某大楼连梁剪切破坏震害的计算分析与思考

刘育博,杨富涌,魏明宇

(1.四川省建筑设计院,四川成都 610071;2.四川省建筑科学研究设计院,四川成都 610071)

1 工程震害综述

彭州饭店位于成都彭州市区。设计完成于 1992年12月,主体于 1998年完工。主楼地下一层、地上十八层。结构形式为框架-抗震墙结构。设防烈度为 7度,依据《建筑抗震设计规范》GBJ 11-89进行抗震设计。结构平面布置及楼层层高情况详图 1和表1。

从楼层典型平面可以看出,该结构整体刚度大。在结构单体体量不大的情况下,中部的抗震墙闭合形成筒体,且数量较多。但抗震墙洞口连梁设置普遍较高,各层连梁高度均同表2列出的 LL1、LL2,且连梁跨高比极小(均小于 2.5)。

5·12地震震害表现为 LL1和 LL2的在首层至十三层出现不同程度的交叉斜裂缝。LL1发生严重剪切破坏,主要集中在二层 ～八层段:交叉斜裂缝自连梁支座两端呈对角直线贯通。上部混凝土完全压碎,形成很大的空洞。LL2由于跨高比相对较大,裂缝类型虽然属于剪切型,但依然呈现出一些弯剪组合特征,其受损情况相对较轻。其余结构构件如框架柱、框架梁、剪力墙以及其它部位连梁均无裂缝出现,震后无破损情况。

2 SATWE程序计算与工程震害对比

由于该工程震害集中体现在两个抗震墙筒体相连的连梁 LL1、LL2上,为使分析具有针对性,本文将工作的重点也集中于此。笔者采用中国建研院 PKPM软件 SATWE(2006年10月版)对该工程首先进行原有设防烈度 7度下的多遇地震计算,检验其小震下的安全性能,而后根据国家地震局发布的《汶川 8.0级地震烈度分布图》彭州市区的遭遇烈度(7度)进行补充计算。并将程序计算结果与震害进行对比。

2.1 7度多遇地震下的对比

7度下的多遇地震下,本文将程序计算结果与图纸实际配筋做了对比,对于框架梁柱而言,二者基本吻合。但是针对抗震墙的连梁,尤其是连接左右两个筒体的连梁 LL1、LL 2,计算和实配值存在较大差异。以下列出 LL1在 2、3、4层的实配值和程序计算值(表3)。

造成此差异的原因是多方面的:(1)当时计算程序 TBSA和目前选用的 SATWE程序单元模型不同。TBSA空间杆系模型针对连梁计算偏小。(2)遵循的《抗震设计规范》GBJ 11-89和GB 50011-2001在内力调整系数不同。从目前的设计眼光来看,跨高比如此小的连梁,其箍筋配置是存在安全隐患的。

2.2 遭遇烈度下的计算分析

在 7度遭遇烈度(即 7度设防烈度)下,为较真实地体现当时的地震作用,笔者采用中震不屈服方法验算该结构的承载力。具体步骤是:将水平地震影响系数 αmax调至 7度中震值 0.23,把荷载分项系数改为 1.0,取消抗震承载力调整系数 γRE,同时材料强度取标准值。也就是说,降低结构的安全储备,在相对真实的情况下采用振型分解反应谱法计算结构的地震反应。

计算结果表明,该结构超筋情况出现在LL1位置,自二层至十三层均为剪压比超过上限,即 V>0.15fcbh0。LL2在二层和六层出现相同的情况。表4列出 LL1、LL2在二至六层的剪力值。

可以看出 LL1、LL2的计算结果和实际连梁破坏情况大体趋势是一致的。LL1在地震中裂缝沿两端支座对角直线贯穿。这正是剪压比超限后发生斜压破坏的典型特征;而LL2计算结果在 3、4、5层均未超过剪压比上限,虽然与震害中的剪切破坏有一定差异,但与裂缝呈现出的些许弯剪组合特征也是基本相符的。同时施工质量差和预埋孔洞对连梁实际抗剪能力削弱也会对该连梁破坏模式产生一些影响。

3 关于连梁设计的一些思考

针对本工程特点,抗震墙作为第一道抗震防线吸收了绝大多数地震力,从而保护相连框架的安全性。但是连梁的破坏模式并不理想,作为连接左右筒体的主要水平构件,发生脆性剪切破坏的直接后果,是左右筒体转变成独立墙肢,分别承受相应的地震剪力。其抗侧刚度大幅降低。如果遭遇烈度更大,则该建筑的抗震安全性能会经受严峻考验。理想的连梁破坏机制,应是连梁受弯后屈服,在支座形成塑性铰。既耗散地震能量,同时继续约束两侧抗震墙的变形。直到地震力增大到某种程度使得其承受的弯矩超过塑性铰转动能力时,端部混凝土受压区压碎为止。这种破坏模式在抗震中发挥的作用远优于前者。设计延性连梁,主要是控制合适的跨高比。就本工程,笔者针对LL1尝试了两种方式来增大连梁的跨高比:减小连梁高、减小连梁高度同时增大跨度(表5、表6)。

从表中不难看出,表5中虽然减小 LL1的高度,造成其承受地震剪力降低,但是自身抗剪能力减少得更多。而表6则通过增大跨度并减少高度相结合的方式最终解决了剪压比超限的问题。分析原因,笔者认为协调连梁两侧抗震墙的刚度是解决连梁破坏模式的主要因素。就本工程而言,由于LL1两侧筒体刚度太大,仅仅通过减小梁高是无法传递墙体侧移产生的巨大剪力的。只有适当削弱抗震墙刚度,同时连梁截面又不能取值过小,才能从中寻找到平衡。尽管这样的结果会造成结构的自振周期有所加长,但将改变连梁的破坏模式极大改善结构的抗震性能。

目前,《建筑抗震设计规范》对于连梁的“强剪弱弯”措施,采取的是如下原则:

但这是在多遇地震下的实现的。通过本工程可以看出,如果在地震作用达到设防烈度或更大的情况,原先的延性破坏就可能转变为脆性剪切破坏。因此,笔者认为,只有更大幅度地增大抗剪能力和抗弯能力比例,同时重视连梁的概念设计,才能有效改善连梁的延性。

4 结束语

本文运用中国建研院 PKPM的 SATWE程序对 5·12地震彭州饭店连梁剪切破坏工程进行下多遇地震计算以及实际遭遇烈度下中震不屈服计算,针对发生破坏的连梁,二者取得了大体一致性。由此提出,设计工作基于多遇地震下实现的“强剪弱弯”的连梁延性受力机制,并不能够保证在中震以及大震下达到理想变形模式。并提出连梁的截面高度和跨度的选择,不仅需要调节自身的跨高比,还需兼顾抗震墙体的整体刚度,注重连梁的概念设计,方能最大可能的实现理想的延性破坏模式。

[1]GB 50011-2001建筑抗震设计规范[S]

[2]GB J 11-89建筑抗震设计规范[S]

[3]包世华.新编高层建筑结构(第二版)[M].北京:中国水利水电出版社,2005

[4]周颖,吕西林.中震弹性设计与中震不屈服设计的理解与实施[J].结构工程师,2008(12)