底層框架—抗震墻磚房抗震性能研究

王世敏 高小旺 蘇經(jīng)宇

0 引言

地震災(zāi)害是世界上發(fā)生最多的自然災(zāi)害之一，它對(duì)人類社會(huì)的危害非常嚴(yán)重。2008年5月12日，在我國(guó)四川省汶川縣，發(fā)生了里氏8.0級(jí)，震中烈度為11度的大地震，多個(gè)省市受災(zāi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的損失很大，占到了總損失的7成[1]。通過對(duì)底部框架—抗震墻房屋震害的調(diào)查，給我們的印象是這類房屋經(jīng)過合理的抗震設(shè)計(jì)具有較好的抗震性能。這主要是這類房屋的底部一層為鋼筋混凝土框架和一定數(shù)量的鋼筋混凝土抗震墻體系，這種框架—抗震墻體系具有較好的承載能力和變形、耗能能力。底部框架—抗震墻房屋震害可分為三種情況:1)底層墻體、框架柱破壞嚴(yán)重;2)由于底部抗震墻數(shù)量較多造成上部磚房破壞嚴(yán)重;3)底部與上部破壞都不嚴(yán)重，即較為均勻的結(jié)構(gòu)。

本文通過結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析，研究底層設(shè)置不同數(shù)量抗震墻對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱樓層位置和整體結(jié)構(gòu)抗震能力的影響。

1 底部一層框架—抗震墻磚房工程概況

本工程位于都江堰地震災(zāi)區(qū)，在遭受汶川地震后，結(jié)構(gòu)二層發(fā)生了中等破壞，其余幾層均無明顯破壞。結(jié)構(gòu)為底部一層框架其上四層磚混，外加坡屋頂，底層層高3.9 m，其余四層層高3 m。抗震設(shè)防烈度為7度第一組二類場(chǎng)地，房屋抗震重要性類別為丙類，抗震等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)安全等級(jí)為二級(jí)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為丙級(jí)。底框部分梁、柱、板混凝土為C30，其余部分為C20。底框部分梁、柱、板主筋保護(hù)層厚度分別為:25 mm，30 mm，15 mm，其余部分梁、柱、板主筋保護(hù)層厚度分別為:20 mm，30 mm，20 mm。底層隔墻采用240厚頁巖非承重空心磚M5混合砂漿砌筑，二、三層采用MU10承重頁巖空心磚M10混合砂漿砌筑，四層采用MU10承重頁巖空心磚M7.5混合砂漿砌筑，五層及以上部分采用MU10承重頁巖空心磚M5混合砂漿砌筑。

2 結(jié)構(gòu)的靜力非線性分析

2.1 建模時(shí)的簡(jiǎn)化處理

分析時(shí)不考慮基礎(chǔ)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響，因此分析時(shí)認(rèn)為底部框架墻柱與基礎(chǔ)完全剛接。建模時(shí)考慮分網(wǎng)后節(jié)點(diǎn)的耦合問題、計(jì)算耗時(shí)因素，對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)做如下簡(jiǎn)化:1)由于結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，選兩單元中的一個(gè)單元建模;2)樓房的陽臺(tái)、外挑檐以及懸挑梁均未建模;3)坡屋面層簡(jiǎn)化為一個(gè)與五層相同的標(biāo)準(zhǔn)層;4)所有的樓梯間只留出樓梯間洞口，未對(duì)樓梯建模。結(jié)構(gòu)的有限元模型見圖1。

2.2 加載模式

模型采用倒三角加載模式，力加在每層樓的樓板部位，對(duì)結(jié)構(gòu)施加足夠大的力，直到把結(jié)構(gòu)推垮為止。根據(jù)數(shù)據(jù)最后收斂步來推算結(jié)構(gòu)所受最大剪力以及每一步加載力的大小。

其中，Pi，wi，hi分別為第i層的荷載、重力代表值和距地面高度;Vb為總荷載;參數(shù)k的取值與結(jié)構(gòu)基本周期T有關(guān)，即:

本結(jié)構(gòu)模態(tài)分析得到結(jié)構(gòu)基本周期為0.294 4 s＜0.5 s，因此k值取1。

2.3 結(jié)構(gòu)的橫向分析

本文對(duì)結(jié)構(gòu)橫向作了如下分析:1)原結(jié)構(gòu)的橫向分析;2)原結(jié)構(gòu)去掉底層橫向兩邊跨跨中的兩片抗震墻的橫向分析;3)原結(jié)構(gòu)去掉底層橫向兩邊跨跨邊的四片抗震墻的橫向分析;4)原結(jié)構(gòu)去掉底層所有抗震墻的橫向分析。

2.3.1 原結(jié)構(gòu)的橫向分析

結(jié)構(gòu)頂部控制點(diǎn)位移與底部剪力在不同加載階段的荷載—位移關(guān)系曲線如圖2所示。

在整個(gè)加載過程中，結(jié)構(gòu)主要受水平方向的剪力作用，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形也是以剪切變形為主，彎曲變形為輔。二層的破壞最嚴(yán)重，一層、三層的次之，四層發(fā)生輕微破壞，五、六層基本沒有破壞。因此，薄弱層為二層，二層的薄弱部位是門窗洞口處的墻體。當(dāng)結(jié)構(gòu)加載到4 337 kN時(shí)，二層部分構(gòu)件完全屈服，失去承載能力，結(jié)構(gòu)垮塌，頂層控制點(diǎn)的位移為0.080 7 m。

2.3.2 原結(jié)構(gòu)去掉底層橫向邊跨跨中的抗震墻的橫向分析

結(jié)構(gòu)頂部控制點(diǎn)位移與底部剪力在不同加載階段的荷載—位移關(guān)系曲線如圖3所示。

結(jié)構(gòu)臨近垮塌時(shí)，底層柱、抗震墻開裂，但沒有屈服構(gòu)件;二層的裂縫已經(jīng)發(fā)展充分，部分構(gòu)件已經(jīng)屈服;三、四層裂縫相對(duì)較少也沒有構(gòu)件屈服;五、六層以上很少有裂縫出現(xiàn)。薄弱層仍為二層，當(dāng)結(jié)構(gòu)加載到4 992 kN時(shí)，二層部分構(gòu)件完全屈服，失去承載能力，結(jié)構(gòu)垮塌，頂層控制點(diǎn)的位移為0.138 m。

2.3.3 原結(jié)構(gòu)去掉底層橫向兩邊跨跨邊的抗震墻的橫向分析

結(jié)構(gòu)頂部控制點(diǎn)位移與底部剪力在不同加載階段的荷載—位移關(guān)系曲線如圖4所示。

結(jié)構(gòu)臨近垮塌時(shí)底層柱、抗震墻裂縫發(fā)展充分，但沒有屈服構(gòu)件;二層的裂縫已經(jīng)發(fā)展充分，部分構(gòu)件已經(jīng)屈服;三、四層裂縫相對(duì)較少也沒有構(gòu)件屈服;五、六層以上很少有裂縫出現(xiàn)。薄弱層仍為二層，當(dāng)結(jié)構(gòu)加載到5 056 kN時(shí)，二層部分構(gòu)件完全屈服，失去承載能力，結(jié)構(gòu)垮塌，頂層控制點(diǎn)的位移為0.143 m。

2.3.4 原結(jié)構(gòu)去掉底層所有抗震墻分析

結(jié)構(gòu)頂部控制點(diǎn)位移與底部剪力在不同加載階段的荷載—位移關(guān)系曲線如圖5所示。

結(jié)構(gòu)臨近垮塌時(shí)底層所有柱裂縫發(fā)展充分，部分構(gòu)件已經(jīng)屈服;二、三層的裂縫已經(jīng)發(fā)展比較充分，但沒有出現(xiàn)屈服構(gòu)件;四層裂縫相對(duì)較少也沒有構(gòu)件屈服;五、六層以上很少有裂縫出現(xiàn)。薄弱層為底層，當(dāng)結(jié)構(gòu)加載到4 190 kN時(shí)，底層部分柱完全屈服，失去承載能力，結(jié)構(gòu)垮塌，頂層控制點(diǎn)的位移為0.146 m。

2.3.5 結(jié)構(gòu)臨近垮塌時(shí)底層層間位移

表1 結(jié)構(gòu)臨近垮塌時(shí)底層層間位移

從表1可以看出，當(dāng)原結(jié)構(gòu)去掉底層橫向邊跨跨中和跨邊的抗震墻后，結(jié)構(gòu)臨近垮塌時(shí)底層層間位移相對(duì)原結(jié)構(gòu)有明顯的增加，為原結(jié)構(gòu)位移的2倍多，但結(jié)構(gòu)的薄弱層沒有發(fā)生變化，仍然是第二層;當(dāng)原結(jié)構(gòu)去掉底層所有抗震墻時(shí)，結(jié)構(gòu)臨近垮塌時(shí)底層位移幾乎為原結(jié)構(gòu)的7.5倍，并且此時(shí)結(jié)構(gòu)的薄弱層發(fā)生了變化，底層最終垮掉。

3 結(jié)語

通過作橫向?qū)Ρ确治隹梢钥闯鲈Y(jié)構(gòu)由于底部抗震墻設(shè)置較多，其薄弱樓層在第二層，由于第二層相對(duì)很弱，裂縫只有在第二層發(fā)展，所以結(jié)構(gòu)整體抗震能力相對(duì)較差;去掉底部部分抗震墻后，雖然整個(gè)樓的薄弱層仍為第二層，但相對(duì)薄弱的程度已經(jīng)緩解，底層變形增加，整樓的抗剪能力和變形耗能能力增強(qiáng)，抵抗大震能力明顯提高。當(dāng)去掉底部所有抗震墻時(shí)，結(jié)構(gòu)薄弱層部位發(fā)生了實(shí)質(zhì)性變化，底層成為薄弱層且底層變形明顯增大，結(jié)構(gòu)抗震能力下降。因此，底層的抗震墻合理設(shè)置及其底層與第二層的抗震承載能力盡量均勻有助于提高這類結(jié)構(gòu)抵抗大地震的能力。

[1] 林雪麟.汶川特大地震造成多大損失[J].四川統(tǒng)一戰(zhàn)線，2009(5):35.

[2] 高小旺.七層底層框架抗震墻磚房1/2比例模型抗震試驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué)，1995(4):18-23.

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