鋼筋混凝土框架結構在三維特大地震作用下的倒塌分析

(1.廣州大學土木工程學院 廣東 廣州 510006，2.廣州市第一市政有限公司 廣東 廣州 510030)

引言

在地震下作用下房屋倒塌問題，一直是地震工程和結構工程的一個熱點問題。我國在汶川、玉樹地震中大量的建筑倒塌，造成人員的重大傷亡[1]。我國規范[2]提出了“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準設防目標，并采用兩階段設計方法。但是其中的結構的彈性設計與彈塑性抗倒塌驗算是兩個相對獨立的過程，并且第二階段的抗倒塌驗算一般只針對于少數重要建筑，大量的房屋建筑采用概念設計和抗震構造措施來保證結構的抗倒塌能力，結構的彈塑性階段的分析的不足，將會導致結構在“巨震”的抗倒塌能力不足。

一個國家或地區抗震設防水準，是社會財富投入能力與災害損失風險博弈的結果。由于歷史的原因，我國存在大量的低設防烈度建筑。在過去的汶川地震中，遠高于建筑設防烈度的地震動烈度是造成建筑倒塌的重要原因。混凝土框架結構由于其結構平面布置靈活，可形成較大的建筑空間，而廣泛應用于住宅、商戶、學校當中。歷次大震表明，混凝土框架結構震害嚴重。為此，本文以常見的6度設防的鋼筋混凝土框架為例，在ABAQUS/Explicit平臺上分析了6度設防鋼筋混凝土框架的抗倒塌能力。

一、工程概況

框架結構資料：結構底層高4.1m，其他層高3.7m，總高22.6m，一共6層。場地類別為1類，特征周期為：0.25s，設計地震分組為一組，根據《建筑結構荷載規范》[3]，荷載樓面恒荷載標準值6kN/m2，房間活荷載標準值2kN/m2，走廊活荷載標準值取3.5kN/m2，隔斷墻與維護墻荷載標準值取8kN/m2。平面布置如圖1所示。為代表性的內廊式平面布置，常見于學校和醫院[4]。按丙類結構設計，6度設防。采用盈建科軟件進行設計，配筋完成后，轉換為ABAQUS計算文件。

結構三維視圖見圖2，梁柱構件采用B31/B32纖維單元模擬，由于Explicit模塊不能采用“*Rebar”關鍵字考慮鋼筋作用。配筋梁柱構件的模擬采用組合單元法，通過“tie”關鍵字實現共節點模擬配筋梁柱構件。而墻板等構件則采用S4R/S3R分層殼單元模擬。

結構的前三階周期分別為2.08s，1.77s，1.74s。邊梁截面尺寸、中梁截面尺寸、1層-3層柱截面尺寸、4層-6層柱截面尺寸分別為200×400，200×300，400×400，400×400，四級框架，梁板柱混凝土等級為C30，梁柱縱筋種類為HRB400，樓板厚度100。

分析過程中，混凝土本構模型為文獻[5]中混凝土經驗塑性損傷模型，鋼筋本構為線性隨動硬化模型并考慮損傷。

圖1 標準層平面布置圖 圖2 三維結構視圖

輸入El Centro地震動，持續時間為53.46s，各向時程曲線和反應譜曲線見圖3。

(a)EW向加速度時程 (b)NS向加速度時程

(c)豎向加速度時程 (d)反應譜曲線

為了考察混凝土框架結構在不同特大震烈度下的抗倒塌能力，對El Centro地震動記錄進行調幅。調幅參照文獻[4]所建議特大地震的峰值加速度(PGA)水平進行。其中6度、7度、8度、9度設防烈度對應的特大地震峰值加速度水平分別為220，400，620，800(單位/gal)。

二、連續倒塌分析方法

三、分析結果

6度設防的鋼筋混凝土框架，其在6度、7度的特大地震烈度地震動作用下，沒有出現明顯的垮塌現象。而在8度、9度對應的地震烈度水準下，結構出現了垮塌。這表明按現行規范設計的混凝土框架結構具備抵御高于設防烈度1度的特大地震抗倒塌能力，而不具備抵御遠高于設防烈度特大地震的抗倒塌能力。

T=1.00s T=3.00s T=4.00s T=5.00s

(a)8度地震

T=1.00s T=3.00s T=3.40s T=4.24s

在8度、9度地震動作用下的框架結構的倒塌過程見圖4。圖中給出了混凝土塑性損傷本構中受壓損傷因子分布情況。從圖中可以得到以下結論：

(1)6度設防混凝土框架在8度、9度烈度地震動作用下的倒塌模式有一定的相似，表現為底部柱子端部先失效，同時結構整體出現了較大的側移，結構在重力荷載作用下產生豎向位移，最后倒塌。結構的倒塌模式表現為以側向增量倒塌為主、豎向連續倒塌為次的倒塌模式。

(2)從損傷的分布情況可知，框架柱的損傷要快于框架梁，這表明“強柱弱梁”機制沒有實現，這與一些歷史震害調查結果一致。

(3)倒塌過程迅速。El Centro地震動記錄的持續時間為53.46s，框架從出現倒塌前兆到完全倒塌，其持續時間分別為6.0s和4.24s。由此可見，從首個構件失效到結構完全倒塌持續時間短暫，倒塌過程迅速。