构造柱对底框结构的抗震影响

构造柱对底框结构的抗震影响

袁景 刘岩 刘海卿

摘要：为研究地震作用下构造柱对底框结构的抗震影响，采用ANSYS/LS-DYNA软件建立四层底框结构有构造柱与无构造柱两种有限元三维实体模型.数值模拟地震动作用下的两种工况的底框结构地震反应，研究结构构件从弹性阶段到弹塑性阶段的破坏过程.结果表明：无构造柱的底框结构仿真结构与现实破坏过程吻合较好，布置适当构造柱的底框结构的裂缝产生与发展受到构造柱抑制，推迟了底框结构的破坏，揭示底框结构倒塌破坏机理以及提高底框结构的抗震性能提供理论分析依据.

关键词：地震；裂缝；底框结构；数值分析；构造柱

中国地处两个大地震带的交汇部分，是地震常发的国家，地震活动频度高、强度大、分布广、震源浅.尤其是近年来，中国发生的汶川、雅安地震强烈地震，造成了大量的人员伤亡和财产损失.震区大量房屋发生倒塌，其中底框结构占到很大的比例.由于历史、经济原因，这种结构在中国的广大西南地区普遍存在.底框结构底部一层或两层为空间较大的框架，上部为多层砖混结构，见图1.底框结构具有“头重脚轻”、上刚下柔的特点，从抗震上讲它是一种不合理的结构形式.

近年对地震灾区进行了大量的调查研究[1-2]，中国的抗震设计总体思想，“小震不坏，中震可修，大震不倒”[3]，可每次地震，不管地震等级大小，都会造成致命性的伤害.抗震结构的设计研究显得尤为重要.结构的抗震数据可以通过实体实验或结构仿真获得.仿真模拟具有费用低、可重复、周期短的优点，得到与实际情况较为符合的结果，是一种行之有效的研究方法.

(a)西南某地的底框结构

(b)道路旁的底框结构图1底框结构Fig.1bottomframestructure

有大量的学者在底框结构抗震[4]、倒塌方面做了研究.高小旺[5]等对具有抗震墙的底框结构抗震性能进行了分析及结构设计；刘海卿[6]等研究砌体结构的倒塌[7]研究方法，并应用LS-DYNA模拟了结构的倒塌过程；倪强[8]等运用计算机给出了判断倒塌的模拟快速算法.但是具体研究构造柱对底框结构抗震影响的却很少，文中上部砌体结构中加构造柱，通过对比有无构造柱的底框结构在地震作用下从弹性工作阶段到构件开裂直至破坏的全过程，分析构造柱对底框结构的抗震性能的影响.

1计算模型及计算参数

1.1材料的本构及材料参数

底框结构梁柱板使用HRB335钢筋，混凝土C30，上部砌体采用烧结砖.用ANSYS/LS-DYNA[9-10]有限元分析软件建立底框结构的三维模型见图2,钢筋混凝土、砌体选用整体建模，使用Solid64单元.钢筋混凝土本构关系采用*MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3模型，混凝土强度等级为C30混凝土材料密度为2500kg/m3,

弹性模量为1000MPa，泊松比为0.2.砌体结构采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型，烧结砖的强度MU10,砂浆的强度M10,密度为1800kg/m3.

1.2建立仿真模型

模型一是四层底框结构，底层纯框架，X方向3跨，柱距4m，7方向1跨，柱距6m，二层是砌体结构.模型二在模型一的基础上，砌体结构中添加了构造柱.不考虑土对结构的影响，基础采用刚体.框架柱的尺寸为600mmx600mm，梁的尺寸为300mmx600mm，楼板的尺寸为100mm.

当单元一旦达到材料的极限应力、应变，单元失效退出工作.结构本身的破坏、倒塌非

常复杂，采用罚函数法判断结构是否接触及碰撞.因此选用有限元中提供的SingleFaceErosion接触计算模型，该模型可以自动搜索接触面，判断接触，处理断裂、侵蚀等.

(a)有构造柱的底框结构

(b)无构造柱的底框结构图2底框结构的模型Fig.2bottomframestructuremodel

1.3地震动选取

实际中地震动的时间较长，数值分析中地震动持续时间一般取结构基本周期的5?10倍.为了更好地分析底框结构，地震动选取阪神波中较强的一段，持时10s，间隔为0.02s，地面加速度峰值为3.5m/s2，见图3.

图3阪神波地震动在阪神波的地震动下，砌体结构1.62s开始出现裂缝，到2.47s砌体中的裂缝发展很快，之后窗间墙的裂缝在4.61s已经密布，砌体结构的骨架破坏，在地震波的作用下发生倒塌破坏.

2仿真模拟结果分析

底框结构由于是混凝土和砌体组合的结构，砌体比混凝土的抗压强度、抗拉强度、变形能力差很多，破坏往往首先发生在混凝土与砌体接触处.图4、图5分别为无构造柱底框结构的动态时程和底框结构的动态时程.从图5可看到在1.71s以前地震波比较小，1.71s时地震波突然加大，混凝土与砌体交界处出现裂缝，并继续发展，在2.69s裂缝延伸到窗台，垂直地震波方向的砌体裂缝出现在洞口边缘.动态图反映出裂缝在构造柱旁密集出现.

(a)t=0.36s

(b)t=1.62s(c)t=2.47s(d)t=4.61s

图4无构造柱底框结构的动态时程

(a)t=0.60s(b)t=1.71s(c)t=2.69s(d)t=3.5s

图5底框结构的动力时程从底框结构的仿真分析，可以看出两种模型的破坏形式：

(1)混凝土与砌体相互作用，变形不协调，破坏首先在接触界面发生，墙体下部结构比上部结构破坏严重.

(2)无构造柱的底框结构比有构造柱的裂缝

发展很快.

(3)墙体在破坏前产生大量交叉裂缝、水平裂缝或竖向裂缝，窗间墙出现“X型剪切裂缝”与实际相符见图6.

图6汶川地震中的砌体结构的破坏

(4)无构造柱的底框结构窗间墙的破坏很严重，构造柱的存在限制了窗间墙裂缝的发展.构造柱对墙体约束较小，垂直地震波方向的墙体破坏比较严重.

3结论

使用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对4层底框结构进行模拟，得到以下结论：

(1)底框结构的第二层是薄弱部位，要做好刚度过渡，在砌体中加少量的钢筋.为底框结构的建造及处理不同结构连接提供依据.

(2)应在砌体结构适当位置设置构造柱，使该处本由砌体承受的变成由构造柱承担，增强了砌体的抗拉强度，延迟了结构裂缝的出现，进而有效控制了裂缝.为结构的加固，抗震减灾提供参考.

(3)通过计算机仿真技术，再现底框结构弹塑性阶段的破坏倒塌.定性了解地震作用下砌体结构的薄弱部位和破坏方式，根据震害采取针对性措施，从而提高砌体结构的抗震性能. 参考文献：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2rym.html