底层框架—抗震墙砖房抗震性能研究

王世敏 高小旺 苏经宇

0 引言

地震灾害是世界上发生最多的自然灾害之一，它对人类社会的危害非常严重。2008年5月12日，在我国四川省汶川县，发生了里氏8.0级，震中烈度为11度的大地震，多个省市受灾。据统计，建筑物和基础设施的损失很大，占到了总损失的7成[1]。通过对底部框架—抗震墙房屋震害的调查，给我们的印象是这类房屋经过合理的抗震设计具有较好的抗震性能。这主要是这类房屋的底部一层为钢筋混凝土框架和一定数量的钢筋混凝土抗震墙体系，这种框架—抗震墙体系具有较好的承载能力和变形、耗能能力。底部框架—抗震墙房屋震害可分为三种情况:1)底层墙体、框架柱破坏严重;2)由于底部抗震墙数量较多造成上部砖房破坏严重;3)底部与上部破坏都不严重，即较为均匀的结构。

本文通过结构静力弹塑性分析，研究底层设置不同数量抗震墙对结构薄弱楼层位置和整体结构抗震能力的影响。

1 底部一层框架—抗震墙砖房工程概况

本工程位于都江堰地震灾区，在遭受汶川地震后，结构二层发生了中等破坏，其余几层均无明显破坏。结构为底部一层框架其上四层砖混，外加坡屋顶，底层层高3.9 m，其余四层层高3 m。抗震设防烈度为7度第一组二类场地，房屋抗震重要性类别为丙类，抗震等级为二级，结构及基础安全等级为二级，基础设计等级为丙级。底框部分梁、柱、板混凝土为C30，其余部分为C20。底框部分梁、柱、板主筋保护层厚度分别为:25 mm，30 mm，15 mm，其余部分梁、柱、板主筋保护层厚度分别为:20 mm，30 mm，20 mm。底层隔墙采用240厚页岩非承重空心砖M5混合砂浆砌筑，二、三层采用MU10承重页岩空心砖M10混合砂浆砌筑，四层采用MU10承重页岩空心砖M7.5混合砂浆砌筑，五层及以上部分采用MU10承重页岩空心砖M5混合砂浆砌筑。

2 结构的静力非线性分析

2.1 建模时的简化处理

分析时不考虑基础对上部结构的影响，因此分析时认为底部框架墙柱与基础完全刚接。建模时考虑分网后节点的耦合问题、计算耗时因素，对实际结构做如下简化:1)由于结构为对称结构，选两单元中的一个单元建模;2)楼房的阳台、外挑檐以及悬挑梁均未建模;3)坡屋面层简化为一个与五层相同的标准层;4)所有的楼梯间只留出楼梯间洞口，未对楼梯建模。结构的有限元模型见图1。

2.2 加载模式

模型采用倒三角加载模式，力加在每层楼的楼板部位，对结构施加足够大的力，直到把结构推垮为止。根据数据最后收敛步来推算结构所受最大剪力以及每一步加载力的大小。

其中，Pi，wi，hi分别为第i层的荷载、重力代表值和距地面高度;Vb为总荷载;参数k的取值与结构基本周期T有关，即:

本结构模态分析得到结构基本周期为0.294 4 s＜0.5 s，因此k值取1。

2.3 结构的横向分析

本文对结构横向作了如下分析:1)原结构的横向分析;2)原结构去掉底层横向两边跨跨中的两片抗震墙的横向分析;3)原结构去掉底层横向两边跨跨边的四片抗震墙的横向分析;4)原结构去掉底层所有抗震墙的横向分析。

2.3.1 原结构的横向分析

结构顶部控制点位移与底部剪力在不同加载阶段的荷载—位移关系曲线如图2所示。

在整个加载过程中，结构主要受水平方向的剪力作用，结构构件的变形也是以剪切变形为主，弯曲变形为辅。二层的破坏最严重，一层、三层的次之，四层发生轻微破坏，五、六层基本没有破坏。因此，薄弱层为二层，二层的薄弱部位是门窗洞口处的墙体。当结构加载到4 337 kN时，二层部分构件完全屈服，失去承载能力，结构垮塌，顶层控制点的位移为0.080 7 m。

2.3.2 原结构去掉底层横向边跨跨中的抗震墙的横向分析

结构顶部控制点位移与底部剪力在不同加载阶段的荷载—位移关系曲线如图3所示。

结构临近垮塌时，底层柱、抗震墙开裂，但没有屈服构件;二层的裂缝已经发展充分，部分构件已经屈服;三、四层裂缝相对较少也没有构件屈服;五、六层以上很少有裂缝出现。薄弱层仍为二层，当结构加载到4 992 kN时，二层部分构件完全屈服，失去承载能力，结构垮塌，顶层控制点的位移为0.138 m。

2.3.3 原结构去掉底层横向两边跨跨边的抗震墙的横向分析

结构顶部控制点位移与底部剪力在不同加载阶段的荷载—位移关系曲线如图4所示。

结构临近垮塌时底层柱、抗震墙裂缝发展充分，但没有屈服构件;二层的裂缝已经发展充分，部分构件已经屈服;三、四层裂缝相对较少也没有构件屈服;五、六层以上很少有裂缝出现。薄弱层仍为二层，当结构加载到5 056 kN时，二层部分构件完全屈服，失去承载能力，结构垮塌，顶层控制点的位移为0.143 m。

2.3.4 原结构去掉底层所有抗震墙分析

结构顶部控制点位移与底部剪力在不同加载阶段的荷载—位移关系曲线如图5所示。

结构临近垮塌时底层所有柱裂缝发展充分，部分构件已经屈服;二、三层的裂缝已经发展比较充分，但没有出现屈服构件;四层裂缝相对较少也没有构件屈服;五、六层以上很少有裂缝出现。薄弱层为底层，当结构加载到4 190 kN时，底层部分柱完全屈服，失去承载能力，结构垮塌，顶层控制点的位移为0.146 m。

2.3.5 结构临近垮塌时底层层间位移

表1 结构临近垮塌时底层层间位移

从表1可以看出，当原结构去掉底层横向边跨跨中和跨边的抗震墙后，结构临近垮塌时底层层间位移相对原结构有明显的增加，为原结构位移的2倍多，但结构的薄弱层没有发生变化，仍然是第二层;当原结构去掉底层所有抗震墙时，结构临近垮塌时底层位移几乎为原结构的7.5倍，并且此时结构的薄弱层发生了变化，底层最终垮掉。

3 结语

通过作横向对比分析可以看出原结构由于底部抗震墙设置较多，其薄弱楼层在第二层，由于第二层相对很弱，裂缝只有在第二层发展，所以结构整体抗震能力相对较差;去掉底部部分抗震墙后，虽然整个楼的薄弱层仍为第二层，但相对薄弱的程度已经缓解，底层变形增加，整楼的抗剪能力和变形耗能能力增强，抵抗大震能力明显提高。当去掉底部所有抗震墙时，结构薄弱层部位发生了实质性变化，底层成为薄弱层且底层变形明显增大，结构抗震能力下降。因此，底层的抗震墙合理设置及其底层与第二层的抗震承载能力尽量均匀有助于提高这类结构抵抗大地震的能力。

[1] 林雪麟.汶川特大地震造成多大损失[J].四川统一战线，2009(5):35.

[2] 高小旺.七层底层框架抗震墙砖房1/2比例模型抗震试验研究[J].建筑科学，1995(4):18-23.

[3] 高小旺.底部两层框架抗震墙砖房1/3比例模型抗震试验研究[J].建筑科学，1994(3):12-18.

[4] 王富耻，张朝晖.ANSYS 10.0有限元分析理论与工程应用[M].北京:电子工业出版社，2006:155-178.

[5] 吕西林，金国芳，吴晓涵.钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用[M].上海:同济大学出版社，1994:10-18.