地震災害作用下框架填充墻變形設計分析

2018-03-26 05:25:47劉鈺

浙江建筑 2018年2期

劉鈺

LIU Yu

1 引言

大地震具有震源淺、持續時間長、破壞性巨大等特點。縱觀國內的地震,無論是2014年的新疆于田地震、2010年的青海玉樹地震以及2008年的汶川地震,其破壞區域涉及的面積廣,災區多。地震區建筑的倒塌破壞性質嚴重,人民遭受到生命和財產的巨大損失。通常,建筑物良好的抗震性能是地震發生時,保護人類財產和生命安全的首要防線。我國《高層建筑混凝土結構技術規程(JGJ 3—2010)》[1]《建筑抗震設計規范(GB 50011—2010)》[2]在對框架結構的設計要求中,均沒有考慮填充墻強度影響,而對剛度的影響也只是在計算結構基本振動周期時乘以折減系數。如此簡單處理，使填充墻與框架的共同作用弱化或忽略,最終導致框架結構計算模型不真實,梁的內力被放大,設計中將框架當作強梁弱柱型結構。當然,大多數設計者忽略填充墻影響,是因為無法計算和考慮填充墻引起的框架結構豎向剛度的不均勻性和不連續性。最終,對結構設計的合理性出現失真想象。根據國內震后房屋應急調查評估發現,框架填充墻在地震中破壞嚴重,當地震烈度在9度以上時,填充墻大部分倒塌[3]。然而,由于填充墻與框架之間的相互作用機理復雜,工程設計中,還沒有一個被普遍接受的考慮框-墻相互作用的分析與設計方法。盡管國內外的學者已經做了一些研究,但研究成果應用到實際工程還有一定的距離。故長期以來,國內設計人員在工程設計中回避了填充墻與框架的相互作用問題,僅把填充墻作為荷載施加在結構上,忽略其剛度和強度的影響,致使計算模型與實際結構有較大的出入及分析結果失真,即便是嚴格按照現行規范設計的框架結構建筑,也存在抗震安全隱患。

2 工程概況

某工程采用的框架樓位于四川省都江堰市,總建筑面積約4 500 m2,為五層鋼筋混凝土框架結構,抗震等級為三級。工程設防類別為丙類,該地區抗震設防裂度為7度,Ⅱ類場地,設計中取地震加速度值0.1 g,基本風壓值0.3 kN/m2。梁、柱、板的混凝土強度等級均為C30,一層層高3.0 m,上部標準層層高2.8 m,樓板厚度為100 mm。填充墻砌體為非承重頁巖空心磚,水泥砂漿砌筑±0.000 m以下采用M5.0,±0.000 m以上采用M5.0混合砂漿砌筑,容重取10 kN/m3。該房屋的一層平面布置圖見圖1，標準層平面布置見圖2。由結構平面布置圖可看出,該建筑物平面形狀規整,各層層高值比較接近,若按常規考慮,其抗震性能應較好。事實上,5.12汶川大地震中,因其一層為車庫, A軸及B軸線間沒有橫向墻體填充,而二層以上為小戶型民用住宅,填充墻較多,一二層樓層間上下剛度突變嚴重,致使一層所有框架柱上、下端均出現塑性鉸破壞。從圖3發現：柱子兩端的主筋屈服,鋼筋被壓彎向外突出,塑性鉸區的混凝土被壓碎,柱端箍筋和拉結筋的錨固長度均被拉直,部分柱端還發生剪切錯動破壞,整座建筑物嚴重傾斜。現場調研發現,該建筑物一層呈現屈服破壞的特征,一層所有框架柱向同一方向傾斜,導致二層以上結構發生整體側移280 mm。一層柱相對轉角達1/16左右,遠遠大于國家規范規定的大震不倒1/50極限值,該建筑物已超過危險極限。

圖1 一層平面圖

圖2 標準層平面圖

3 結構分析

以該工程為例,采用PKPM軟件和ETABS軟件建立結構的三維有限元模型。首先,分別建立框架有填充墻和無填充墻的有限元模型,用ETABS房屋建筑結構軟件分別設計及計算,按規范對結構進行數據模擬分析；其次,用PKPM軟件做無填充墻模型分析,二者進行對比。ETABS模型中考慮了填充墻剛度的影響,梁柱采用桿單元,填充墻采用殼單元,砌體的彈性模量取1.59 GPa,泊松比為0.25,樓板采用膜單元。由圖2看出,縱軸線A軸和D軸上墻體所開的門窗洞口較多,故對墻體的剛度削弱較大,因此,建模時不考慮縱軸A、縱軸D軸線上墻體的剛度效應,只將A軸、D軸當作無填充墻的框架看待。

計算結果發現,PKPM軟件、ETABS軟件考慮填充墻體作用和不考慮填充墻體作用的結構第一自振周期分別為0.72 s,0.60 s和0.40 s。可見,若考慮填充墻的剛度效應,結構自振周期變小,框架結構剛度增加,意味著地震力會顯著提高。當然,用PKPM軟件和ETABS軟件計算的結構模型結果是不相同的,這主要是因為ETABS軟件能夠自動扣除梁、柱、板重合部分的結構重量,而PKPM則不能夠扣除梁、柱、板重合部分的結構重量。

圖3 都江之春1#樓震害情況

表1為有填充墻和無填充墻的兩種模型的相鄰層間側移剛度比。表1中,Kx、Ky分別為X、Y方向同層側移剛度與下一層側移剛度的比值,Kx1、Ky1分別為X、Y方向同層側移剛度與上一層側移剛度70%的比值或上三層平均側移剛度80%的比值中的較小者。

從表1的ETABS無填充墻的模型看出,結構的一層剛度最大,以上各層的剛度分別比下一層略有降低。結構各層的Kx1、Ky1均大于1,結構在X、Y兩個方向上均不存在薄弱層。而在有填充墻模型中,結構第二層的X、Y方向的層剛度分別是一層剛度的3.09倍和2.71倍,結構一層的Kx1、Ky1分別為0.31和0.38,均遠小于1。可見,考慮填充墻的剛度效應時,結構一層出現的薄弱層現象是非常明顯的。

表1 有填充墻和無填充墻的模型相鄰層間側移剛度比

研究發現,在地震作用下,模型各樓層水平側移曲線如圖4所示。從圖中看出,在無填充墻模型中,結構各樓層位移曲線較平滑,無明顯的突變,結構變形曲線為典型剪切型曲線。但在有填充墻模型中,結構的位移主要集中在一層,而上部各層的層間位移很小。從樓層的水平位移圖4可得出,框架結構在一層存在明顯薄弱層。

有填充墻和無填充墻兩種模型在地震作用下的樓層剪力值見表2,其中X、Y方向的樓層剪力分別為Vx、Vy。從表2中ETABS軟件模型發現,填充墻的存在加大了結構的地震作用。本工程中,有填充墻模型的X、Y方向基底剪力與無填充墻模型基底剪力的比值約為2.0和1.85。

表2 有填充墻和無填充墻模型在地震作用下的剪力值

圖4 地震作用下五層模型結構側移曲線

4 設計要求

分析發現,當墻體的相對剛度增大時,模型的相對剛度也增大,二者關系成正比即保持線性關系。填充墻的存在提高了框架結構的抗側移剛度,增加了框架結構的地震反應,特別當底層用于車庫、商場等大空間的結構,易產生底部薄弱層效應。設計中,在考慮此類結構時,要及時進行底框架結構分析,考慮填充墻的剛度效應,將填充墻當作受力構件,與相鄰周邊框架有效連接,以保證地震災害發生時,其結構真正成為抗震設防的第一道防線。

影響框架結構抗震性能的因素有很多。除填充墻與框架結構連接剛度和連接方式外,還有結構自身的材料強度要滿足規范要求。諸如：填充墻材料可采用輕質材料,建筑平面和立面的選型布置應科學、合理,避免采用畸形怪狀及嚴重不規則的方案,合理布置縱、橫填充墻,以增強填充墻剛度及整體性；計算中要注意軸壓比及剪跨比的限制,要考慮地震動輸入、結構間相互作用等因素的影響。針對框架結構工程設計實例,模型連接剛度建議采用75%比較合適；設計時,采用帶構造柱和水平系梁的連接,以延緩墻體破壞。工程設計中將地震區的建筑設計成延性結構[4]。

5 施工建議

一是做好作業前施工準備工作。諸如：清理干凈基底垃圾,按設計規范要求預留準確墻體拉結筋的位置、規格,綁扎拉結筋時不應錯放、漏放,并核實拉結筋的數量、間距等。對用于填充墻的砌塊,砌筑前應保證提前淋水濕潤,采用專用砌塊砂漿砌筑,砂漿應隨攪拌隨使用,水泥砂漿必須在3 h內用完,混合砂漿必須在4 h內用完,砌筑中嚴禁使用過夜砂漿。嚴格控制水平灰縫厚度及豎向灰縫的寬度,一般為10 mm。灰縫不得出現透明縫、瞎縫和假縫。坡面與墻體交接處、樓地面上三皮磚及梁底頂磚均用水泥砂漿砌筑,預留線管、線槽。

二是建筑構件應按設計圖紙要求及施工規范設置。諸如：設有構造柱的工程,在砌磚前,先根據設計圖紙將構造柱位置進行彈線,并把構造柱插筋處理順直。鋼筋磚過梁、鋼筋混凝土過梁應按圖紙要求設置。非承重墻應分次砌筑,每次砌筑高度不應超過1.5 m。待前次砌筑砂漿終凝后再繼續砌筑。每日砌筑高度不宜大于2.8 m。砌磚墻時,與構造柱連接處砌成馬牙槎。

三是施工中防止梁頂填充墻收縮變形。在施工砌筑過程中,砌體與框架柱及剪力墻的節點縫逐皮填實砂漿后,再每側劃入30 mm,每砌完5皮砌塊,用嵌縫抹子將內外灰縫原漿壓實,以封閉毛細孔。構造柱和墻體端部的非整砌塊,采用無齒鋸切割成型,嚴禁用粘土磚補充,砌至接近框架梁、板底時,應留一定空隙,待墻體砌筑完超過7 d 后采用60°角斜砌磚補砌擠緊[5],并將梁底節點處砂漿劃入30 mm 深。在操作過程中,要認真進行自檢[6],如出現偏差,應隨時糾正,嚴禁事后砸墻。

[1] 中國建筑科學研究院. JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社,2010．

[2] 中國建筑科學研究院.GB 50011—2010建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2010．

[3] 黃東升,張志強,毛龍泉. 汶川地震后綿竹、都江堰市房屋震害調查與分析[J]. 防災減災工程學報,2010(1)：109-115．

[4] 蔡文章. 汶川地震都江堰地區建筑震害情況分析[J]. 建筑技術,2009(6)：531-534．

[5] 冼聰穎. 混凝土梁底填充墻頂收縮變形的控制[J]. 建筑技術,2005(9)：705．