)范，按照新版抗震規(guī)范設計的結構在各設防烈度區(qū)的層位移和層間位移角都是比舊規(guī)范中有所減小。

圖5為用ELCENTRO波進行時程分析時塑性鉸的出鉸狀況，可以看出新規(guī)范設計的結構仍然是在柱端先出現(xiàn)塑性鉸，不能達到“強柱弱梁”的要求，雖然新規(guī)范降低了框架柱限值，提高了柱端彎矩增大系數(shù)和柱截面最小尺寸，但這些改動對實現(xiàn)“強柱弱梁”的目標效用并不明顯，由于設計過程中的一些因素也可能增大了梁端設計彎矩，易造成梁端截面鋼筋“超配”的現(xiàn)象，更加難以實現(xiàn)“強柱弱梁”的設計目標。

圖5 塑性鉸出鉸情況Fig.5 The situations of plastic hinges

4 結論

在基于SAP2000的彈塑性分析平臺上，分別按照《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2001）和《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）[5,6]對不同延性的RC框架結構在不同設防烈度下進行了彈塑性時程分析，通過對比新舊規(guī)范設計的結構遭遇罕遇地震時的層間位移角和層位移，分析了各RC框架模型的抗倒塌性能，分析結果表明：

（1）新規(guī)范設計的框架結構確實有效的提高了結構的抗倒塌能力，相比舊規(guī)范的提升在層位移變化上體現(xiàn)的較為明顯。按照現(xiàn)行規(guī)范設計的結構，在大震作用下，結構層間位移角沒有超過規(guī)范規(guī)定的限值，基本可以達到“大震不倒”的設防目標。

（2）隨著設防烈度的提高，框架結構的薄弱層是隨之降低的，在對高設防烈度區(qū)的結構進行抗震設計時，需要著重考慮低樓層的變形狀況。

（3）雖然新版抗震規(guī)范在提升框架柱承載力方面做了改變，但從塑性鉸發(fā)展狀況來看，這些改動對結構實現(xiàn)“強柱弱梁”的抗震要求并不顯著，要想達到“強柱弱梁”的構造要求，還有待進一步改善結構的設計。

[1]施煒,葉列平,陸新征,等.不同抗震設防RC框架結構抗倒塌能力研究[J].工程力學,2011,28(3):41-48

[2]葉列平,曲哲,陸新征,等.提高建筑結構抗地震倒塌能力的設計思想與方法[J].建筑結構學報,2008,29(4):42-50

[3]中國工程建設標準化協(xié)會.CECS392:2014建筑結構抗倒塌設計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2014

[4]葉飛.基于OpenSEES的RC框架結構抗地震倒塌性能分析[D].長沙:湖南大學,2011

[5]中國工程建設標準化協(xié)會.GB50011-2001建筑抗震設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001

[6]中國工程建設標準化協(xié)會.GB50011-2010建筑抗震設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010

Study on the Anti-collapse Performance of Different Ductile Frame Structures Under Old And New Seismic Codes

LI Feng-ge,YANG Xiao-jian*
School of Architecture and Civil Engineering/Inner Mongolia University,Baotou 014010,China

The seismic performance of structures is a key link in seismic disaster prevention system,the ability to resist collapse is a indicator of the seismic performance,so the ability to resist collapse plays a crucial role in the stability of the structure.Based on the 2001 version of the seismic code,our country revised and implemented the new seismic code in 2010. This article used the current more popular elastic-plastic time history analysis method to analyze the collapse resistant capacity of some structures under different fortification intensity according to the old and new earthquake resistant design codes based on SAP2000 the elastic-plastic analysis platform.

Frame structures;seismic code;anti-collapse performance

TU375

A

1000-2324(2016)06-0889-05

2016-04-11

2016-06-18

李奉閣(1971-),男,吉林人,副教授,研究方向抗震.E-mail:278301570@qq.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:278301570@qq.com