汶川地震框架結構震害分析及減震技術的應用★

成琬玥 何 斌，2 納曼·麥麥提，2 柯 譜，2 徐 靜

(1.喀什大學土木工程學院，新疆 喀什 844008; 2.喀什大學建筑設計研究中心(所)，新疆 喀什 844008)

1 框架結構震害

校舍建筑由于需要大開間作為教室，經常使用框架結構作為承載體系。盡管具有一定的延性，“5·12”汶川地震中框架結構仍呈現出不同的震害形式。葉列平(2008)提出框架結構的主體震害一般較輕，主要破壞發生在圍護結構和填充墻；框架結構可以使用和加固后使用的比例占調查總數的86%；建議進一步完善結構的構造要求，同時提出框架結構強柱弱梁機制在實際地震中很難實現。孫治國(2010)對包括映秀鎮、漢旺鎮等幾個震中區域進行調研，指出存在大量的非延性(脆性)的剪切破壞、彎剪破壞，呈現出“強梁弱柱”“強構件弱節點”等現象，未完工框架結構項目也大量呈現出各種破壞。吳振波(2010)指出在統計的61棟框架結構中，倒塌和嚴重破壞的僅占9.8%；但是處于小震烈度區的框架也普遍出現填充墻的開裂現象。他同時也強調了“強柱弱梁”機制無法實現，提出采用設置次要剪力墻減少彈性階段結構位移。葉列平(2009)對汶川地震極震區同一個地點的建筑群震害進行統計，指出盡管框架結構根據《混凝土抗震設計規范》設計，但是由于填充墻等影響，其未倒塌建筑結構的實際抗震承載力儲備比較大；同時由于塑性變形能力的存在、提高整體結構冗余度等可以使得結構整體屈服機制得以實現。

因此，對于框架結構而言，如何充分利用框架延性較好特性，提高其耗能能力，是對既有框架結構加固改造的一種較好選擇。采用阻尼器加固框架結構，一方面可以通過阻尼器的耗能保證整體結構處于彈性階段、或者在可以接受的塑性變形階段；另一方面保證結構改造僅僅限于局部某些區域、施工周期短。

2 分析方法

1)框架在地震作用下，呈現出剪切型變形特性。采用阻尼器加固框架結構首先要確定加固的目標和加固設計方法，同時采用諸如簡化分析和通用有限元程序進行動力響應分析。翁大根(2012)認為可以將消能部件與主體結構分開設計，而采用附加消能部件產生的抗力作為影響未設阻尼器結構的運動方程的因素，采用預先估算結構減震所需的附加阻尼比和驗算實際附加阻尼比的方式。同時針對某5層規則框架引入JSSIM法進行估算期望附加阻尼力，同時對比了采用SAP2000時程分析的計算結果，提出小震下結構地震響應效果較差、而罕遇地震則能大大增加安全延性空間的結論。劉中偉(2016)采用等效阻尼比的方式考慮阻尼器提供的耗能效應，即一周內耗能等效的原則得到等效阻尼比，將框接結構的阻尼比由5%提高到7%；采用罕遇地震下基底剪力時程、頂點位移時程、頂點加速度時程和層間位移角以及樓層側移包絡等參數，考察減震前后結構的反應。

2)基于振動臺試驗的減震框架結構動力反應分析。通過擬靜力試驗可以獲得阻尼器本構模型，而通過振動臺試驗可以驗證數值分析結果以及發現實際問題。蘇豐陽(2014)介紹了設置某黏滯阻尼器斜撐的單榀兩層框架對照振動臺試驗，采用模擬小震和罕遇地震的天然波和人工波作為輸入，以頂層最大峰值響應、位移均方根響應和最大加速度作為控制性指標進行檢驗，提出設置黏滯阻尼器可以有效降低結構在地震中的反應。同時也提出直接相連的梁柱節點區域有額外負擔。李洪泉(1996)針對單榀剪切型三層框架進行設置軟剛阻尼器的對照縮尺振動臺試驗，采用El centro波輸入模擬小震、大震和大震后修復的框架結構動力反應；通過宏觀觀測和拾取位移反應時程曲線方式，提出對于震后有損結構采用阻尼器加固的方式有效改善地震作用下變形集中的現象。

3 工程實踐

劉中偉(2016)采用等效阻尼比的方式考慮阻尼器提供的耗能效應，即一周內耗能等效的原則得到等效阻尼比，將框架結構的阻尼比由5%提高到7%；采用罕遇地震下基底剪力時程、頂點位移時程、頂點加速度時程和層間位移角以及樓層側移包絡等參數，考察減震前后結構的反應。楊康(2016)采用黏滯流體阻尼器對江蘇鹽城某6層L形框架結構進行加固，采用逐步增加反應譜阻尼比至層間位移角剛好滿足《抗規》要求的方式獲得附加阻尼比。龔杰(2016)就廣州某單跨4層框架結構，采用對橫向框架設置附加非線性黏滯阻尼器的方式進行加固，采用Perform-3D以柱鋼筋的應變作為監測柱的性能狀態。計算結果表明有控制結構在罕遇地震作用下整體破壞遠小于無控制結構。

4 結語

汶川地震中，對于框架結構的震害調查表明按規范設計的主體結構震害屬于可控范圍，但是普遍存在填充墻發生破壞或倒塌的問題。阻尼器可以有效控制主體結構的位移和加速度等反應指標，同時由于其加固時涉及建筑范圍較小、施工方便，在今后的框架結構加固中有進一步推廣的可能。

[1] 清華大學土木工程結構專家組,西南交通大學土木工程結構專家組,北京交通大學土木工程結構專家組,等.汶川地震建筑震害分析[J].建筑結構學報,2008(4):1-9.

[2] 孫治國,王東升,李宏男,等.汶川地震鋼筋混凝土框架震害及震后修復建議[J].自然災害學報,2010(4):114-123.

[3] 吳振波,周獻祥,謝 偉,等.汶川地震建筑震害調查統計與抗震設計思考[J].建筑結構,2010(S2):144-148.

[4] 葉列平,陸新征,趙世春,等.框架結構抗地震倒塌能力的研究——汶川地震極震區幾個框架結構震害案例分析[J].建筑結構學報,2009(6):67-76.

[5] 翁大根,張 超,呂西林,等.附加黏滯阻尼器減震結構實用設計方法研究[J].振動與沖擊,2012(21):80-88.

[6] 劉中偉,薛 濤.高烈度區某框架結構減震分析研究[J].世界地震工程,2016(4):178-181.

[7] 蘇豐陽,閆維明,王維凝.新型間隙式黏滯阻尼器對鋼筋混凝土框架結構的減震效果試驗研究[J].地震工程與工程振動,2014(6):74-82.

[8] 李洪泉,歐進萍,王光遠.地震后有損傷鋼筋混凝土框架耗能減震加固試驗分析[J].南京建筑工程學院學報,1996(4):10-16.

[9] 劉中偉,薛 濤.高烈度區某框架結構減震分析研究[J].世界地震工程,2016(4):178-181.

[10] 楊 康,張志強,周 晨.某中學框架結構減震優化控制及抗震加固分析[J].建筑結構,2016(5):29-33.

[11] 龔 杰,黃永鑫.某單跨框架非線性阻尼器加固設計及彈塑性分析[J].工程建設與設計,2016(6):48-52.