[叶列平]-汶川地震中框架结构的震害及未实现强柱弱梁屈服机制的问题

汶川地震中框架结构的震害及未实现强柱弱梁屈服机制的问题叶列平清华大学土木工程系[e-mail]概述砌体结构震害概述概述砌体结构震害未设防的砌体结构，基本是唐山地震的再现按89规范后设计，采取圈梁和构造柱措施的砌体结构，大多震害较轻，很少发生脆性破坏倒塌。因此，砌体结构主要是如何落实抗震规范执行的问题，特别是落实圈梁和构造柱抗震措施，需进一步研究的工作可能并不多。概述框架结构震害问题较多，突出的主要是填充墙破坏严重未实现“强柱弱梁”简要讨论框架结构震害重点讨论框架结构未实现“强柱弱梁”的原因提纲汶川地震中框架结构的震害《抗震规范》关于“强柱弱梁”屈服机制的规定及考虑的因素未实现强柱弱梁屈服机制的原因影响因素分析及建议汶川地震中框架结构的震害围护结构和填充墙严重开裂和破坏填充墙(或错层)造成短柱剪切破坏柱剪切破坏，梁柱节点区破坏底部楼层侧移过大，并导致倒塌柱端出现塑性铰，未实现“强柱弱梁”屈服机制汶川地震中框架结构的震害围护结构和填充墙严重开裂和破坏也会造成一定的人员伤亡造成恐惧心理震后修复工作量很大，费用很高规范对“可修”没有明确定义“可修”应考虑非结构构件的损坏程度汶川地震中框架结构的震害填充墙(或错层)造成短柱剪切破坏填充墙造成框架柱形成短柱剪切破坏因填充墙破坏，未形成短柱柱破坏程度轻临街面，无填充墙，柱上下端弯曲破坏填充墙造成框架柱形成短柱剪切破坏因填充墙破坏，未形成短柱柱破坏程度轻临街面，无填充墙，柱上下端弯曲破坏汶川地震中框架结构的震害填充墙(或错层)造成短柱剪切破坏汶川地震中框架结构的震害填充墙(或错层)造成短柱剪切破坏避免采用错层建筑方案无法避免时，可采用连续箍筋约束混凝土柱或钢外套管柱预留足够的变形间隙汶川地震中框架结构的震害填充墙(或错层)造成短柱剪切破坏连续箍筋约束混凝土柱汶川地震中框架结构的震害连续箍筋约束混凝土柱汶川地震中框架结构的震害填充墙(或错层)造成短柱剪切破坏钢外套管柱HoopSteelTubeHoopSteelTubePreventingofspallingofcoverconcreteProvidingstrongconfinementeasilyWorkingasformforcolumn汶川地震中框架结构的震害填充墙(或错层)造成短柱剪切破坏钢外套管柱汶川地震中框架结构的震害柱剪切破坏，梁柱节点区破坏汶川地震中框架结构的震害李英民柱剪切破坏，梁柱节点区破坏汶川地震中框架结构的震害柱剪切破坏，梁柱节点区破坏•配箍不足，箍筋拉结、弯钩等构造措施不到位。•最小配箍率需提高。•强剪弱弯：即使柱端先发生弯曲破坏形成塑性铰，巨大的轴压易使混凝土压溃，严重削弱柱端抗剪能力，而柱端出铰并不会减小柱端的地震剪力，很容易引起剪切破坏。•连续箍筋技术，防止柱端混凝土强度严重退化。•控制柱轴压比汶川地震中框架结构的震害底部楼层侧移过大，并导致倒塌•底层作为商用或公共停车场等大空间使用，上部楼层为住宅或宾馆，填充墙使上部楼层的层刚度增大，形成柔性底层结构，个别因施工质量很差则导致底层倒塌。•需在结构整体抗震方案中，将填充墙等非结构构件在结构抗震分析中给予充分考虑，以下将专门讨论。汶川地震中框架结构的震害柱端出现塑性铰，未实现“强柱弱梁”屈服机制汶川地震中框架结构的震害柱端出现塑性铰，未实现“强柱弱梁”屈服机制几乎没有看到设计规范所要求的“强柱弱梁”破坏机制汶川地震中框架结构的震害柱端出现塑性铰，未实现“强柱弱梁”屈服机制汶川地震中框架结构的震害柱端出现塑性铰，未实现“强柱弱梁”屈服机制汶川地震中框架结构的震害柱端出现塑性铰，未实现“强柱弱梁”屈服机制未实现强柱弱梁屈服机制的原因分析及改进建议强柱弱梁屈服机制整体型屈服机制局部型屈服机制强柱弱梁屈服机制框架-剪力墙结构的整体型屈服机制叶列平等，简论结构抗震的鲁棒性，《建筑结构》，Vol.38,No.6规范关于“强柱弱梁”屈服机制的规定及考虑的因素《规范》关于“强柱弱梁”屈服机制的规定•对二级和三级框架结构应符合∑Mc=hc∑Mb•对一级框架结构及9度时尚应符合∑Mc=hc∑Mbua主要考虑•钢筋和混凝土材料强度的变异性•钢筋强度超强等•不超过10%的梁端钢筋超配•地震随机性和结构动力效应等一级：hc=1.4二级：hc=1.2三级：hc=1.1未实现强柱弱梁屈服机制的原因填充墙等非结构构件影响楼板影响框架梁跨度和荷载过大使梁截面尺寸增大梁端超配筋和钢筋实际强度超强柱轴压比限值规定偏高柱的最小配筋率和最小配箍率偏小结构受力状态的影响梁柱可靠度的差异影响因素的分析填充墙等非结构构件影响•填充墙对整体结构抗震性能的影响和作用有：•一是，可作为整个结构系统的第一道抗震防线，首先破坏并耗散地震能量。（问题：填充墙开裂、破坏）•二是，影响裸框架结构的内力分布，如，约束框架柱部分柱段的侧移变形，形成短柱，导致短柱剪切破坏，进而影响整体结构的破坏模式。•三是，造成结构实际抗侧刚度分布不均匀，如：底商-上住宅或办公，会造成整体结构实际层刚度显著差异，无法实现“强柱弱梁”机制；又如：填充墙平面分布不均匀，造成结构平面刚度偏心，引起扭转效应。李英民影响因素的分析填充墙等非结构构件影响影响因素的分析填充墙等非结构构件影响影响因素的分析填充墙等非结构构件影响影响因素的分析填充墙等非结构构件影响影响因素的分析填充墙等非结构构件影响影响因素的分析填充墙等非结构构件影响•围护墙和填充墙通常直接在框架梁上砌筑，将显著减小框架梁弯曲变形，增大框架梁的刚度和抗弯承载力。•直接参与整体结构的抗震受力，增加层刚度，造成结构层刚度不均匀；或造成平面刚度分布不规则，引起扭转效应。•结构刚度增大,基本周期减小约40~60%，地震力增大。•由于填充墙抗侧刚度大、所分配的地震力较大，而其强度较低，因此容易导致填充墙产生严重开裂和破坏。改变了框架结构的整体受力机制，使整体结构难以形成“强柱弱梁”屈服机制加剧结构的地震破坏影响因素的分析填充墙等非结构构件影响•《抗规》的规定•3.7.4条：围护墙和隔墙应考虑对结构抗震的不利影响，避免不合理设置而导致主体结构的破坏。•但未给出如何考虑填充墙对结构抗震不利影响的具体方法。填充墙的目标参与结构受力不参与结构受力•实际工程中，填充墙类型很多，布置复杂，与框架主体结构的连接构造也多种多样，具体如何考虑，十分复杂。•关键应首先明确填充墙的结构功能和设计目标。影响因素的分析填充墙等非结构构件影响•填充墙参与结构受力•填充墙可作为整体结构第一道抗震防线，可与周边框架可靠连接，形成组合墙，并应沿结构竖向连续布置。•填充墙不参与结构受力•填充墙与周边框架设缝，隔离两者的相互作用。影响因素的分析填充墙等非结构构件影响•填充墙参与结构受力•将填充墙作为第一道抗震防线，是一种很好的整体结构抗震设计思想。影响因素的分析填充墙等非结构构件影响•填充墙参与结构受力•将填充墙作为第一道抗震防线，是一种很好的整体结构抗震设计思想。•按这种思路设计时，填充墙在中震下发生开裂应属于正常预期目标，但大震下填充墙不倒塌（构造措施）。•通过合理的构造措施，如设置构造柱、水平系梁、拉结钢筋等，增强填充墙与主体框架结构的协同工作能力，提高填充墙的变形能力，包括抗裂能力和抗倒塌能力。•这种组合墙应作为整体结构抗震的组成部分，在整体结构的抗震分析和设计中就要给予考虑，且相应的构造措施也要予以保证，并在施工中落实。影响因素的分析填充墙等非结构构件影响•一个填充墙经过设计认真考虑，与周边框架采用水平系梁和构造柱连接，结构抗侧刚度很大，地震中填充墙也几乎没有开裂，主体框架结构几乎也未损坏。•另一个填充墙开裂显著，尽管主体框架结构损坏并不严重，但需要对填充墙进行大修。绵阳的两个框架结构影响因素的分析填充墙等非结构构件影响89《抗规》附录三：砖填充墙框架抗震验算结构体系：框架(F)+填充墙框架(FW)(1)侧移刚度：K=Kf+Kfw(2)地震作用效应：地震层剪力分配—框架Vf+填充墙框架Vfw；Vf填充墙框架的柱—Nfw,c；Vfw,c=Vfw(3)填充墙框架截面抗震验算：总层抗剪承载力≤框架+填充墙框架框架的层抗剪承载力≥0.4Vfw填充墙参与结构受力因限制粘土砖使用，02《抗规》取消该附录代之以，附录F：配筋混凝土小型空心砌块抗震墙影响因素的分析•填充墙不参与结构受力•填充墙与周边框架设缝，隔离两者的相互作用。变形间隙变形间隙变形间隙变形间隙用柔性防水材料填充间隙大小由中震时层间侧移量确定填充墙等非结构构件影响影响因素的分析填充墙等非结构构件影响•填充墙不参与结构受力•填充墙与周边框架设缝，隔离两者的相互作用。变形间隙变形间隙变形间隙用柔性防水材料填充间隙大小由中震时层间侧移量确定影响因素的分析填充墙等非结构构件影响•对于某些楼层（通常为底层或底部几层）因少设置或未设置填充墙、其它楼层多设置填充墙的情况，整体结构实际会形成柔性层，应充分考虑包括填充墙在内的实际层刚度，控制层刚度沿高度的变化率不应太大。•可通过增大框架柱截面尺寸，控制层刚度变化率。但柱会过大。•比较好的方法，可在这些楼层设置一些支撑。影响因素的分析填充墙等非结构构件影响•对于某些楼层（通常为底层或底部几层）因少设置或未设置填充墙、其它楼层多设置填充墙的情况，整体结构实际会形成柔性层，应充分考虑包括填充墙在内的实际层刚度，控制层刚度沿高度的变化率不应太大。•可通过增大框架柱截面尺寸，控制层刚度变化率。但柱会过大。•比较好的方法，可在这些楼层设置一些支撑。影响因素的分析填充墙等非结构构件影响都江堰某框架结构，底层为停车场，未设置填充墙，上部楼层为宾馆客房，设置了大量的填充墙，使上部楼层层刚度显著增大，而底层层刚度则相对变小，形成柔性层，导致底层发生层屈服机制。典型案例分析影响因素的分析填充墙等非结构构件影响典型案例分析柱铰梁铰按纯框架分析影响因素的分析填充墙等非结构构件影响典型案例分析按考虑填充墙后的框架分析柱铰梁铰影响因素的分析填充墙等非结构构件影响典型案例分析按考虑填充墙后的框架分析影响因素的分析填充墙等非结构构件影响•在所有因素中，填充墙对框架结构实现预期“强柱弱梁”屈服机制的影响最大。因为填充墙有一定的结构作用，且布置位置多种多样，使用中又经常被改造。建议：•明确填充墙的抗震设计目标和相应的配套构造措施。•永久性填充墙可作为第一道抗震防线，并应在整体结构分析中给予考虑，宜与主体框架结构结合形成组合墙，或采取必要的水平钢筋拉结、构造柱、水平系梁等措施。•当以“强柱弱梁”作为包括填充墙在内的整体结构抗震的屈服机制设计目标时，预期出铰的框架梁上不应设置填充墙，或填充墙与框架柱之间应预留足够的变形间歇。•用户对填充墙进行拆除改造，需经过设计单位的认可。影响因素的分析楼板影响影响因素的分析楼板影响•楼板与框架梁一起现浇，两者结合良好，共同工作能力强，可显著提高框架梁的抗弯刚度和抗弯承载力•主要体现在两方面：•梁端承受正弯矩时，楼板和框架梁共同组成T型截面，增加了框架梁的受压区宽度，进而增加梁端抗弯承载力和抗弯刚度。•梁端承受负弯矩时，楼板内的配筋相当于增加了框架梁的负弯矩筋，会显著增强框架梁的抗负弯矩承载力。影响因素的分析楼板影响•《抗规》对如何考虑楼板的影响没有做出具体规定•6.2.2条文说明指出，当计算梁端受弯承载力时，若计入楼板内的钢筋、且材料强度标准值考虑一定的超强系数，则可以提高框架结构“强柱弱梁”的程度。影响因素的分析楼板影响•我国工程设计的一些实际做法是，在考虑楼板对框架梁抗弯刚度提高方面，一般将中梁和边梁的刚度分别放大到原框架梁矩形截面刚度的2倍和1.5倍。•框架梁抗弯刚度增大后，由结构分析得到梁端弯矩相应增大，但所增加的配筋全部配置在梁截面内，楼板仍按自身受力另外配筋。•而在按(1)式计算“强柱弱梁”条件时，通常不考虑楼板内与梁肋平行的钢