引言

2008年5月12日,四川省汶川县发生了里氏8.0级地震,造成了大量的工程结构震害,给人民的生命和财产带来了巨大的损失。位于震中映秀镇的漩口中学教学综合楼是按照《建筑抗震设计规范(GB50011-2001)》(中华人民共和国国家标准,2001)进行设计的,而按7度进行抗震设防的钢筋混凝土框架结构在此次地震中完全倒毁,其工程震害非常典型。为此,本文将考虑钢筋混凝土与砌体的材料非线性性质,建立框架填充墙结构的非线性分析模型,对漩口中学的教学综合楼进行非线性有限元时程分析,并将计算结果与现场震害进行对比分析,讨论结构在不同的地震烈度下的抗震性能。

1 震害简介

漩口中学教学综合楼建于2005年,建筑面积3618.3㎡,主体5层,平屋顶。设防烈度7度,属于正规施工。混凝土标号:柱C30;梁C30;板C30。钢筋:I级钢筋HPB235;II级钢筋HRB335。填充墙体采用MU10空心砌块,M5砂浆砌筑,底柱尺寸400mm×400mm,各层墙身厚度均为200mm,屋面与楼板均采用现浇。底层层高4.0m,其余各层层高3.6m,基础形式为独立柱基,基础深度为3m。

该建筑由两部分组成,中间设有抗震缝,而且是两榀框架,主要用于教室,开间较大。该结构标准层建筑的平面如图3所示,7—18轴部分完全倒毁,1—6轴部分向右倾斜,严重变形,底层坐层(图1和图2)。其中,2层少数柱顶混凝土剥落,钢筋外露;2层填充墙局部倒塌;多数窗肚墙出现贯穿性通透斜裂缝;外墙装饰层大量掉落。该建筑已经属于毁坏(孙柏涛等,2008)。

图 1 漩口中学综合楼(整体) Fig. 1The complex building of Yingxiu secondary school (global)
图 2 漩口中学综合楼(局部) Fig. 2The complex building of the Yingxiu secondary school (local)

图 3 漩口中学办公楼平面简图 Fig. 3The plane sketch of the complex building of Yingxiu secondary school
2 有限元模型建立

本文利用ANSYS软件建立了空间有限元模型(图4),梁和柱全部采用三维梁单元beam188,填充墙采用杆单元link10,楼板采用板壳单元shell63。本结构有限元模型共计9854个节点,单元类型与数量见表1。

表1 计算模型单元分类 Table 1 Classifications of unit in finite element model
2.1 钢筋混凝土单元的考虑

在结构非线性动力分析中,需要对恢复力特性进行简化,本文采用四线性模型(张培新,2003),如图5所示。四线性骨架曲线由开裂、屈服、极限3个点构成,同时考虑了混凝土构件的刚度退化性质,能较好地反映钢筋混凝土构建在承受周期性往复荷载作用下的力学特性。

图 4 有限元模型 Fig. 4Finite element model

图 5 关系曲线 Fig. 5curve
2.2 填充墙材料的处理

本文将填充墙处理为1根与墙同厚度,相当宽度(1/10—1/7填充墙对角线长度)的斜撑杆,并铰接于框架平面(赵欣,2005;Polyakov,1956;Holmes,1961;Smith,1966;Stafford-Smith等,1969),如图6所示。该斜撑杆只承受压力,不承受拉力。

2.3 楼板的处理

假定楼板在自身的平面内呈绝对刚性,而在自身平面外的刚度则很小,可忽略不计(魏琏,1990)。该假定定义的每个层间所有竖向构件的水平位移是通过楼板的水平刚体运动来传递的,从而简化了分析中需要确定的大量未知位移量。

3 地震波

本文采用卧龙(31.04N,103.18E)台站的强震记录(图7)参数进行时程分析,并在南北、东西、竖向3个方向同时输入。

图 6 填充墙有限元模型 Fig. 6Infill wall in finite element model

图 7 卧龙台站强震记录 Fig. 7Strong motion recond from Wolong seismic station
4 结果分析

采用层间位移角作为衡量框架填充墙结构倒塌的标准(中华人民共和国国家标准,2001),其层间位移角的计算公式为:


式中,

(1)从图8中可以看出,综合楼1—6轴线部分在32.310s时,底层的层间位移角达到0.020587,最大可达到0.0210024,超过了钢筋混凝土框架结构的弹塑性层间位移角限制(1/50)(中华人民共和国国家标准,2001),即在地震开始后的32.310s,综合楼1—6轴线部分底层倒塌,这与图2的震害现象相符。

(2)从图9可以看出,综合楼7—18轴线部分在32.310s时,底层的层间位移角达到0.0201153,最大可达到0.04398,超过了钢筋混凝土框架结构的弹塑性层间位移角限制,导致底层倒塌;从图10中可以看出,在33.010s时,2层的层间位移角达到-0.203989,最大值为0.04004,导致2层倒塌;从图11中可以看出,在33.240s时,3层的层间位移角达到0.0200684,最大值为0.03033,导致3层倒塌;从图12中可以看出,在33.280s时,4层的层间位移角达到0.0202572,最大值为0.02355,导致4层倒塌。上述结果与图1的震害现象相符。

图 8 综合楼1—6轴底层层间位移角 Fig. 8Drift angle of the 1st story of complex building (1-6 axis)

图 9 综合楼7—18轴底层层间位移角 Fig. 9Drift angle of the 1st story of complex building (7-18axis)

图 10 综合楼7—18轴2层层间位移角 Fig. 10Drift angle of the 2nd story of complex building (7-18axis)

图 11 综合楼7—18轴3层层间位移角 Fig. 11Drift angle of the 3rd story of complex building (7-18axis)

(3)不同烈度对层间位移角的影响。从图13可以看出,随着地震烈度从11度到6度逐渐降低,综合楼各层的最大层间位移角逐渐减少,其中底层的最大层间位移角从0.04398下降到0.001736;2层的最大层间位移角从0.04004下降到0.001519;3层的最大层间位移角从0.03033下降到0.001449;4层的最大层间位移角由0.02355下降到0.001279;5层的最大层间位移角由0.01158下降到0.00057;顶层的最大层间位移角由0.01368下降到0.000877。在9度时,综合楼各层的最大层间位移角均未超过钢筋混凝土框架结构的弹塑性层间位移角限制(1/50);在6度时,综合楼各层的最大层间位移角均未超过钢筋混凝土框架结构的弹性层间位移角限制(1/550)。通过以上分析可见,严格按照《建筑抗震设计规范(GB 50011—2001)》(中华人民共和国国家标准,2001)进行设计,设防烈度为7度的建筑,可以抵抗超过其设防烈度2度的罕遇地震作用,其抗震变形性能是满足要求的。

图 12 综合楼7—18轴4层层间位移角 Fig. 12Drift angle of the 4th story of complex building (7-18axis)

图 13 烈度对综合楼各层最大层间位移角的影响 Fig. 13The effect of intensity to the maximal story angle of complex building
5 结论

本文对钢筋混凝土框架填充墙结构遭受罕遇地震作用时的破坏机理进行了分析。首先,以钢筋混凝土框架结构的弹塑性层间位移角限制值为衡量标准,分析了漩口中学综合教学楼的破坏机理;严格按照《建筑抗震设计规范(GB50011-2001)》进行设计的钢筋混凝土框架结构,在遭受低于或者等于其抗震设防烈度的地震作用时,结构是安全的,满足“小震不坏”和“中震可修”的要求;在遭受高于其抗震设防烈度2度的地震作用时,结构没有倒塌,满足“大震不倒”的要求;在遭受高于其抗震设防烈度4度的地震作用时,结构倒塌。因此,如何合理地提高结构抵抗罕遇地震作用时的抗震性能,是工程抗震的一个重要研究目标。

参考文献
[1]孙柏涛,闫培雷,胡春峰,张明宇,2008.汶川8.0级大地震极重灾区映秀镇不同建筑结构震害概述及原因分析. 地震工程与工程振动, 28(5):1—9.[本文引用:1次]
[2]魏琏,1990.高层及多层钢筋混凝土建筑抗震设计手册. 北京:地震出版社 [本文引用:1次]
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