从钢筋混凝土框架抗倒塌能力看我国抗震规范的改进.pdf

l 2 8 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 7卷第 1期 2 0 1 1 年 2月 从钢筋混凝土框架抗倒塌能力看我国抗震规范的改进 张鑫彝， 张雷明， 刘 西拉 ( 上海交通大学土木工程系 ， 上海2 0 0 2 4 0 ) 摘要： 对我国先后颁布的三部抗震设计规范( T J l 1 7 8 ， G B J 1 1 8 9和 G B 5 0 0 1 l一 2 0 0 1 ) 进行了比较， 分别按三部规范对一 个具体的钢筋混凝土框架进行了设计 ， 并选取多条地震波， 进行了倒塌模拟以及安全性评价。结果表明： 在罕遇地震作用下， 按照规范 ( T J 1 1 7 8 ) 设计 的框架的构件发生脆性破坏并导致倒塌 的情况严重 ， 其抗震安 全性 明显 不足 ； 现行 规范 ( G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 中的一些规定增大了框架截面、 加强了结构侧向刚度， 但是从倒塌模拟的结果来看， 按( G B J 1 1 8 9 ) 设计的结构的侧 向刚度更加合理。为此， 本文认为， 在对老旧钢筋混凝土框架结构加固时， 应着重提高构件的抗剪和抗压承载力， 防止脆性破 坏； 在设计新的钢筋混凝土框架结构时， 应适当放松现行设计规范中弹性层间位移角的要求。 关键词 ： 倒塌模拟； 安全评价 ； 罕遇地震 中图分类号 ： T U 3 7 5 4 文献标识码 ： A 文章编 号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) O 1 1 2 8 O 5 Ev a l u a t i o n o f Ch i n a S s e i s mi c d e s i g n c o de s o n p r e v e n t i n g s e i s mi c c o l l a p s e o f RC f r a me s Z HANG Xi n b e n ZHANG L e i mi n g L I U Xi l a ( D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： T h r e e s e i s m i c d e s i g n c o d e s e d i t e d i n t h e p a s t t h r e e d e c a d e s( T J 1 1 7 8 ， G B J 1 1 8 9 a n d G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) w e r e c o m p a r e d i n t he p r e s e n t pa p e r Ac c o r d i n g t o t h e t hr e e c o d e s， a t y p i c a l RC f r a me wa s d e s i g n e dS e v e r al e a r t hq ua k e wa v e s we r e u s e d f o r e o Ua p s e s i mu l a t i o n a n d s a f e ty e v a l u a t i o n T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a s e i s mi c s a f e t y o f f r a me s d e s i gne d f o l l o w i n g T J 1 17 8 i s o b v i o u s l y i ns u ffi c i e nt ， t h e y c o Ha p s e e a s i l y un d e r s e v e r e e a rth q ua k e s， wh i c h s t a r t s f r o m brit d e f a i l u r e GB5 0 01 12 0 01 r e s u l t s i n e xp a nd e d f r a me c r o s s s e c t i o n s a n d s t r e n h e n e d f r a me s t i ff n e s s ，b u t i t s e e ms n o t r e aso n a b l e a s GB J 1 18 9 d i d I t i s s u g g e s t e d t h a t ，for s o me a g e d RC s t r u c t u r e s t o b e r e i n f o r c e d， s h e a r a n d c o mp r e s s i o n c a p a c i ty s h o u l d b e i mp r o v e d t o p r e v e n t b r i t t l e f a i l u r e ； f o r s o me n e w d e s i gn e d s t r u c t u r e s ， t h e l i m i t a t i o n o n e l a s t i c d ri f t ang l e b e t w e e n t w o a d j a c e n t s t o ri e s s h o u l d b e l o o s e n Ke y wo r ds ： c o Ha p s e s i mu l a t i o n； s afe t y e va l u a t i o n； s e v e r e e a rth q ua ke 0 引 言 随着我国经济水平 的提高， 建筑抗震设计要求 也逐步提高 ， 但是老旧建筑仍大量存在。汶川地震 及其他多次地震震害调查 。 显示 ， 老旧建筑发生倒 塌的现象比较严重， 因此， 对老旧建筑进行抗震安全 评估 ， 对部分老 旧建筑进行加 固是 十分必要 的。同 时， 现行抗震规范中的一些设计要求是否合理 ， 也应 该从结构抗倒塌性能进行考查。 考虑结构倒塌， 所采取的方法措施必须基于对 结构 在极端 条件下 的倒塌破 坏过程 有深刻 的认识 才 能可靠、 有效 。然 而， 目前常用的抗震 性能评价 方法 ， 如考虑材料非线性 的静力分析法 、 有限元时程 收稿日期 ： 2 0 1 0 -01 - 0 5 作者简介 ： 张鑫彝( 1 9 8 5一)， 男 ， 江苏启东人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向 为结构抗震 。 E ma i l ： z h a n g x i n b e n g ma i l C O B 分析法、 增量动力分析方法都是通过变形或者损伤 指标来判定结构倒塌 ， 没有对结构倒塌过程和后果 作深入分析和模拟。本文的研究应用文献 5 提 出 的倒塌模 拟的方 法 ， 比较 了按 照不 同 时期 抗震 规 范 设计的钢筋混凝土框架的抗倒塌能力 ， 不仅为老 旧 建筑的抗震加固提供 了依据 ， 而且对 现行规范进一 步修改提出了建议。 1 不 同抗震规范的差异 比较我 国先后颁布 的 T J 1 17 8 6 J ， G B J 1 1 8 9 7 J ，G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 三部抗震设计规范( 下文中 分别简称为 7 8规范、 8 9规范、 O l 规范) ， 总的看来 ， 随着规范的不断修订 ， 钢筋混凝土框架的刚度和承 载力均逐步得到提高 ， 原 因主要来 自以下几个方面。 ( 1 ) O 1规 范增 加 了设 计基 本 地 震加 速 度 为 o 1 5 g ( 7度) 和0 3 0 g ( 8度) 的地区， 对应的水平地 震影响系数最大值 为 0 1 2和 0 2 4 ， 分别是 8 9 规范中 7度和 8度设防地区采用的水平地震影响系 张鑫彝， 等： 从钢筋混凝土框架抗倒塌能力看我国抗震规范的改进 1 2 9 数最大值的 1 5倍 。因此 ， 这些地 区的设计地震作 用相对过去的 7度和 8度设防地区得到了较大的提 高。 ( 2 ) O l规范的 I， ， 类场地 的特征周 期较 8 9规范有所提高 ， 设计地震作用也随之提高。 ( 3 ) 8 9规范提 出了“ 强柱弱梁 、 强剪弱弯、 强节 点弱构件” 的设计 要求 ， 通过 内力 调整系数来达到 这些设计要求 。这一要求提高了构件的抗剪承载力 和柱 的抗弯承载力。0 l规范扩大了这一措施 的使 用范围并提高 了内力调整 系数 。值得 注意 的是 ， 从 多次震害的情况来看 ， 绝 大多数框架结构破坏情况 为柱端节点破坏 ， “ 强柱弱梁” 并未得以实现。如何 实现“ 强柱弱梁” ， 还需要进一步研究。 ( 4 ) 7 8规范没有变形验算 的要求 ， 柱截面大小 主要 由轴压 比控制 ； 8 9规范提 出了结构变形验算要 求 ， 其中， 钢筋混凝土框架结构的弹性层间位移角限 制为 1 4 5 0 ， 这一措施增大 了框架截面 ， 提高了结构 刚度 ； 0 1规范将钢筋混凝土框架结构的弹性层 间位 移角限值降低为 1 5 5 0 ， 同时又 由于设计地震作用 较 8 9规范有所提高， 使得弹性层间位移角限值成为 控制截面大小的最主要 因素之一 ， 这就要求更大 的 梁柱截面。虽然刚度的提高可 以减小侧向位移 ， 从 而减少 由 P _效应产生的附加弯矩 ， 但是 ， 使结构 在地震 中吸收的能量增加了 ， 因此 ， 提高结构的刚度 有有利 的一面 ， 也有不利的一面， 其合理水平还需要 通过倒塌分析来进一步确定 。 ( 5 ) 随着抗震规范 的更新 ， 梁柱配筋要求 、 箍筋 构造要求都有了不 同程度 的提高 ， 使得构件实际承 载力得到了提高。 下面 ， 用一个具体 的案例来考查这些差异和变 化。 2 按不 同规范设计 的同一案例在罕 遇地震作用下的分析 比较 2 1设计案例介绍 天津市第二毛纺厂中南楼为平面规则 的 3层钢 筋混凝土框架结构 ， 在唐山 7 8级地震中遭受严重 破坏 ， 经局部加 固修复后投产使用 ， 于同年 l 1月 1 5 日6 9级地震 中全部倒塌 。框架立面图和设计地 震作用计算简图如图 1 所示。 现分别按照 7 8规范、 8 9规范和 0 1规范设计 。 设防烈度 为 7度 ( 其 中 O 1规范设 计 地 面加速 度 0 1 5 g ) ， 混凝土分别采用 2 0 0号 ， C 2 5和 C 3 0 ， 纵筋 统一采用 H R B 4 0 0 ， 箍筋统一采用 H P B 2 3 5 。由于缺 乏原建筑详细的设计资料 ， 楼 面活荷载按照荷载规 一丫 F 2 6 _ 十 l ； l 6 - + 图 1 框架立面图 和设计地震作用计算简图 Fi g1 El e va t i o n v i e w o f t he f r a m e【 】 a nd s i m pl i fie d mode l f o r e ar t hqua ke ac t i o n c a l c u l a tio n 范( G B 5 0 0 0 92 0 0 1 ) 中表 C 0 4的要 求 取 4 k N m ， 恒荷载取 4 k N m ( 不包括结构 自重 ) ， 屋 面 活荷载取 2 k N m ， 屋面恒荷载取 2 k N m 。 2 2倒塌模拟方法简介 采用杆系模型 ， 假设破坏集 中在破坏区 ， 其他区 段仍保持弹性状态。分析模 型中， 考虑 了破坏时的 不连续位移场、 倒塌过 程 中的碰撞 和大位移 。 恢复力模型采用带负刚度段 的三线型模 型- 】 如 图 2所示。选取 E l C e n t r o波 、 T a f t 波 和宁河波这三条 地震波中较强的部分作为输入地震波。地震波信息 见表 1 。 F3 、 ： 、 、 、 i 人 F 图 2 恢 复力模型 。 Fi g 2 Hys t e r e t i e m o de l 【 】 表 1 采用的地震波的基本信息 Ta bl e 1 I nf o r mation of e ar t hqua ke wav e s 2 3倒 塌模 拟 的结果 和分 析 2 3 1 引起 倒 塌 的地震 强度 参考 O 1规范规定的时程分析所用罕遇地震加 速度时程曲线最大值 ： 2 2 0 g a l ( 7度 )一3 1 0 g a l ( 7度 半)一 4 0 0 g a l ( 8度)一 5 1 0 g a l ( 8度半)一6 2 0 g a l ( 9 度) ， 对输入地震波进 行调幅。引起各结构发生倒 张鑫彝 ， 等 ： 从钢筋混凝土框架抗倒 塌能力看我 国抗震规范的改进 1 3 l 破坏和构件失效对结构反应 的影响 ， 分析与第一根 脱落的梁右端连接 的节点在 02 5 S内的水平 加 速度， 如图 6所示。 图 6 脱落的梁右端节点的水平加速度 Fi g 6 Ho r i z o n t a l a c c e l e r a t i o n o f t h e n o d e c o n n e c t e d t o t he r i gh t s i de of th e f a i l e d be am 在约 1 5 S 时 ， 与该节点相连接 的梁发生脆性 破坏 ， 在 2 4 S 左右 梁失效并脱落 ， 此时 ， 根据 图 6 可知， 该节点水平方向的加速度发生了突变， 该动力 响应大大超出常规荷载下 的情况。可见 ， 当构件失 效时， 结构会发生内力重分布， 在构件失效瞬间体现 为加速度的突变。随后 ， 有些构件发生过载、 破坏 ， 形成连锁反应 。 按 7 8规范设计的结构与按 8 9规范设计的结构 相 比， 构件抗剪 、 抗拉压承载力明显偏低 ， 因此 ， 很容 易发生脆性破坏。如果将本文算例 中按 7 8规范设 计的结构的抗拉压和抗剪承载力提高到按 8 9规范 设计的水平 ， 比较加 固前后 引起 结构倒塌的地震波 的峰值加速度 ， 见表 3 。 表 3 加 固前后引起倒塌的地震波峰值加 速度 Ta bl e 3 Pe ak a c c e l e r a tio n of th e e a r t hqua ke wa ve s t ha t ka d s t r u c t u r e s t o c o l l a p s e b e f o r e a n d a f t e r r e i nf o r c e m e nt 由表 3可知， 在经过加固后 ， 结构具有了一定 的 抗倒塌能力。 在峰值加速度为 5 1 0 g a l 的 T a f t 波作用下 ， 按照 8 9规范和 O 1规范设计 的结构都发生 了倒塌 ， 倒塌 均始于顶层倾覆 。但是值得 注意 的是 ： 后者发生倒 塌的时间早于前者 ， 两者的顶层侧 向位移时程 曲线 如图7所示 。其原因可以通过 比较地震输入的能量 来分析 。 图 7 按O 1 规范和 8 9规范设计的结构在 T 出 波作用下 顶层侧 向位移 比较 F i g 7 Co mp a r i s o n o f h o r i z o n t a l d i s p l a c e me n t of the t o p o f t h e s t ru c t u r es d e s i g n e d f o l l o wi n g GB5 0 o 1 1 2 0 0 l a n d GBJ l 18 9 u n d e r the mo t i o n o f Ta f t W a Ve 通过下式 ， 计算地震输人能量 ： U = v 式中 为地震输入能量 ； V 为底部剪力 ； s 为底部 位移。 按 O 1 规范设计的结构倾覆前 ， 即在 1 5 S内， 峰值 为 5 1 0 g a l的 T a ft波 输 入 的 能 量 为 1 2 4 7 k N m。 而按 8 9规范设计 的结构在 同样 的地震波作 用下， 1 5 S 中地震输人的能量仅为 8 0 8 k N m。 用 同样 的方法 比较两者在峰值为 5 1 0 g a l 的 E 1 一 C e n t r o 波和峰值为 2 2 0 g a l 的宁河波作用下 1 5 S中地震 输入的能量 ， 如图 8所示。 l I 授0 1 规 范搜计 E Z 按8 9 规范设计 峰值为5 l 0 g a l 的 峰值为5 1 0 g a l 的 峰值为2 2 O 的 T a n 渡 E l C e n U o 波 宁河波 图 8 按 O 1规范和 8 9规 范设 计的 结构在 不 同地 震波 作 用下 1 5 S 地震输入 能量 比较 F i g 8 Co mp a r i s o n o f th e e n e r g y a b s o r b ed b y th e s t ru c t u r e s de s i gn ed f o l l o wi ng GB5 0 ol 120 o1 a n d GBJ 1 l 一8 9 u n d e r the mo ti o n o f d i ffe r e n t wav e s i n t he i ni t i a l 5 S 加 蚰 印 加 0 言 至一 、蛳 、 ， 鳞皑 1 3 2 四川建 筑科学研究 第 3 7 卷 结果表明： 按 0 l 规范设计的结构在地震作用下 吸收的能量大大高于按 8 9规范设计 的结构。这是 因为， 按 0 1规范设计 的结构的刚度与按 8 9规范设 计的结构相 比， 有了较大提高。如果将按 0 1 规范设 计的结构的刚度降低到与按 8 9规范设计的结构一 样 ， 而构件承载力保持不变 ， 导致结构倒塌的地震波 的峰值加速度明显提高 了， 见表 4 。其抗倒塌能力 与按 8 9规范和 O 1 规范设计 的结构相比， 都有了提 升。这说 明， 按 8 9规范设计的结构 的刚度更加合 理 。 表 4 引起各结构倒塌的地震波峰值加速度比较 Ta b l e 4 P e a k a c c e l e r a fi o n o f t h e e a r t h q u a k e wa v e s tha t l e a d s t r uc t ur e s t o c o l l a ps e 3结论和建议 ( 1 )按 7 8规范设计的框架的抗倒塌能力较差。 在一些地震危害较大的地区， 需要对 1 9 9 0年以前设 计建造的框架进行加固。应着重提高构件的抗剪和 抗拉压性能 ， 防止脆性破坏。 ( 2 )按 8 9规范和 0 l 规范设计的框架有一定 的 抗倒塌能力。按 0 l 规范设计 的框架与按 8 9规范设 计的框架相比， 其刚度和承载力都有了较大的提升。 但是， 对于普通多层钢筋混凝土框架， 刚度的提升并 不一定能提高结构的抗倒塌能力。从倒塌分析结果 来看 ， 8 9规范控制的侧 向刚度更加合理 。因此， 建 议适当放松现行规范 中框架结构弹性层间位移角的 要 求 。 参 考 文 献 ： 1 清华大学， 西南交通大学， 北京交通大学土木工程结构专家 组 汶川地震建筑震害分析 J 建 筑结 构学报 ， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 4) ： l - 9 2 刘恢先 唐山大地震震害 M 2版 北京： 地震出版社， 1 9 8 6 陈达生 ， 周锡元 ， 等 云南澜沧一耿 马地震震害论文集 M 北 京 ： 科学出版社 ， 1 9 9 1 4 刘西拉结构工程学科 的现状 与展 望 M 北京 ： 人 民交通 出 版社 ， 1 9 9 7 5 张雷明灾害荷载下结构倒塌机 制研究 D 指导教授 ： 刘西 拉 北京 ： 清华大学土木工程系 ， 1 9 9 9 6 国家基本建设委员会T J 1 1 7 8工业与民用建筑抗震设计规 范 s 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 7 9 7 中华人 民共和国建设部GB J l 1 8 9建筑抗震设计规范 S 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 1 9 8 9 8 中华人民共 和国建设部G B 5 0 0 1 l 一2 0 0 1建筑抗震设计规范 s 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 1 9 中华人民共 和国建设部G B 5 0 0 0 9 -2 0 0 1建筑结构荷载规范 S 北京 ： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 2 1 O 邱彦程钢筋混凝土结构倒塌分析之结果程序 设计与动态演 示 D 指导教授 ： 刘 西拉 上海 ： 上海交 通大 学土木工程 系 ， 2 0 0 4 1 1 L u i s F I b a r r a a n d H e l rn u t K r a w i n k l e r G l o b a l C o U a p s e o f F r a me S t r u c t u r e s u n d e r S e i s mi c E x c i t a ti o n s D B O L h t t p： p e e r b e r k e l e y e d u p u b l i c a t i o n s p e e r _ r e p o r t s