鋼筋混凝土框架結構強震破壞模式的控制

張凱鵬

摘 要：當前，鋼筋混凝土框架結構是建筑物的主要結構形式，其抗震性能直接關系到建筑物內的人員和財產安全。因此，應該根據《建筑抗震設計設計規范》等文件的要求進行科學的建筑物結構設計，確保建筑物在強震作用下能夠發生總體屈服，而非樓板屈服，從而最大限度地保護建筑物內部的設施和人員安全，這要求建筑物的結構設計符合“強柱弱梁”原則。所以，本文對鋼筋混凝土框架結構強震破壞模式進行分析，探索滿足“強柱弱梁”原則的設計措施。

關鍵詞：鋼筋混凝土框架結構；強震破壞模式；強柱弱梁；仿真模擬

中圖分類號： TU528 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2017）05-46-2

0 引言

長期以來，“強柱弱梁”都是建筑物抗震設計所追求的目標，能夠直接影響強震作用下的建筑物破壞形式，避免建筑物的完全垮塌。然而，通過對汶川地震的建筑物破壞形式分析，實際的建筑物鮮有能夠滿足上述要求的，這是多方面因素導致的。在強震作用下，鋼筋混凝土框架的柱體首先遭受破壞，失去支撐力，導致建筑物整體垮塌，造成建筑物內部空間的急劇變化，是地震造成的財產損失和人員傷亡的主要原因。所以，有必要對強震作用下的鋼筋混凝土結構的破壞模式進行分析，選擇合理的破壞模式，將地震造成的破壞降到最低。

1 鋼筋混凝土框架結構強震破壞模式分析

鋼筋混凝土框架結構的抗震性能主要由框架梁和框架柱的力學性能反映，在強震作用下，柱體先發生破壞或框架梁先發生破壞將造成建筑物的不同破壞形式，產生的危害性有極大的差異。

1.1 鋼筋混凝土框架結構的總體屈服模式

總體屈服機制是在“強柱弱梁”結構的建筑物遭受強震作用后的破壞形式，建筑物的框架梁首先發生塑形形變，吸收相當比例的地震能量，導致框架柱體受到的地震影響相對較小，能夠保證柱體的結構完整或低端發生少量形變，仍然能夠發揮可靠的支撐力，維持建筑物的空間結構，從而避免建筑物的整體垮塌。這是鋼筋混凝土框架結構抗震設計的主要目標，是較為合理的強震破壞形式，能夠有效降低地震造成的影響。

1.2 鋼筋混凝土框架結構的樓層屈服模式

所謂樓層屈服機制是指柱端的抗彎承載力小于框架梁端的抗彎承載力，一旦地震發生，框架的柱端首先發生形變，導致柱體遭受破壞，失去對建筑物整體的承載力，造成樓層垮塌。該種破壞形式使得建筑物的空間結構發生徹底改變，人員和財物等被掩埋于廢墟當中，造成嚴重的人員傷亡和財產損失，而且不利于震后搜救，是建筑物應該竭力避免的。然而，現在的許多建筑物都呈現“強梁弱柱”的結構特點，一旦遭遇強震，框架柱體將首先失去承載能力，導致樓層垮塌，危害極為嚴重。

2 借助LS-DYNA軟件仿真模擬鋼筋混凝土框架結構在強震作用下的破壞形式

2.1 LS-DYNA軟件概述

LS-DYNA軟件是基于中心差分法的顯式積分算法，借助先進的信息技術實現鋼筋混凝土框架結構在強震作用的破壞形式模式，分析地震作用下的建筑物的變形、破壞到坍塌的全過程，研究導致建筑物破壞的主要影響因素。

2.2 仿真模型的建立及相關參數選擇

本次仿真模擬選擇的建筑物為5層的鋼筋混凝土框架結構建筑，建筑物單層呈現長方體結構，x方向的柱體間距離設定為7.2m，y方向的柱體間距離設定為6m，層高3.6m；框架柱尺寸為500×500（mm）；主梁300×700（mm），次梁250×600（mm）；樓板為現澆樓板，層厚100mm，外墻選擇為填充墻。

在地震波的選擇方面，為節省運算時間，選擇加速度峰值較大的汶川地震部分波形作為地震波的主要形式，輸入到仿真軟件中，地震持續時間設定為10s。

2.3 仿真模擬結果

根據仿真模擬，構件在0.6s前基本處于彈性工作狀態；1s時，由于地震動突然增大，底層框架柱底端開裂，形成局部破壞；1.3s時，底層柱頂端產生裂縫，并逐漸貫通，底層柱子退出工作；1.5s時，二層梁端產生裂縫，一層頂塑性鉸形成；1.6s時，二層梁板失去支撐，開始塌落；1.9s時，二層柱頂產生貫通裂縫；2.3s時，二層樓板接觸地面，碰撞碎裂；隨后，上面各層梁柱也陸續出現端部開裂破壞；最后，結構整體倒塌。

3 鋼筋混凝土框架結構強震破壞形式的主要影響因素分析

3.1 框架梁剛度放大系數

當前的鋼筋混凝土框架結構的建筑物大多采用現澆樓板，其對框架梁的力學效果有顯著的增強作用，導致建筑的框架梁的實際強度要大于梁體本身的力學強度，而且該種增強效果呈現不均一性，隨著梁體位置的變化而改變。針對此問題，相關的設計規范采取經驗參數的方式進行換算，即將中梁和邊梁的剛度按照原框架梁剛度的2.0和1.5進行處理。該種處理方式僅考慮垂向上的樓板增強作用，對于框架梁的抗彎承載力的影響并未考慮，導致鋼筋混凝土框架結構框架梁的實際剛度大于設計值，影響“強柱弱梁”結構的形成。

3.2 柱梁抗彎承載力比

在鋼筋混凝土框架結構的設計中，柱梁抗彎承載力比值一般選擇為1.1-17.之間，從理論上看，該比值能夠滿足“強柱弱梁”的結構要求，但是，通過對建筑物在地震中的實際破壞形式分析來看，該比值并不能確保鋼筋混凝土框架結構能夠形成總體屈服機制，其受到震級的影響較大。具體來說，當震級在6級以下時，框架結構的自身穩定性較強，受到的地震破壞較為輕微，能夠維持建筑物的結構穩定；當震級在9度及以上時，建筑物受到的力學作用較為強烈，設計中承載力的比例選擇較大，因而能夠發揮“強柱弱梁”的結構特性，產生總體屈服。但是，當震級在6-9級之間時，比值選取較低，導致柱體的力學破壞較為嚴重，難以形成總體屈服。

3.3 框架結構柱體的軸壓比

一般情況下，建筑物的柱體應該具備足夠的力學強度，能夠較好的抵御地震作用。然而，實際的設計過程中，出于美觀和降低成本的考慮，多數鋼筋混凝土框架結構的柱體截面偏小，導致柱體的軸壓比處于較高水平，一旦發生地震，柱體將無法抵御更大的軸力，極易造成柱體破壞，造成建筑物的垮塌。

3.4 填充墻等圍護結構對框架柱體的影響

圍護結構主要是指建筑物的外墻、門窗等，是構成建筑物封閉空間的重要構件。在建筑物設計中，對此類圍護結構僅僅考慮其對框架結構的重力影響，未考慮填充墻等圍護結構對柱體造成的剪切影響，影響柱體力學作用的發揮，成為地震中柱體破壞的重要原因之一。

4 控制鋼筋混凝土框架結構強震破壞模式的具體措施

4.1 構建梁柱鉸混合破壞機制

通過對地震作用下的建筑物破壞實例分析，參考鋼筋混凝土框架結構的地震破壞仿真模擬數據，在進行建筑物的結構設計時，單純考慮“強柱弱梁”是不可取的，應該從框架結構的整體較大考慮，分析梁柱鉸混合破壞的產生機制，使得建筑物在強震來臨時能夠形成該種破壞方式，保證建筑物的“大震不倒”，將強震造成的損失降到最低。

4.2 多指標綜合評價鋼筋混凝土框架結構的抗震設計

進行建筑物的抗震設計時，不能單單考慮單個或有限幾個指標，而是應該將影響建筑物抗震性能的指標全部納入考慮范圍中，除了將指標作為單一變量考慮對建筑物結構穩定性的影響以外，還應該考慮指標間的關聯性，確?？拐鹪O計能夠滿足建筑物“強柱弱梁”的設計原則，有效抵御強震的沖擊，達到“大震不倒”的目的，最大限制地維持建筑結構的穩定性。

4.3 積極應用BIM等仿真軟件提升抗震設計的可行性

進入21世紀，信息技術成為社會發展的主要驅動力量。在建筑設計領域，借助信息技術形成的BIM能夠實現對設計的仿真模擬，分析設計的可行性及施工、使用等后續環節中存在的問題，為設計優化提供參考，提升了設計的可行性。將其應用于抗震設計的優化中，能夠消除各類不確定因素對建筑結構的影響，形成最佳的“強柱弱梁”結構。

5 結束語

總體而言，強震作用下，建筑物產生破壞是必然的，進行建筑物抗震設計的目的在于選擇合理的建筑物結構破壞形式，將地震造成的影響降到最低，盡可能地維持建筑物的結構穩定性，保護建筑物內部的人員和設施安全。其設計應該從參數選擇和仿真模擬等方法出發，探索合適的設計方案，滿足建筑物的抗震設計需要。

參 考 文 獻

[1] 李英民，羅文文，韓軍.鋼筋混凝土框架結構強震破壞模式的控制[J].土木工程學報，2013（5）：85-92.

[2] 楊黎薇，邱志剛，崔建文，等.鋼筋混凝土框架結構強震連續倒塌破壞分析[J].世界地震工程，2015（4）：188-192.

[3] 尹萬云，繆志偉，金仁才，等.強震作用下鋼筋混凝土結構的數值模擬[J].江蘇建筑，2012（5）：25-29.

[4] 楊劍.強柱弱梁框架結構設計[J].中國科技博覽，2012（29）：120.

[5] 朱勝，李莉，何政.強震作用下邊框架柱激發失效后混凝土結構接觸——碰撞響應模擬[J].工業建筑，2016，46（6）：66-73.