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楼板和填充墙对RC框架结构抗震性能的影响

阎红霞  
【摘要】:汶川地震的震害调查发现许多RC框架结构在地震作用下发生破坏时,并未实现设计预期的“强柱弱梁”失效模式。因此,对其抗震性能进行深入研究显得尤为重要。通常RC框架结构的抗震设计,通过柱端弯矩放大系数调整柱端弯矩设计值,使其大于梁端弯矩设计值,人为提高柱端抗弯承载力,使其在地震作用下梁端先于柱端屈服。柱端弯矩放大系数考虑了楼板对梁端负弯矩承载力的增强作用,但考虑不够全面和准确是造成“强梁弱柱”主要原因之一。另一方面,RC框架结构中填充墙和周边框架作为一个整体共同承受水平荷载的思想已被普遍接受,但目前抗震设计中一般不考虑二者协同工作,忽略了填充墙对结构抗震性能的影响,这种做法并不总是安全的。针对上述问题,本文通过机理研究和数值分析两个方面探讨了楼板对梁端负弯矩承载力和结构抗震性能的影响。同时,从填充墙对结构动力特性、多遇和罕遇地震下对结构抗震性能影响三个方面,就其对RC框架结构的影响进行了探讨。主要的研究内容如下: (1)从梁柱节点角度分析了楼板对梁端负弯矩承载力增强作用的机理;从结构角度分析了侧向荷载作用下楼板对框架结构屈服机制影响的机理,阐明了楼板对梁端负弯矩承载力的增强作用。以有限元软件ABAQUS为平台,对低周反复荷载作用下框架节点的性能进行了数值模拟,分析了受拉区有效翼缘宽度值;建立了带楼板和无楼板的RC框架结构空间有限元模型,通过罕遇地震下弹塑性动力时程分析从结构角度探讨了该宽度取值。 (2)通过对布置填充墙与否的两RC框架结构基本自振周期实测值和由多国规范中经验公式得到的计算值相比较,发现该值的确定应考虑填充墙布置。为了深入探讨填充墙布置的影响,建立了用壳单元(墙角与框架节点铰接)模拟填充墙的RC框架结构有限元模型,通过比较自振周期实测值和有限元动力特性分析值,验证了模型的正确性。在此基础上,针对填充墙不同布置形式,进行结构动力特性分析,发现RC框架结构基本自振周期计算的一些结论:经验公式取结构总高度的函数,系数应考虑首层填充墙的布置;我国规范中简化的瑞利公式较合理,但折减系数还需进一步讨论。 (3)根据水平荷载作用下填充墙和周边框架相互作用受力阶段,填充墙不超过“墙缝连贯”,可满足框架主体“小震不坏”的要求,通过基底剪力对比发现该阶段填充墙采用等效斜撑压杆模型模拟是合理的,并给出了斜撑宽度值。采用该模型对填充墙不同布置(纯框架、填充墙满布、填充墙竖向不均匀和水平不均匀布置)形式的结构进行了弹性动力时程分析,将水平地震力、层间位移、柱轴压力、角柱应变等参数进行对比发现:从框架承受水平地震力角度,采用纯框架模型是安全的,从层位移、柱轴压、角柱应变角度是不安全的。最后为RC框架结构抗震设计提出了合理的建议。 (4)为了研究楼板和填充墙对RC框架结构屈服机制的影响,选取抗震设防烈度7度,柱端弯矩放大系数1.1的两个RC框架结构(较轻和中等震害)为研究对象,对每个结构建立了无楼板、带楼板、带楼板和填充墙共三个有限元模型,进行了弹塑性动力时程分析。罕遇地震下,填充墙墙面裂缝连续贯通等效斜撑模型不再适用,需要采用壳单元(墙角与框架节点间铰接)来模拟。通过对数值模拟结果分析发现:带楼板和填充墙有限元模型分析结果和震害现象基本吻合,表明填充墙模型的合理性;楼板增大了梁端负弯矩承载能力,导致“强柱弱梁”的设计预期较难形成;纯框架模型不能体现填充墙竖向不均匀布置时可能造成的薄弱层;填充墙改变了结构内力分布,对结构屈服机制有一定的影响。


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