单层单跨钢筋混凝土框架抗震性能研究

王晓玥 康迎杰

（1.北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082；2.北京工业大学工程抗震与结构诊治重点实验室 100124）

引言

工业建筑设计中，鼓风机房、配变电室等的结构设计经常采用单层单跨钢筋混凝土框架结构。根据结构功能需要和环境影响，这类建筑的高度和跨度不一，但在平面布置上比较规则。我国现行《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010（2016年版））（以下简称《抗规》）中并未包含对此类单层单跨框架的抗震设计规定，目前在设计工作中遵照多层框架结构抗震设计规定即按弹性层间位移角限值1／550设计、按弹塑性层间位移角限值1／50罕遇地震验算。而此设计方法是否会造成梁柱截面尺寸过大、配筋偏多以致材料浪费，有待研究探讨。为配合修编《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》（GB 50032-2003）中的相关规定，本文对单层单跨钢筋混凝土框架的抗震性能进行了研究，以求得出此类结构体系的较合理设计方法。

1 SATWE结构设计

1.1 尺寸设计

应用结构设计计算软件SATWE进行了20个不同高度、跨度尺寸的模型设计（见表1），设计荷载仅考虑结构自重及地震力，设防烈度8度0.2g，Ⅲ类场地，地震分组第一组，周期折减系数0.8，混凝土等级C30，分别按照抗震等级为一级、二级、三级、四级进行梁柱截面尺寸及配筋设计，结构模型如图1所示。

1.2 结构动力特性分析

为研究模型的动力学特性，对其位移角、轴压比、剪跨比等进行分析，对20个模型进行编号见表1，结构的梁、柱构件编号见图2。

单层单跨框架结构主要受力构件为梁、柱。对框架柱的剪跨比、轴压比和层间位移角进行分析（其中剪跨比按照H／2h0计算）。如图3～图5所示，可知结构柱的剪跨比较大（＞8），柱子的破坏形式为偏心受拉延性破坏，轴压比0.08～0.15，轴压比较小。

表1 模型编号及尺寸（单位：m）Tab.1 Model number and size （Unit：m）

图1 结构模型Fig.1 Structural model

图2 结构梁柱构件编号Fig.2 Structural beam and column member number

图3 模型柱剪跨比Fig.3 Model column shear ratio

图4 模型柱轴压比Fig.4 Model column axial pressure ratio

图5 模型层间位移角Fig.5 Model layer displacement angle

2 ABAQUS有限元模型分析

利用有限元软件ABAQUS进行分析。ABAQUS弹性模型将梁、柱划分为10个单元，弹塑性模型将梁、柱划分为3个单元；梁、柱构件均采用纤维梁单元B31，并在梁单元中插入离散钢筋纤维模型。采用可反映混凝土的应力应变全过程曲线、钢筋的双向性、clough退化三线性的弹塑性本构程序[2]。将SATWE软件的设计结果转换为有限元模型，其中弹性模型用来考察结构的动力特性及其在多遇地震作用下的抗震性能，弹塑性模型用于考察结构在罕遇地震作用下的抗震性能。

2.1 地震动的选取

《抗规》[1]中5.1.2 条规定时程分析需采用不少于2组实际强震记录和1组人工模拟加速度时程曲线，要求所有时程的反应谱与规范反应谱统计意义上相符。本研究采用2组天然地震波和1组人工波作为输入地震动。其中人工波按文献[2]采用，以结构横向为主方向输入。选取地震动记录如表2所示。每组模型的3种分析工况如表3所示。

表2 选取的地震动记录Tab.2 Selected seismic wave records

表3 分析工况Tab.3 Analysis conditions

2.2 多遇地震时程分析结果

对20组模型进行多遇地震弹性时程分析，对结构产生的最大层间位移角进行分析统计，并分别与反应谱（SATWE）分析结果进行对比，结果如图6所示。

图6 地震波作用下结构弹性时程分析结果Fig.6 Elastic time history analysis results under seismic waves

图6中对比了有限元模型在三种波形下的时程分析结果及其平均值与0.65倍、0.8倍、1倍SATWE结果的关系。可以看出：（1）结果符合《抗规》[1]中5.1.2 条规定：弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%；（2）在三组多遇地震动下，结构的20组模型最大层间位移角都能够满足规范1／550的要求，与反应谱法计算结果相比，弹性时程分析结果相对较小，三组波工况下的平均值大概在1／650～1／900，同时基底剪力基本上能够满足规范要求；（3）框架梁、柱构件的分析内力远小于设计内力，表明设计的结果具有较高的安全储备。

2.3 罕遇地震弹塑性分析结果

对20组模型进行罕遇地震作用下的弹塑性分析，考察该类结构在4种不同抗震等级（一级到四级）设计时，大震作用下的地震响应对比及抗震性能差异，结果如图7所示。

图7 地震波作用下结构弹塑性分析结果Fig.7 Elastoplastic analysis results under seismic waves

通过计算结果可以看出：（1）不同地震波工况，结构分析结果有所差异，最大层间位移角平均值大致在1／85～1／50；（2）结构的最大剪重比在0.20 ～0.70。

依照三组地震波的最大层间位移角平均值整体来看，抗震等级为一级、二级时结构的地震响应相对较小，而抗震等级为三级、四级时结构的地震响应相对偏大。

3 拟静力试验

结构拟静力试验是结构或构件在周期反复荷载下的静力试验，通过对试件进行低周反复加载，使试件从弹性阶段直至加载破坏，是破坏试验的一种[3]。通过其试验现象和试验结果，可以直观研究单层框架结构在地震荷载下破坏的趋势以及量化其破坏时层间位移角，便于与计算数值作比较。本研究试验由北京工业大学抗震与结构诊治北京市重点实验室完成。

3.1 试验设计

取有限元计算模型20组中典型尺寸的6组，制作成混凝土试件进行现场试验。原模型信息包括几何信息、荷载信息和配筋信息。缩尺比例1∶2，几何尺寸与缩尺比例相同，保证荷载信息里原模型和试件的轴压比和配筋率均相同。研究所截取的部件见图8。

3.2 试验装置

本试验加载装置如图9所示，反力墙、支架及反力梁均具有很高的刚度和强度，能保证试验的正常进行。通过油压千斤顶施加竖向荷载，再通过往复推动器在框架梁端施加反复水平荷载。

图8 选取构件示意Fig.8 Selected component

图9 加载装置三维示意Fig.9 3D schematic of loading device

根据《建筑抗震试验规程》（JGJ／T 101-2015）[4]，采用力-位移混合控制加载，先以力控制加载，当试件达到屈服时改用位移控制，直至破坏。

3.3 试验结果

6组试验过程和结果有相同规律，选取高度8m×横跨6m的二级抗震工况，现场试验现象见图10。

图10 现场试验现象Fig.10 Field test phenomenon

通过现场试验现象得出单层单跨框架的破坏模式：塑性铰首先出现在柱底，然后发展至梁端，最后延伸至梁柱节点。

根据现场试验数据得出试件的骨架曲线见图11，对比二级、四级抗震试件的承载能力等，用以研究试件的抗震性能。

图11 骨架曲线Fig.11 Skeleton curve

图11 骨架曲线中的层间最大位移，多遇地震为6.3mm，设防地震为29.8mm，罕遇地震为65.7mm，分别得出对应的层间位移角为：二级抗震1／746、1／167、1／72，四级抗震1／746、1／148、1／71。可以得出结果：试件的屈服层间位移角在1／158 ～1／78 之间。

4 结论

本文选定单层单跨钢筋混凝土框架结构，对结构模型进行了多遇、罕遇地震水准下弹（塑）性时程分析，对结构的地震响应进行了研究考察，对该类单层单跨钢筋混凝土框架结构的抗震设计方法提出建议，具体结论如下：

1.三组波弹性时程分析与反应谱法计算结果相比偏小，其最大层间位移角的平均值大概在1／650～1／900，相对规范1／550 的要求有一定的安全储备。

2.罕遇地震水准下，抗震等级为一级、二级时，结构的地震响应相对较小，而三级、四级抗震等级的结构地震响应相对偏大。

3.单层单跨钢筋混凝土框架结构中采用二级和四级抗震等级进行构件设计均满足使用需求，二级抗震构件安全度较高。

4.结合规范（GB 50032-2003）的修编工作，给出建议：对于厂房结构，如果不考虑维护构件的损伤带来的影响，单层单跨结构在多遇地震下的设计层间位移角可在规范规定的1／550的基础上适当放松。