汶川地震典型RC框架结构抗倒塌加固效果分析 [1]

陆新征1 马玉虎1 唐代远1 叶列平1 韩强2

1清华大学土木工程系,清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室,北京,100084

2 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京,100022)

摘要:本文以汶川地震震中附近的一栋典型RC框架结构为背景,分别采用普通支撑、BRB支撑、粘滞阻尼器三种加固方案来提高其抗震能力,并采用基于动力增量分析(IDA)的地震倒塌易损性分析方法,对各加固方案的抗倒塌能力及其影响参数进行了分析。结果显示,以结构抗倒塌能力为目标,粘滞阻尼器加固方案的效果好于BRB支撑加固方案,而BRB支撑方案的加固效果要好于普通支撑加固方案;相同参数情况下,A形支撑布置方案的加固效果好于X形支撑加固。

关键词:汶川地震;RC框架结构;倒塌率;防倒塌对策;加固方案

中图分类号:TU352  文献标识码:A

建筑科学与工程学报/Journal of Architecture and Civil Engineering, 2011, 28(2): 21-27.

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Study on the Effect of Strengthening a Typical RC Frame in Wenchuan Earthquake with Attached Substructures

Lu Xin-zheng1, Ma Yu-hu1, Tang Dai-yuan1, Ye Lie-ping1, Han Qiang2

1Department of Civil Engineering, Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry, Tsinghua University, Beijing 100084

2. The Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124

Abstract: This paper is based on a typical RC frame that was closed to the epicenter and collapsed during the Wenchuan Earthquake. The seismic collapse resistance of the frame was strengthened by attached substructures, including conventional brace, BRB brace and viscous damper. Collapse fragility analysis based on incremental dynamic analysis is implemented for each strengthening scheme to compare their effects and to analyze the influence of critical parameters. The results show that the viscous damper performs better than the BRB brace, and the BRB brace performs better than conventional brace. With the same strengthening parameters, the A-shaped bracing scheme is better than the X-shaped scheme.

Keywords: Wenchuan Earthquake, RC frame structure; collapse probability; collapse prevention measure; strengthening.

1       概述

2008年的汶川M8.0级特大地震中,不少地震区遭遇烈度大大超过设防烈度,不仅有大量老旧建筑发生倒塌破坏,很多按01版《抗震规范》设计建造的结构也发生了倒塌[1]。例如:位于汶川地震震中映秀镇附近的漩口中学,其新建教学楼群发生严重破坏,这些框架均是2007年建成,按照我国2001版抗震规范《建筑抗震设计规范GB50010-2001》设计建造[2,3]

汶川地震引起地震工程界对建筑结构抗地震倒塌能力的关注。为提高建筑抗地震倒塌能力,提出了很多抗震加固改造方法,包括增强构件承载力、增强构件延性、基础隔震、附加子结构加固等等。但是,这些抗震加固方法主要是依据现行《抗震规范》的抗震设计目标确定抗震加固程度,而加固后结构的抗地震倒塌能力的改善效果还缺乏定量研究。近年来得到广泛关注的基于动力增量分析IDA的倒塌率方法,为评价不同结构体系的抗倒塌能力提供了相对客观的评价标准[4]IDA方法通过选取一组具有足够代表性的地震波(超过20条),对结构进行动力时程分析,通过不断增大地震动强度直至结构发生倒塌,获得在不同地面运动强度下结构倒塌的易损性,进而对不同结构体系的抗震能力进行评价。本文以漩口中学典型RC框架结构教学楼为背景,基于IDA方法研究不同加固方案的抗倒塌效果,以进一步确定更合理的抗震加固方案。

2       加固方案

漩口中学的建筑群震害情况参见图1,教学楼建筑平面见图2,详细震害现象和结构信息参见文献[5],在其发生倒塌的短轴方向框架采用支撑加固,加固方案包括:加普通支撑、加防屈曲支撑(BRB)和加阻尼器支撑三种方案。普通支撑和BRB支撑加固考虑X形和A形两种布置方案,见图3。为了研究支撑截面和数量对结构抗倒塌能力的影响,每种支撑布置方案又分为以下五种工况:

工况1:采用I25A钢支撑,每2榀框架安装一套支撑(工况代号:I25

工况2:采用I20A钢支撑,每2榀框架安装一套支撑(工况代号:I20

工况3:采用I20A钢支撑,每4榀框架安装一套支撑(工况代号:I20-1/2

工况4:采用I20A钢支撑,每8榀框架安装一套支撑(工况代号:I20-1/4

工况5:采用I20A钢支撑,每12榀框架安装一套支撑(工况代号:I20-1/6

对于工况5,由于该教学楼的横向教室数量有限,做不到每6个教室加1副支撑,这里仅作为理论研究。

图1 某中学建筑震害示意图(网络照片)

1 某中学建筑震害示意图(网络照片)

Fig.1 Seismic damage of buildings in a middle school

图2 教学楼平面简图

2 教学楼平面简图

Fig.2 Plan of the Classroom Building

对于BRB支撑加固方案,为了方便与普通支撑加固方案进行比较,采用与普通支撑加固方案相同的布置形式和分析工况,并且各方案中支撑截面积、屈服强度均与普通支撑加固方案相同。

阻尼器支撑加固方案如图4所示,每2榀框架安装一套速度型阻尼器,阻尼器的出力方式为:

                                     (1)

式中,D为阻尼参数;V为速度。变化不同的阻尼参数DD=1.0×105~2.5×106 N/(m/s)),研究阻尼力对结构抗倒塌能力的影响。

图3 漩口中学教学楼加固方案 图3 漩口中学教学楼加固方案 图4 阻尼器安装方式

X型布置

A型布置

 

3 漩口中学教学楼加固方案

Fig.3 Strengthening scheme of the Classroom Building

4 阻尼器安装方式

Fig.4 Installation of the viscous damper

IDA分析所采用的地震波为美国ATC-63建议的22条远场地震波[6],再补充常用的El-Centro波,采用THUFIBER程序[7]建立结构分析模型。分析模型考虑了基础和楼板的影响,详见[5]。为考虑箍筋约束影响,核心区混凝土本构采用Bousalem[8]提出的适用于钢筋混凝土构件的箍筋约束混凝土模型。基于THUFIBER程序优异的非线性计算能力,本文直接以“结构楼层丧失竖向承载力而不能维持保障人员安全的生存空间”[7]为结构倒塌的判据。

3       普通支撑加固方案

3.1  普通支撑滞回模型

普通支撑的滞回模型采用图5所示的模型[9],图中K0+Ku+为支撑的初始刚度和卸载刚度,Ny+Nu+Ny-Nu-分别为支撑在受拉、受压方向的屈服强度和峰值强度;eyep为屈服和峰值应变;eclose为捏拢段终点应变;emaxNmax0+分别为支撑在受拉方向经历的最大拉应变和对应的轴力;d+为损伤累积系数;Eh,eff为有效累积塑性耗能;abgacakhwhchsoftCkdmaxksoft为无量纲系数,含义详见文献[9]。该模型的主要特点包括:可以考虑支撑构件的屈服、强化、软化特性;可以考虑支撑构件的捏拢特性;可以考虑构件在往复加载下的累积损伤特性;可以考虑正向、反向屈服强度不同特性;可以考虑卸载刚度退化特性;可以考虑支撑受压失稳等各种特性。

图5 钢支撑的滞回模型

5 钢支撑的滞回模型

Fig.5 Hysteresis model of Steel Brace

3.2  推覆分析结果

首先采用推覆分析了解加支撑后对结构受力和变形模式的影响。推覆方向为向左(较为不利的方向[2]),分析得到各加固工况的基底剪力-顶点位移曲线如图6所示。采用普通支撑加固后,结构的刚度和承载力都有明显提高,且随着支撑加固量的增加而增大,但是同时结构的延性却随着支撑加固量的增加有所降低,这是因为设置支撑后会增加框架柱的轴压力,而对于该框架结构,柱子轴压比已接近极限轴压比[5],故轴压力进一步增加会导致柱的延性降低,这是支撑加固对结构抗震可能产生的不利影响。故由推覆分析可知,采用支撑加固后,既有有利作用(结构承载力提高),也有不利作用(结构刚度增大,地震力增大;而延性却降低),故仅根据推覆分析结果很难对结构抗震加固效果进行评判。为了进一步对比不同加固方案的效果,以下对各加固工况进行IDA倒塌率分析。

图6 普通支撑方案推覆分析结果图6 普通支撑方案推覆分析结果  

6 普通支撑方案推覆分析结果

Fig.6 Push-over result of conventional brace strengthening scheme

3.3  IDA倒塌率分析结果

通过IDA倒塌率分析得到普通支撑加固后各加固工况倒塌率的对比如图7和表1所示,图7中的纵坐标为倒塌率,即在某一地震强度下发生倒塌的地震动记录数量和总地震动记录数量的比例。横坐标为地震动强度指标,本文采用第一周期谱加速度Sa(T1)作为地震动强度指标,根据文献[2][6][7]的研究,该指标离散度较小且周期适用性较广。表1中的参数CMR为倒塌储备安全系数(Collapse Margin Ratio),即相应结构倒塌率为50%时的地震动强度和设计大震地震动强度的比值[4]

CMR= Sa(T1)50%/ Sa(T1) MCE                                            (2)

式中,Sa(T1) 50%为有50%地震输入出现倒塌对应的地面运动强度;如果结构在某一地面运动强度下,有50%的地震输入发生了倒塌,则该地震动强度就是结构体系的平均抗倒塌能力Sa(T1) 50%Sa(T1) MCE为规范建议罕遇地震下的地震动强度参数CMR是结构抗倒塌能力的评价指标,CMR值越大,表示结构抗倒塌的储备越高,即抗倒塌能力越大。

图7 普通支撑方案IDA倒塌率曲线
图7 普通支撑方案IDA倒塌率曲线

(a) X型支撑加固

(b) A型支撑加固

7 普通支撑方案IDA倒塌率曲线

Fig.7 Collapse possibility curve of conventional brace strengthening scheme

1 普通支撑加固方案的倒塌率计算结果

Tab.1 Collapse possibility of conventional brace strengthening scheme

分析工况

X型支撑布置

A型支撑布置

CMR

Sa(T1)/Sa(T1),MCE

CMR

Sa(T1)/Sa(T1),MCE

1.0(大震)

2.0(特大震)

1.0(大震)

2.0(特大震)

I25

4.05

0.0%

0.0%

4.05

0.0%

0.0%

I20

3.91

0.0%

0.0%

4.28

0.0%

0.0%

I20-1/2

4.02

0.0%

0.0%

4.49

0.0%

0.0%

I20-1/4

4.91

0.0%

0.0%

4.49

0.0%

0.0%

I20-1/6

4.74

0.0%

1.5%

4.49

0.0%

0.0%

由图7可知,增加普通支撑后,结构在大震(Sa(T1)=Sa(T1),MCEMCEMaximal Considered Earthquake,设计大震)下的倒塌概率明显降低,在特大震(Sa(T1)=2Sa(T1), MCE)时效果也很好。但是当地震强度继续增大(Sa(T1)>4Sa(T1),MCE)时,倒塌率反而增大(图7),其原因分析如下:

对于RC框架结构,附加支撑有两方面效果,一方面添加支撑后结构的承载力提高,且支撑具有耗能能力,从而可改善结构的抗倒塌能力。另一方面支撑会增大结构的刚度,增加地震力,且更不利的是会增加柱子的轴压力,使得柱子的变形能力降低,反而会影响结构的抗倒塌能力。

一般说来,如果一条地震动的能量输入比较稳定,或者地震强度较小时,结构倒塌前经历的往复振动次数多,这时普通支撑的耗能作用发挥得比较好,可使结构抗倒塌能力有所改善。而对于脉冲型地震,或者地震强度较大时,结构很快就破坏,支撑的耗能效果出不来,增加轴力的不利因素反而成了主导。

加支撑结构的典型倒塌破坏模式如图8所示。其中图8a加为支撑后效果明显改善的破坏模式,其输入地震动记录为Kobe,Japan,1995。无支撑结构当Sa≥2.5m/s时就发生倒塌,而有支撑结构在Sa≥4.9m/s时才发生倒塌。在该地震动输入下,在结构发生倒塌时(11~12s),已经往复振动多次,支撑可充分发挥其耗能作用,且结构塑性铰分布较均匀,也提供了较大的耗能能力。而图8b为在Duzce,Turkey,1999地震动输入,无支撑结构当Sa≥7.35m/s时发生倒塌,而有支撑结构在Sa≥4.9m/s时就发生倒塌,加支撑后结构抗倒塌能力反而降低。这是由于在Duzce,Turkey,1999地震动为典型的脉冲型地震,在该地震动输入下仅经历了第一个脉冲后,教室一侧的边柱柱顶即因轴压力和变形过大而发生破坏,支撑的耗能能力发挥很有限,抗倒塌能力反而降低,且倒塌时结构自身的塑性铰数量也很少,塑性程度也很小。

图8 加支撑结构的破坏模式
图8 加支撑结构的破坏模式

( 梁中塑性铰, 柱中塑性铰, 破坏部位)

(a) Kobe,Japan,1995地震动输入

(b) Duzce,Turkey,1999地震动输入

加支撑结构的破坏模式

Fig.8 Failure mode of conventional brace strengthened structure

对于不同支撑形式,以I20工况为例,倒塌率分析结果对比如图9所示。从图中可以看出,同样的支撑数量和截面,A形支撑的效果要好于X形支撑。这是因为X形支撑很容易增大底层柱子的轴压力,进而给结构抗倒塌带来不利影响。

图9 普通支撑方案IDA倒塌率曲线对比

9 普通支撑方案IDA倒塌率曲线对比

Fig.9 Comparison among collapse possibility curves of conventional brace strengthening schemes

4       BRB支撑加固方案

4.1  BRB支撑模型

考虑采用防屈曲支撑(BRB支撑)对结构进行加固,BRB支撑的滞回模型取平行四边形模型[10]。为与普通支撑加固方案比较,BRB支撑的截面面积和屈服强度的取值与普通支撑相同。

4.2  推覆分析结果

BRB支撑加固后的框架进行了推覆分析,推覆方向为向左(较为不利的方向),分析得到的各个方案的基底剪力-顶点位移曲线见图10所示。可见与普通支撑加固的情况类似,BRB支撑加固后,结构的刚度和承载力都有明显提高,但延性显著降低。

(a)X型BRB支撑加固
(b)A型BRB支撑加固

(a)XBRB支撑加固

(b)ABRB支撑加固

10 BRB支撑方案推覆分析结果

Fig.10 Push-over result of BRB brace strengthening scheme

4.3  IDA倒塌率分析

BRB支撑加固后的框架进行IDA倒塌率分析,计算结果如图11和表2。从图11可以看出,其结果与普通支撑加固情况比较相似,在大震和特大地震下倒塌率有明显降低。在更大的地震下倒塌率又反而可能会增加,其原因与普通支撑类似。

进一步,以I-20工况为例,A形和XBRB支撑的对比如图12所示,从图中可以看出,同样的BRB数量,人字形(A形)的效果同样要好于X字形的效果。这与普通支撑形式加固效果的结论是一致的。

2 BRB支撑方案倒塌率计算结果

Tab.2 Collapse possibility of BRB brace strengthening scheme

分析工况

X型支撑布置

A型支撑布置

CMR

Sa(T1)/Sa(T1),MCE

CMR

Sa(T1)/Sa(T1),MCE

1.0(大震)

2.0(特大震)

1.0(大震)

2.0(特大震)

I25

3.76

0.0%

4.6%

3.96

0.0%

0.0%

I20

4.13

0.0%

1.5%

4.46

0.0%

0.0%

I20-1/2

4.37

0.0%

0.0%

4.99

0.0%

0.0%

I20-1/4

4.51

0.0%

1.5%

4.93

0.0%

1.5%

I20-1/6

4.77

0.0%

1.5%

4.70

0.0%

1.5%

   

(a)XBRB支撑加固

(b)ABRB支撑加固

图11 BRB支撑方案IDA倒塌率曲线图11 BRB支撑方案IDA倒塌率曲线

11 BRB支撑方案IDA倒塌率曲线

Fig.11 Collapse possibility curve of BRB brace strengthening scheme

图12 BRB支撑方案倒塌率曲线比较
图12 BRB支撑方案倒塌率曲线比较

(a) A形与XBRB支撑方案对比(全图)

(b) A形与XBRB支撑方案对比(局部放大)

12 BRB支撑方案倒塌率曲线比较

Fig.12 Comparison among collapse possibility curves of BRB brace strengthening schemes

把效果较好的BRB支撑加固(I20-1/2I20-1/4)分析结果和普通支撑加固分析结果进行对比,如图13所示。可以看出,同样的支撑面积,BRB支撑加固的效果总体比普通支撑要好,这是由于BRB在一个循环里面耗散的能量比普通支撑大。

图13 BRB支撑与普通支撑方案倒塌率曲线比较
图13 BRB支撑与普通支撑方案倒塌率曲线比较

(a) BRB支撑与普通支撑方案比较(全图)

(b) BRB支撑与普通支撑方案比较(局部)

13 BRB支撑与普通支撑方案倒塌率曲线比较

Fig.13 Comparison between collapse possibility curves of BRB brace and conventional brace strengthening schemes

5       阻尼器加固方案

对阻尼器加固后的框架进行了IDA倒塌率分析,变换不同的阻尼参数D(式1),分析得到的倒塌率结果见图14和表3。可见采用阻尼器方案后,结构的抗倒塌能力明显提高,且阻尼器出力越大,防倒塌效果越好。

3 加阻尼器方案倒塌率计算结果

Tab.3 Collapse possibility of damper strengthening scheme

D

CMR

Sa(T1)/Sa(T1),MCE

1.0(大震)

2.0(特大震)

2.5×106

8.22

0.0%

0.0%

1.2×106

7.77

0.0%

0.0%

0.5×106

6.57

0.0%

1.5%

0.2×106

5.66

0.0%

1.5%

0.1×106

4.73

0.0%

1.5%

图14 加阻尼器方案IDA分析结果
图14 加阻尼器方案IDA分析结果

(a) 不同阻尼器参数比较(全图)

(b) 不同阻尼器参数比较(局部)

14 加阻尼器方案IDA分析结果

Fig.14 Collapse possibility curve of damper strengthening scheme

通过比较图71114,综合说来,A型支撑的抗倒塌效果优于X型支撑;BRB支撑的抗倒塌效果优于普通支撑;加阻尼器后结构的抗倒塌效果有显著提高,效果优于加普通支撑和BRB支撑方案。

6       结论

本文分别采用普通支撑、防屈曲支撑和阻尼器的加固方案,对汶川地震中典型RC框架结构的加固效果进行了分析,得到以下结论:

(1) 同样的支撑面积,阻尼器加固方案的效果好于BRB支撑加固方案,而BRB支撑加固方案的效果要好于普通支撑加固方案。阻尼器出力越大,抗倒塌效果越好。A形支撑布置方案相对X形支撑对框架结构加固更加有利。

(2) 对于普通支撑和BRB支撑加固方案,支撑在地震中起到耗能(有利因素)和增大柱子轴力(不利因素)两个作用,在大震和特大地震下倒塌率有明显降低,在超大地震下倒塌率又反而可能会增加,需要根据工程实际情况选择合适的加固方案。对于加阻尼器方案,在各个地震动强度下倒塌率均显著降低。

参考文献

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[2]        叶列平, 陆新征, 赵世春, 李易. 框架结构抗地震倒塌能力的研究——汶川地震极震区几个框架结构震害案例的分析[J]. 建筑结构学报, 2009, 30(6): 67-76.
Ye LP, Lu XZ, Zhao SC, Li Y. Seismic collapse resistance of RC frame structures ----Case studies on the seismic damage of several RC frame structures under extreme ground motion in Wenchuan Earthquake [J]. Journal of Building Structures, 2009, 30(6): 67-76.

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[10]     程光煜. 基于能量抗震设计方法及其在钢支撑框架结构中的应用[D]. 清华大学, 2007.
Cheng GY. Study on energy-based seismic design methodology and application in steel braced frames [D]. Tsinghua University, 2007.



[1] 基金项目:国家科技支撑计划项目(2009BAJ28B01);工程院重大咨询项目(编号:2010-ZD-4);国家自然科学基金重点项目资助(90815025);“城市与工程安全减灾教育部重点实验室开放基金项目、北京市重点实验室开放基金项目”(编号:EESR2010-03

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