翼缘框架柱框架结构抗震性能初探

张李勇 （合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

1 慨 述

2008年汶川地震，当地的中小学建筑震害十分严重，四川省有将近7000多座学校教育建筑坍塌，部分框架结构教学楼发生了整体倒塌，导致2万多名学生伤亡[1]，社会各界为之震惊。地震发生后，学校建筑尤其是教学楼的倒塌原因受到了来自世界各地的建筑抗震专家的高度关注[2]。

由于对通风采光等方面有较高要求，汶川当地许多中小学教学楼采用单跨框架结构形式，外挑一定长度的外走廊。这种结构形式抗震防线单一，冗余度少，强烈地震作用下，柱子出现破坏，结构瞬间整体倒塌[3]。结构没有出现期望的“强柱弱梁”破坏机制，许多框架梁甚至在结构倒塌后都完好无损，这其中主要有框架梁的钢筋超配、现浇楼板影响和填充墙影响等。

汶川地震后，我国对中小学教学楼提高了设防类别并在《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010） 第6.1.5条规定：“甲、乙类建筑以及高度大于24m的丙类建筑，不应采用单跨框架结构；高度不大于24m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构”。本文提出在普通纯框架结构框架柱边增设一定长度和宽度的剪力墙翼墙，剪力墙整体数量较少，形成一种翼缘框架柱框架结构，探讨以此来改变框架结构在地震作用下的破坏机制。本文借助Midas/Building[4-5]有限元分析软件，对翼缘框架柱框架结构大震作用下的破坏机制进行初步研究。

2 弹塑性分析

2.1 案例概况

如图1所示为某5层框架结构中学教学楼，层高均为3.6m，抗震设防烈度为7度（0.10g），第一组，Ⅱ类场地。梁、柱截面尺寸如图中标注所示，楼板厚120mm。梁、柱和楼板混凝土强度等级为C30，钢筋采用HRB400级钢筋。空心砌块填充墙厚200mm。

本文对单跨纯框架结构（模型1）和翼缘框架柱框架结构（模型2）进行罕遇地震作用下的静力弹塑性分析分析。翼缘框架柱框架结构为在纯框架结构的基础上，在结构位移容易出现最大值的四角对称设置L形翼缘框架柱，翼墙厚度300mm，长度为800mm。

不计板自重的楼面、屋面恒载为1.5kN/m2和4kN/m2；楼面活载为2.5kN/m2（教室）、3.5kN/m2（走廊），屋面活载为0.5kN/m2；内、外墙线荷载为6.5kN/m和7.5kN/m、混凝土栏板阳台和女儿墙线荷载均为4kN/m。框架和剪力墙抗震等级均为二级，周期折减系数0.7。

2.2 静力弹塑性分析

进行push-over分析，率先对结构施加重力荷载（1.0DL+0.5LL），模拟地震作用下结构的初始受力情况[6]。然后再对结构施加软件自带的振型荷载分布模式的侧向荷载，由于结构Y向刚度相对较弱，侧向荷载仅在结构Y向施加。采用位移控制的增量控制方法，在第一水准下自动调整步长，极限层间位移角为1/20，结构最大位移控制为1/50总高（360mm）。

2.2.1 性能点分析

该算例中，单跨纯框架结构进行罕遇地震作用下静力弹塑性分析时没有出现结构性能点，结构没有足够的抗倒塌能力。程序以最接近控制位移时步骤为结束步骤，推覆结束时，结构的顶点位移为310.225mm，接近结构最大控制位移，最大层间位移角为1/46，大于1/50的规范规定限值。翼缘框架柱框架结构存在性能控制点，说明结构有足够的抗倒塌能力。

Y向静力弹塑性工况下，翼缘框架柱框架结构性能点处结构的最大层间位移出现在第3层，为12.134mm；最大层间位移角为1/296，小于《 建筑抗震设计规范》（ GB50011-2010）1/50 的规定限值，满足弹塑性极限的要求。

从图2结构位移-剪力能力曲线可以看出，翼缘框架柱框架结构的抗震承载能力比纯框架结构有较大提升，结构能力曲线在下降后继续上升，上升曲线斜率同前期上升曲线斜率接近，表明翼墙遭受地震作用后破坏，结构框架部分作为第二道防线继续承担地震作用，保障结构整体安全性。

2.2.2 塑性铰发展情况

Midas/Building中，对于梁、柱等线性结构构件，采用铰模型来表现其非线性特征；对于剪力墙构件，采用纤维模型来进行模拟。

从模型1塑性铰发展情况（图3）可以看出，纯框架结构塑性铰首先在梁端出现，随着侧向推覆力的增大，底层柱下端开始出现塑性铰，侧向推覆力继续增大到推覆结束时，结构底层柱端塑性铰发展情况（LS状态）均比结构梁端（B或IO状态）充分，大震作用下结构容易底层柱端率先破坏，发生整体倒塌。

从模型2塑性铰发展情况(图4、图5)可以看出，翼缘框架柱框架结构框架部分塑性铰首先在翼墙与框架梁交接处的梁端出现，随着侧向推覆力的增大，底层柱下端开始出现塑性铰，侧向推覆力继续增大到推覆结束时，梁端大部分塑性铰进入屈服阶段（C、D状态），梁端破坏，充分吸能耗能，此时底层柱端大部分塑性铰还处于正常使用极限状态（LS状态）。结构翼墙部分较框架部分先出现塑性铰，随着推覆力的增加，其应变状态不断发展，到推覆结束时仅结构靠近悬挑端第二层底部翼墙进入第5应变状态，其余大部分处于第1应变状态。大震作用下翼墙作为第一道抗震防线未完全退出工作，退出工作部分的地震力转嫁给结构框架柱继续承担，框架柱未出现屈服，实现了多道抗震防线的设置，有效保证结构的整体安全性。

3 结 论

本文对某教学楼的单跨纯框架结构和翼缘框架柱框架结构模型进行静力弹塑性分析，对比二者的抗震性能和破坏机制，可以得出以下结论：

①相比较纯框架结构，翼缘框架柱框架结构由于翼墙的增设提高了结构的抗震承载能力；②翼缘框架柱框架结构改善了结构罕遇地震作用下的破坏机制，有利于结构“强柱弱梁”破坏机制的实现，增强了结构的延性；③翼缘框架柱框架结构在理论上实现了多道抗震防线的设计理念，罕遇地震作用下翼墙首先吸能耗能，能够延缓结构主体框架部分塑性铰的发展，减小破坏。

在单跨纯框架结构抗震防线单一、抗倒塌能力不足的情况下，考虑在中小学教学楼建筑中采用翼缘框架柱框架结构，有其理论上的可行性。翼墙的合理布置数量和位置需要进一步研究。

[1]史庆轩，杨坤，王秋维，门进杰.汶川大地震村镇中小学建筑的震害调查和分析[J].西安建筑科技大学学报，2008(5).

[2]冯远,刘宜丰，肖克艰，等.来自汶川大地震亲历者的第一手资料——结构工程师的视界与思考［M］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

[3]白杨.带悬挑外廊单跨框架结构抗震加固方法研究[D].武汉：华中科技大学，2013.

[4]Building Code Requirements for Structural Concrete(ACI318-05)And Commentary(ACI318R-05).ACICommittee318，2002.

[5]北京迈达斯技术有限公司.结构大师用户手册[M].北京:北京迈达斯技术有限公司，2009．

[6]北京金土木软件技术有限公司.Pushover分析在建筑工程抗震设计中的应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.