林君

(1．福建省建筑科學(xué)研究院福建福州350025;2.福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室福建福州350025)

既有鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的Pushover分析
——基于不同施工質(zhì)量狀況

林君1，2

(1．福建省建筑科學(xué)研究院福建福州350025;2.福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室福建福州350025)

通過工程具體實例，對典型的既有鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震鑒定，根據(jù)現(xiàn)場對整體結(jié)構(gòu)的實際檢測結(jié)果并利用邁達(dá)斯系列軟件Midas Building對其進(jìn)行多遇地震作用下的彈性分析及罕遇地震作用下的Pushover分析，得到其在彈塑性階段的地震反應(yīng)特征。分析比較了既有鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在框架柱、梁構(gòu)件兩端箍筋間距滿足與不滿足(實測箍筋間距較設(shè)計偏大)設(shè)計要求的情況下兩種模型的不同計算結(jié)果，進(jìn)一步表明房屋施工質(zhì)量缺陷對結(jié)構(gòu)自身抗震性能存在不可忽略的影響，同時也為主體結(jié)構(gòu)下一步的維修加固提供了真實、有效的數(shù)據(jù)分析結(jié)果及理論計算依據(jù)。

框架結(jié)構(gòu);施工質(zhì)量;抗震性能設(shè)計;彈塑性分析

0 引言

隨著人類經(jīng)濟(jì)、技術(shù)水平的不斷提高，我們也在不斷研究開發(fā)符合時代水平的抗震設(shè)計方法，但目前已有的抗震計算方法和抗震構(gòu)造的相關(guān)措施，在結(jié)構(gòu)遭遇罕遇地震情況下，仍很難保證“大震不倒”。因此，正確了解結(jié)構(gòu)在地震中的破壞狀況，掌握結(jié)構(gòu)在地震時的全過程反應(yīng)，清楚結(jié)構(gòu)的薄弱樓層和薄弱構(gòu)件，這些關(guān)鍵問題的研究在抗震設(shè)計過程中顯得非常重要。因此，在設(shè)計新結(jié)構(gòu)或鑒定加固既有建筑的過程中，基于建筑結(jié)構(gòu)的非線性特性來分析和追蹤結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時響應(yīng)的全過程，有利于工程師們及時發(fā)現(xiàn)實際過程中結(jié)構(gòu)抗震的薄弱樓層和構(gòu)件，這種分析方法是一種極具效力檢驗結(jié)構(gòu)遭遇地震所能抵抗倒塌能力的有效方法。本文將通過對一棟既有鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震鑒定，通過非線性分析，得出其在罕遇地震作用下，在不同施工質(zhì)量狀況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步加固維修提供理論依據(jù)。

1 工程概況

某一中學(xué)學(xué)生宿舍樓為8層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，靜壓沉管灌注樁基礎(chǔ)，位于抗震設(shè)防7度區(qū)(0.10g)，Ⅲ類場地類別，地震分組二組，重點設(shè)防類，框架抗震等級一級，2005年建成并投入使用至今。

結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置示意圖，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置示意圖(mm)

2 現(xiàn)場主要檢查結(jié)果

(1)建筑及結(jié)構(gòu)布置檢查:現(xiàn)場實測建筑、結(jié)構(gòu)平立面布置與委托方提供的竣工圖紙資料基本一致。上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土多跨雙向框架結(jié)構(gòu)體系，無砌體結(jié)構(gòu)相連，框架梁縱橫向拉通、對直，框架柱縱橫向?qū)R，上下對中，梁、柱節(jié)點連接方式正確，傳力路線基本明確，形成完整系統(tǒng)。

(2)地基基礎(chǔ)檢測:該工程設(shè)計采用靜壓沉管灌注樁，現(xiàn)場檢查上部結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)因基礎(chǔ)不均勻沉降引起的裂縫，觀察建筑物基礎(chǔ)周邊地面，未見明顯沉陷。

(3)上部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件工作狀態(tài):柱、梁及板構(gòu)件未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫及變形，梁、柱節(jié)點無明顯缺陷。

(4)建筑物的側(cè)向位移:根據(jù)現(xiàn)場條件布置10個測點量測建筑物的側(cè)向位移，數(shù)據(jù)表明，結(jié)構(gòu)整體側(cè)移方向無明顯一致性，現(xiàn)階段所測測點側(cè)向位移均未超過規(guī)范［1］規(guī)定的限值要求(H/450，H為結(jié)構(gòu)頂點高度)。

(5)構(gòu)件截面尺寸檢測:抽取部分梁、柱構(gòu)件量測其截面尺寸。數(shù)據(jù)表明，所檢柱、梁構(gòu)件截面尺寸與設(shè)計圖紙基本相符。

(6)構(gòu)件混凝土強度檢測:現(xiàn)場抽檢部分鋼筋混凝土框架柱、梁構(gòu)件采用回彈法進(jìn)行現(xiàn)齡期砼抗壓強度檢測。檢測結(jié)果表明，鋼筋混凝土框架柱構(gòu)件混凝土強度推定值為31.2MPa～32.6MPa，鋼筋混凝土框架梁構(gòu)件混凝土強度推定值為25.8MPa～28.9MPa，均滿足設(shè)計及規(guī)范［2－3］規(guī)定的最低限值要求(≥C20)。

(7)主筋配置檢測:現(xiàn)場抽檢部分鋼筋混凝土框架柱、梁構(gòu)件進(jìn)行角筋規(guī)格及主筋根數(shù)檢測。數(shù)據(jù)表明，所檢鋼筋混凝土框架柱、梁構(gòu)件角筋規(guī)格及主筋根數(shù)均滿足設(shè)計要求。

(8)箍筋配置檢測:根據(jù)委托方提供的竣工圖紙，該工程鋼筋混凝土框架柱構(gòu)件箍筋配置為4Φ10@ 100/200，鋼筋混凝土框架梁構(gòu)件箍筋配置為4Φ8@ 100/200?，F(xiàn)場抽檢部分梁、柱構(gòu)件進(jìn)行箍筋加密區(qū)長度及加密區(qū)間距配置檢測。數(shù)據(jù)表明，大部分所檢鋼筋混凝土框架柱、框架梁構(gòu)件兩端箍筋均未見明顯加密，實測柱、梁箍筋間距為230mm～250mm之間，不滿足規(guī)范［2－3］規(guī)定的柱、梁兩端箍筋加密區(qū)間距的最低限值要求(≤100mm)，施工質(zhì)量存在偏差。

(9)鋼筋力學(xué)性能檢測:抽取1根鋼筋混凝土框架梁構(gòu)件，截取1根22梁底縱向鋼筋進(jìn)行力學(xué)性能試驗。數(shù)據(jù)表明，所檢鋼筋力學(xué)性能滿足規(guī)范［4］要求。

(10)圍護(hù)系統(tǒng)檢測:現(xiàn)場檢查未發(fā)現(xiàn)填充墻體存在明顯變形及裂縫，與框架連接良好，沿墻高均設(shè)置拉結(jié)鋼筋，其余圍護(hù)系統(tǒng)諸如女兒墻、走廊欄板、樓梯欄板、門窗框、室外及屋面排水溝等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件工作狀況基本正常。

(11)抗震措施鑒定:結(jié)構(gòu)抗震措施鑒定結(jié)果，如表1所示。

表1 抗震措施鑒定結(jié)果匯總表

3 抗震承載能力驗算分析

(1)計算參數(shù)

計算分析軟件:邁達(dá)斯系列軟件—Midas Building

樓面恒載:根據(jù)設(shè)計板厚及考慮實際板面與板底裝修情況取值。

活荷載:根據(jù)現(xiàn)行荷載規(guī)范，宿舍取2.0kN/m2，陽臺、衛(wèi)生間取2.5kN/m2，樓梯取3.5kN/m2，不上人屋面取0.5kN/m2。

材料強度:框架柱、梁、板混凝土強度等級均按設(shè)計取值;框架柱、梁主筋強度設(shè)計值按300MPa考慮，框架柱、梁箍筋以及板筋強度設(shè)計值按210MPa考慮。

箍筋間距:柱、梁構(gòu)件箍筋間距按現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)250mm考慮。

(2)多遇地震作用下結(jié)算結(jié)果

多遇地震作用下整體結(jié)構(gòu)抗震承載能力計算結(jié)果，如表2所示。

表2 計算結(jié)果匯總表

由表2可知，結(jié)構(gòu)底層抗剪承載力比值不滿足規(guī)范要求，出現(xiàn)薄弱層，且一層～八層框架柱實測箍筋配置不滿足計算配筋要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力驗算未能通過。

(3)抗震鑒定結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)、承載能力驗算分析等抗震鑒定結(jié)果，該工程在多遇地震作用下結(jié)構(gòu)抗震性能不符合規(guī)范要求。委托方應(yīng)及時對不滿足設(shè)計要求的柱、梁箍筋采取措施進(jìn)行處理。

(4)結(jié)論分析

該工程案例現(xiàn)場檢測時結(jié)構(gòu)構(gòu)件工作狀況基本正常，結(jié)構(gòu)平立面布置比較均勻、規(guī)則，傳力路徑明確，形成完整系統(tǒng)。但是框架柱、梁構(gòu)件兩端箍筋加密區(qū)范圍內(nèi)未按設(shè)計要求進(jìn)行必要的箍筋加密。

眾所周知，箍筋在混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中扮演了重要的角色，它用來連接受力主筋和受壓區(qū)混凝土使其共同工作，橫向箍筋通過減小縱向鋼筋的自由長度，防止縱向鋼筋受力后壓屈，充分發(fā)揮其抗壓強度，同時也起到固定縱向鋼筋位置的作用;橫向箍筋還能起到抗剪的作用，還能夠有效抑制結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生的斜裂縫進(jìn)一步擴展，增大了腹部結(jié)構(gòu)混凝土的骨料咬合力;還對縱向鋼筋受力作用下對混凝土保護(hù)層的撕脫產(chǎn)生了很強的約束;同時，縱向鋼筋與腹筋形成的骨架使內(nèi)部混凝土受到約束，也利于抗剪;長期荷載作用下，橫向箍筋可以承受因混凝土收縮和環(huán)境濕度變化等產(chǎn)生的橫向應(yīng)力，以防止或減少縱向裂縫［5］。

汶川地震后，中鐵八局的姚輝與中國建筑科學(xué)研究院的徐有鄰對汶川地震中建筑結(jié)構(gòu)震害現(xiàn)象進(jìn)行分析。在其論文中，對比了配箍密集柱與箍筋配置很少的柱的不同震害表現(xiàn)，配置箍筋對柱梁的抗震性能影響很大，立柱配置箍筋少，容易在地震反復(fù)作用下造成混凝土產(chǎn)生裂縫，發(fā)生破碎，甚至發(fā)生坍塌，原因在于得不到箍筋的圍箍，捆綁約束，致使混凝土壓碎散落，縱筋屈服，導(dǎo)致立柱失穩(wěn)倒塌。而配箍配置比較密集的立柱沒有表現(xiàn)得那么脆弱，盡管在地震反復(fù)作用下也出現(xiàn)混凝土碎裂，但是在密集箍筋的圍箍作用下，捆綁加破碎的混凝土并未散落而繼續(xù)承受壓力，柱子也因此沒有倒塌而維系了結(jié)構(gòu)的安全。

鑒于此，為了驗證加密區(qū)箍筋間距在結(jié)構(gòu)理論計算中所起的作用，在該工程實例中，框架柱、梁兩端箍筋加密區(qū)間距按設(shè)計100mm取值，重新代入驗算。經(jīng)驗算，一層～八層框架柱設(shè)計箍筋配置均滿足計算要求，計算通過。

(5)靜力彈塑性分析

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計方法無法細(xì)致地反映整體結(jié)構(gòu)在地震作用下所表現(xiàn)出來的抗震性能，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件在大震作用下可能形成的屈服類型及延性指標(biāo)無法準(zhǔn)確獲得，對結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步維修加固無法提供更加詳盡的分析結(jié)果。同時，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計采用的地震力取值可能偏低，如汶川地震中發(fā)生之前，該地區(qū)的設(shè)防烈度在6度以下，但是實際發(fā)生地震的烈度遠(yuǎn)大于6度。從汶川災(zāi)后現(xiàn)場大量的框架結(jié)構(gòu)損壞程度來看，目前我國依據(jù)承載力和構(gòu)造保證延性的抗震設(shè)計方法并不十分完善，仍然需要進(jìn)一步研究［6－8］。

綜合以上分析，決定對該工程進(jìn)行靜力彈塑性分析，以期獲得結(jié)構(gòu)在大震作用下結(jié)構(gòu)屈服后的響應(yīng)、極限承載能力以及了解結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出鉸順序，為下一步的維修加固提供指導(dǎo)意見［9－10］。本研究進(jìn)行彈塑性分析使用的軟件仍舊是邁達(dá)斯系列軟件——Midas Building，該計算軟件在計算分析中提供構(gòu)件在各分析步驟上出現(xiàn)的狀態(tài)順序為:出現(xiàn)塑性鉸(B)－直接居住極限狀態(tài)(IO)－生命安全極限狀態(tài)(LS)－坍塌極限狀態(tài)(C.D)。為了驗證既有鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在不同施工質(zhì)量水平下的抗震性能，本研究計算模型仍舊采用設(shè)計箍筋間距(以下簡稱模型一)與實測箍筋間距(以下簡稱模型二)分別輸入分析。分析結(jié)果如下:

①建立模型，模型簡圖如圖2所示。

圖2 Midas Building模型簡圖

②邊界條件

合理的邊界條件決定了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)本研究的對象，各個柱腳處面設(shè)置為剛接。

③計算結(jié)果

a.層剪力與層間位移角

計算結(jié)果表明，模型一X、Y向彈塑性工況下最大層間剪力分別為2 910kN、3 629kN，模型二X、Y向彈塑性工況下最大層間剪力分別為2 965kN、3 469kN，X、Y向最大層間剪力分別增長了1.89％、－5.51％;模型一X、Y向彈塑性工況下最大層間位移角分別為0.02 661、0.01 962，模型二X、Y向彈塑性工況下最大層間位移角分別為0.03 867、0.03 435，X、Y向最大層間位移角分別增長了45.3％、75.1％。主要計算結(jié)果，如圖3～圖6所示。

b.結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出鉸順序及變形極限狀態(tài)驗算分析

計算結(jié)果表明，模型一與模型二在X向靜力彈塑性工況作用下構(gòu)件達(dá)到直接居住極限狀態(tài)和生命安全極限狀態(tài)的出鉸順序基本一致，但模型一構(gòu)件達(dá)到坍塌極限狀態(tài)時，較模型二推遲了兩個步長，且各出鉸步驟中模型二出現(xiàn)塑性鉸的構(gòu)件數(shù)均較模型一多。

圖3 模型一X向?qū)蛹袅Γ瓕娱g位移角計算結(jié)果

圖4 模型一Y向?qū)蛹袅Γ瓕娱g位移角計算結(jié)果

圖5 模型二X向?qū)蛹袅Γ瓕娱g位移角計算結(jié)果

圖6 模型二Y向?qū)蛹袅Γ瓕娱g位移角計算結(jié)果

模型一與模型二在Y向靜力彈塑性工況作用下構(gòu)件達(dá)到直接居住極限狀態(tài)和生命安全極限狀態(tài)的出鉸順序基本一致，且在整個分析步驟中模型一構(gòu)件未達(dá)到坍塌極限狀態(tài)，模型二在第24分析步驟時構(gòu)件達(dá)到倒塌狀態(tài)。同樣的，各出鉸步驟中模型二出現(xiàn)塑性鉸的構(gòu)件數(shù)均較模型一多。

主要計算結(jié)果圖形，如圖7～圖14所示。(注:限于篇幅關(guān)系，下列結(jié)果圖形為分別從模型一和模型二各抽取的一榀中間框架X向靜力彈塑性計算結(jié)果圖形。)

圖7 模型一第3分析步驟時構(gòu)件出現(xiàn)塑性鉸

圖8 模型二第3分析步驟時構(gòu)件出現(xiàn)塑性鉸

圖9 模型一第9分析步驟時構(gòu)件達(dá)到直接居住極限狀態(tài)

圖10 模型二第9分析步驟時構(gòu)件達(dá)到直接居住極限狀態(tài)

圖11 模型一第13分析步驟時構(gòu)件達(dá)到生命安全極限狀態(tài)

圖12 模型二第13分析步驟時構(gòu)件達(dá)到生命安全極限狀態(tài)

(6)靜力彈塑性結(jié)論分析

綜合a、b的計算分析結(jié)果，鑒于該工程框架柱、框架梁構(gòu)件兩端箍筋未按設(shè)計要求進(jìn)行加密，存在較明顯的施工質(zhì)量偏差，在大震作用下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性鉸的時間加快，出現(xiàn)塑性鉸的數(shù)量增多，結(jié)構(gòu)水平變形加大，房屋出現(xiàn)倒塌的概率大大增加，結(jié)構(gòu)抗震性能降低。

圖13 模型一第20分析步驟時構(gòu)件達(dá)到坍塌極限狀態(tài)

圖14 模型二第18分析步驟時構(gòu)件達(dá)到坍塌極限狀態(tài)

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計方法無法細(xì)致地反映整體結(jié)構(gòu)在地震作用下所表現(xiàn)出來的抗震性能，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件在大震作用下可能形成的屈服類型及延性指標(biāo)無法準(zhǔn)確獲得，對結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步維修加固無法提供更加詳盡的分析結(jié)果。靜力彈塑性分析是基于性能的抗震設(shè)計中最具代表性的分析方法，因為計算效率較高和操作簡單、理論概念清晰等原因被廣大結(jié)構(gòu)工程師們所普遍運用。對典型既有鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震鑒定，Pushover分析結(jié)果表明房屋施工質(zhì)量缺陷對結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)后塑性鉸的出餃順序及延性性能的影響均不可忽略，為主體結(jié)構(gòu)下一步的維修加固提供了真實、有效的數(shù)據(jù)分析結(jié)果及理論計算依據(jù)。

［1］GB 50292－1999民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006．

［2］GB 50023－2009建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009．

［3］GB 50011－2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010．

［4］GB 1499．2－2007鋼筋混凝土用鋼第2部分:熱軋帶肋鋼筋［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007．

［5］霍維捷．日本建筑結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)現(xiàn)狀［J］．上海建設(shè)科技，2005(06):17－19．

［6］沈聚敏，周錫元，高小旺，等．抗震工程學(xué)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000．

［7］楊仕升，郝效強，秦榮．鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震能力評估研究［J］．地震工程與工程振動，2005，25(5):80－841．

［8］汪夢甫，周錫元．關(guān)于結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析(Push－over)方法中的幾個問題［J］．結(jié)構(gòu)工程師，2002，(4):17－221．

［9］朱杰江，呂西林，容柏生．復(fù)雜體型高層結(jié)構(gòu)的推覆分析方法和應(yīng)用［J］．地震工程與工程振動，2003，23(2):26-361．

［10］王選民，鄒銀生．復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)地震作用的計算［J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，1998，19(2):60－661．

Pushover Analysis of Existing Reinforced Concrete Frame Structure——Based On Different Construction Qualities

LIN Jun1，2
(1.Fujian Academy of Building Research，F(xiàn)uzhou 350025;2.Fujian Provincial Key Laboratory of Green Building Technology，F(xiàn)uzhou 350025)

The seismic appraisal for typical existing reinforced concrete frame structure is conducted based on real project.The structural elastic analysis under frequent earthquake and pushover analysis under rare earthquake are carried out using the software MIDAS Building along with the actual inspection data of the structure.The structural seismic response characteristics of elastic－plastic stage is obtained. Two models of construction situations of different stirrup spacing at member ends are simulated.One of which meets the design requirements，while the other one disagrees with that(the stirrup spacing is too large).The results show that the impact of construction quality defects on the structural seismic performance cannot be ignored.This research provides effective analysis results and theoretical calculation basis for structural maintenance and reinforcement.

Frame structure;Construction quality;Performance－based seismic design;Elastic－plastic analysis

TU3

:A

:1004－6135(2017)01－0050－05

林君(1985．8－)男，工程師。

E-mail:150335678@qq．com

2016－10－11