近場(chǎng)地震作用下鋼筋混凝土柱的抗剪性能研究.doc

碩士學(xué)位論文 I 摘要 近場(chǎng)地震與遠(yuǎn)場(chǎng)地震相比，其震害明顯，破壞性更大；由于種種原因，實(shí)際工程 中不乏短柱的存在。與長(zhǎng)柱相比，短柱破壞突然，在性能上也有一定的差異。因此有 必要對(duì)短柱抵抗近場(chǎng)地震的能力進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的研究，以避免柱構(gòu)件發(fā)生破壞，從而影響 整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全，令人員和財(cái)產(chǎn)遭受損失。之前亦有研究生完成一批近場(chǎng)地震作用下 柱構(gòu)件抗彎性能的試驗(yàn)研究。在此背景下，本文設(shè)計(jì)了四個(gè)模擬近場(chǎng)地震效應(yīng)的試驗(yàn) 進(jìn)行抗剪方面的研究。包括試件的設(shè)計(jì)和制作，比較不同長(zhǎng)度的柱和不同直徑的縱向 鋼筋在近場(chǎng)地震作用下的性能；根據(jù)近場(chǎng)地震作用于結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)確定了相應(yīng)的加載方 式，制定了試驗(yàn)測(cè)量方案，比較近遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下對(duì)試驗(yàn)柱的不同影響。對(duì)于各個(gè)試 驗(yàn)詳細(xì)描述各柱的試驗(yàn)現(xiàn)象，包括混凝土首次開(kāi)裂、縱筋和水平箍筋的屈服、斜裂縫 的出現(xiàn)與發(fā)展、混凝土剝落，以及破壞時(shí)的現(xiàn)象等；比較分析試驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)，包 括滯回曲線(xiàn)、能量耗散、剛度變化，鋼筋和混凝土協(xié)同工作的關(guān)系，以及粘結(jié)、剪切 和彎曲三種變形成分的關(guān)系等，通過(guò)對(duì)每個(gè)試驗(yàn)之間進(jìn)行比較和綜合來(lái)驗(yàn)證試驗(yàn)柱的 抗震性能。通過(guò)軟件對(duì)試件進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比。采用三種損傷模型對(duì)每個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行損 傷評(píng)估，對(duì)比試驗(yàn)和損傷計(jì)算結(jié)果，比較模型的準(zhǔn)確性，對(duì)三種模型在加載各階段的 準(zhǔn)確度進(jìn)行比較，得出適用于近場(chǎng)地震作用下結(jié)構(gòu)的損傷分析。比較了彎曲和剪切破 壞柱試驗(yàn)的損傷發(fā)展，探討了導(dǎo)致?lián)p傷的不同機(jī)理。 關(guān)鍵詞：近場(chǎng)地震；鋼筋混凝土柱；低周反復(fù)荷載試驗(yàn)；滯回曲線(xiàn)；變形；剪切破壞； 損傷模型 近場(chǎng)地震作用下鋼筋混凝土柱的抗剪性能研究 II Abstract Compared with far-field earthquakes，near-field earthquakes might cause a greater impact on structure, leading to worse damaging and stronger destructiveness. Due to various reasons, Short columns exist in practical project, and tend to be more liable to suffer damage than long columns. Also there is some difference between the two kinds of columns. Therefore it is necessary to put special emphasis on how short columns perform during near- field earthquakes, to avoid structural rupture, causing loss to human lives and properties. So far some research work have been taken by a postgraduate student about columns suffering bending failure under low cyclic loading experiments according to near-field earthquakes. In this case the research work of this paper contains four experiments concerning shear performance under a loading system considering near-field effects. Subjects of these experiments are as follow：designing and assembling of the specimens，comparing performance between columns with different height and different diameter of bars according to Near-field effects as well as fixing loading system according to each experiment，focusing a relevant measuring scheme to these experiments Comparing different effects near-field Earthquakes and far-field Earthquakes exert on the columns in these experiments. Make detailed description of the columns experimental phenomenon, including the first cracking of concrete, the yielding of vertical bars and horizontal hoops, the emergence and development of diagonal cracks, the phenomena of the concrete failure; Comparative analysis the test data collected, including hysteresis curve, energy dissipation, stiffness, relationship between steel and concrete, and deformation relationship between three components, bonding, shear and slipping. Verify the seismic performance of columns by comparison between each test. Some numerical simulation is done to compare the experiment results. Three damage models are used in evaluating each test. Through the comparison, advantages of each are picked out in accuracy of every stage during the experiment. At last the paper pick up a damage model fitting the damage status of a structure in the near-field earthquakes. Columns failing in bending and in shearing are also compared using damage models. Different reasons are discussed for damage formatting. Key Words：Near-field earthquake; Reinforced concrete columns; Low cyclic loading experiments; Hysteretic curve; Deformation Shear failure; Damage model 目 錄 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明.I 碩士學(xué)位論文 III 摘要.II Abstract.III 第 1 章 緒論.1 1.1 選題的背景及意義.1 1.2 近場(chǎng)地震及其特點(diǎn).3 1.2.1 近場(chǎng)地震的定義.3 1.2.2 近場(chǎng)地震的特點(diǎn).3 1.3 框架柱及其在地震中的破壞形態(tài).5 1.3.1 柱整體破壞.5 1.3.2 柱端破壞.6 1.3.3 短柱破壞.6 1.4 橋墩在地震中的破壞形式.7 1.4.1 彎曲破壞.7 1.4.2 剪切破壞.8 1.4.3 彎剪破壞.8 1.4.4 縱筋搭接破壞.9 1.5 國(guó)內(nèi)外關(guān)于圓形截面柱的研究.9 1.6 本文的研究意義.11 第 2 章 模型框架柱構(gòu)件的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì).13 2.1 試驗(yàn)背景.13 2.2 構(gòu)件設(shè)計(jì).14 2.3 加載裝置.16 2.5 加載方式.20 2.4 測(cè)點(diǎn)布置和量測(cè)內(nèi)容.21 2.4.1 應(yīng)變片布置.21 2.4.2 位移計(jì)布置.22 2.6 本章小結(jié).24 第 3 章 圓形截面柱的試驗(yàn)現(xiàn)象分析.25 3.1 概述.25 3.2 試驗(yàn)現(xiàn)象綜述.25 3.2.1 模型柱 C-1 試驗(yàn).25 3.2.3 模型柱 C-2 試驗(yàn).26 3.2.3 模型柱 C-3 試驗(yàn).27 3.2.4 模型柱 C-4 試驗(yàn).29 3.3 滯回曲線(xiàn)分析.30 近場(chǎng)地震作用下鋼筋混凝土柱的抗剪性能研究 IV 3.4 滯回耗能分析.31 3.5 骨架曲線(xiàn)分析.33 3.6 承載力降低曲線(xiàn)分析.34 3.7 剛度退化分析.35 3.8 箍筋的應(yīng)變分析.38 3.9 箍筋的抗剪貢獻(xiàn)分析.42 3.10 試驗(yàn)柱的變形分析.46 3.10.1 試驗(yàn)柱與基座的粘結(jié)變形.47 3.10.2 試驗(yàn)柱的剪切變形.48 3.10.3 試驗(yàn)柱的彎曲變形.49 3.11 本章小結(jié).50 第 4 章 圓形柱模型的擬合.52 4.1 纖維模型簡(jiǎn)介.52 4.2 考慮剪切效應(yīng)的模型化方法的提出.53 4.3 有限元模型的建立.55 4.3.1 混凝土和鋼筋的本構(gòu)模型.55 4.3.2 剪切材料.58 4.3.3 模型模擬.58 4.4 本章小結(jié) .58 第 5 章 框架柱模型的損傷分析.60 5.1 概述.60 5.2 地震損傷模型.60 5.2.1 基于變形和疲勞的損傷的模型.60 5.2.2 基于變形和累積滯回耗能的組合模型.60 5.2.3 基于剛度損傷的模型.66 5.3 三種地震損傷模型計(jì)算結(jié)果的比較.67 5.4 不同破壞類(lèi)型下的損傷情況比較.68 5.5 本章小結(jié).70 結(jié)論與展望.71 參考文獻(xiàn).73 致 謝.76 碩士學(xué)位論文 1 第 1 章 緒論 1.1 選題的背景及意義 地震是人類(lèi)面臨的一種嚴(yán)重自然災(zāi)害，現(xiàn)在科學(xué)認(rèn)為，地球在其運(yùn)動(dòng)中會(huì)積累了巨 大的能量。在能量積累到一定程度時(shí)，便可能在地殼的薄弱區(qū)域釋放出來(lái)，或者引發(fā) 斷層的錯(cuò)動(dòng)，即地震。按照地震的成因，大致可分為以下幾種：由于地下深處巖層錯(cuò) 動(dòng)、破裂引起的構(gòu)造地震；由于巖漿活動(dòng)和氣體爆炸等引起的火山地震；洞穴崩塌引 發(fā)的陷落地震以及人工地震和誘發(fā)地震等。 基于現(xiàn)有科學(xué)手段，對(duì)地震的產(chǎn)生和影響的預(yù)報(bào)都還很有限，因此，人們通過(guò)在工 程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中考慮地震作用來(lái)提高結(jié)構(gòu)的安全性能。目前國(guó)內(nèi)普遍采用的是通過(guò)設(shè) 計(jì)上的三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)和兩階段的設(shè)計(jì)方法來(lái)抵抗地震可能造成的影響。 盡管如此，世界各地發(fā)生的地震，依然給人類(lèi)帶來(lái)了不同程度的損失。以下為近幾 次帶來(lái)大量人員傷亡和工程損失的地震： 1994 年 1 月 17 日太平洋標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間 4 時(shí) 31 分，美國(guó)加利福利亞洲洛杉磯市中心西 北方向約 32km 位置發(fā)生里氏 6.7 級(jí)強(qiáng)烈地震，地震造成 65 人死亡，約 5000 人受傷。 震后統(tǒng)計(jì)的直接經(jīng)濟(jì)損失大約在 200 億美元左右。地震令洛杉磯的許多高架橋產(chǎn)生嚴(yán) 重影響，對(duì) 640 座橋梁進(jìn)行的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有 9 座嚴(yán)重破壞，2 座中度破壞，17 座輕微 損壞，由于箍筋配置不夠，導(dǎo)致柱式橋墩發(fā)生剪切破壞或者彎剪破壞，是本次地震中 橋梁震害的主要特征1。 1999 年 9 月 21 日凌晨 1 時(shí) 47 分，中國(guó)臺(tái)灣南投縣集集鎮(zhèn)附近發(fā)生里氏 7.3 級(jí)的強(qiáng) 烈地震。地震深度 8.0 公里。震中位置于北緯 23.85 度，東經(jīng) 120.82 度2。 地震為中部車(chē)籠埔地區(qū)斷層錯(cuò)動(dòng)所引發(fā)的內(nèi)陸淺源地震，其破壞力相當(dāng)大，在震中附 近的南投縣、臺(tái)中縣造成極大的震害，甚至臺(tái)北地區(qū)亦有不少震害發(fā)生。根據(jù)臺(tái)灣氣 象局地震實(shí)時(shí)測(cè)報(bào)網(wǎng)收錄資料報(bào)告，各地震度以最大地表加速度值(PGA)表示。南投實(shí) 時(shí)測(cè)報(bào)站的記錄水平向 PGA 值達(dá) 989gal，相當(dāng)于 1G(一個(gè)重力加速度)。截至 1999 年 12 月 1 日已有 2405 人死亡(含失蹤)及 11306 人受傷，其中重傷 4139 人，受災(zāi)民眾達(dá) 約 31 萬(wàn)人，占臺(tái)灣總?cè)丝?1.4，房屋毀損 9.6 萬(wàn)戶(hù)，占臺(tái)灣總戶(hù)數(shù) 1.5，有形財(cái)物 損失估計(jì)約 3412 億元(107 億美元)，其損害之大，影響之廣，根據(jù)鄭世楠統(tǒng)計(jì)的百年 來(lái)臺(tái)灣十大災(zāi)害地震，集集地震是臺(tái)灣一百年以來(lái)最大的地震，所造成的傷亡與損失 僅次于 1935 年發(fā)生于新竹州關(guān)刀山附近(在今苗栗縣境)的大地震(震級(jí) 7.1(ML,CWB)， 造成 3276 人死亡，12053 人受傷)3。 2008 年 5 月 12 日 14 時(shí) 28 分，我國(guó)四川省汶川縣發(fā)生里氏 8.0 級(jí)地震。震中在北 近場(chǎng)地震作用下鋼筋混凝土柱的抗剪性能研究 2 緯 30.986 度，東經(jīng) 103.364 度，震源深度 14 千米。受震地區(qū)烈度為 9 度以上區(qū)域面積 達(dá)到 13301 平方公里，破壞極其嚴(yán)重，分布區(qū)域緊靠發(fā)震斷層，沿?cái)鄬幼呦虺尸F(xiàn)為帶 型分布。截止至 2008 年 9 月 25 日，確認(rèn)為 69227 人遇難，17923 人失蹤，374623 人 受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失 8451 億元。汶川地震為構(gòu)造地震，青藏高原所在的板塊向東部長(zhǎng) 期擠壓積累的巨大的構(gòu)造應(yīng)力，在北川-映秀地區(qū)突然釋放出來(lái)，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且震 源深度較淺，造成極大破壞。 2010 年 4 月 14 日，我國(guó)青海省玉樹(shù)藏族自治州玉樹(shù)縣(北緯 33.2 度，東經(jīng) 96.6 度)發(fā) 生里氏 7.1 級(jí)地震，震源深度 14 千米4。該地區(qū)位于高海拔地區(qū)，經(jīng)濟(jì)水平較為落后， 同時(shí)醫(yī)療設(shè)施不足，交通不便，加之災(zāi)區(qū)建筑多為土木結(jié)構(gòu)，強(qiáng)震后此類(lèi)型房屋幾乎 全部倒塌，為震后的救援工作增加了難度。至 2010 年 4 月 25 日下午 15 時(shí)，玉樹(shù)地震 共造成 2220 人遇難，70 人失蹤。與汶川地震的逆沖型不同，玉樹(shù)地震為走滑型地震， 且斷層的滑動(dòng)速度快得多。 2011 年 03 月 10 日 12 時(shí) 58 分，我國(guó)云南省德宏傣族景頗族自治州盈江縣(北緯 24.7 度，東經(jīng) 97.9 度)發(fā)生里氏 5.8 級(jí)地震，震源深度約 10 公里。之后連續(xù)發(fā)生數(shù)次 4 級(jí)左右的余震，至 3 月 12 日 9 時(shí)，盈江地震共造成 25 人死亡，314 人受傷，18445 間房屋倒塌，造成直接經(jīng)濟(jì)損失 164712.64 萬(wàn)。 以上僅為我國(guó)近年間的地震的一個(gè)縮影，實(shí)際上世界上頻繁出現(xiàn)地震，給人類(lèi)的 正常生活帶來(lái)巨大的危害，研究和預(yù)防地震的工作，其意義是十分現(xiàn)實(shí)而迫切的。以 上列舉的數(shù)次地震，有著一個(gè)共同特點(diǎn)，即地震深度較淺，造成的損失巨大，近場(chǎng)效 應(yīng)十分明顯，對(duì)工程結(jié)構(gòu)的危害尤為嚴(yán)重。我國(guó)及世界上多數(shù)國(guó)家在設(shè)計(jì)中使用振型 反應(yīng)譜理論對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)來(lái)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)抵抗地震的要求。但是現(xiàn)存的反應(yīng)譜理論 基本是基于大量中遠(yuǎn)場(chǎng)地地震記錄和統(tǒng)計(jì)而成。而近場(chǎng)地震的反應(yīng)譜與之有較大的差 別。這樣就可能導(dǎo)致實(shí)際結(jié)構(gòu)在遭受近場(chǎng)地震的時(shí)候可能會(huì)達(dá)不到預(yù)定的抗震要求。 我國(guó)規(guī)范對(duì)于近場(chǎng)地震，對(duì)發(fā)震斷層避讓有所規(guī)定5：第 4.1.7 條：場(chǎng)地內(nèi)存在發(fā)震斷 裂時(shí)，應(yīng)對(duì)斷裂的工程影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，并應(yīng)符合下列要求： 1 對(duì)符合下列規(guī)定之一的情況，可忽略發(fā)震斷裂錯(cuò)動(dòng)對(duì)地面建筑的影響： 1)抗震設(shè)防烈度小于 8 度； 2)非全新世活動(dòng)斷裂； 3)抗震設(shè)防烈度為 8 度和 9 度時(shí)，前第四紀(jì)基巖隱伏斷裂的土層覆蓋厚度分別 大于 60m 和 90m。 2 對(duì)不符合本條 1 款規(guī)定的情況，應(yīng)避開(kāi)主斷裂帶。其避讓距離不宜小于表 1.1 對(duì) 發(fā)震斷裂最小避讓距離的規(guī)定。括號(hào)內(nèi)為原 01 規(guī)范要求。 表1.1 發(fā)震斷裂的最小避讓距離(m) 碩士學(xué)位論文 3 建筑抗震設(shè)防類(lèi)別 烈度 甲乙丙丁 8專(zhuān)門(mén)研究200(300)100(200) 9專(zhuān)門(mén)研究400(500)200(300) 可以看到，與 01 規(guī)范相比，10 規(guī)范做了部分修改，適度的減少了避讓距離，而 且規(guī)定在確實(shí)需要于必然范圍內(nèi)修建房屋時(shí)，僅限造于建造分散的、不超過(guò)三層的丙、 丁類(lèi)建筑。同時(shí)應(yīng)按提高一度采取抗震措施，并提高基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的整體性，且不 得跨越斷層。盡管如此，我國(guó)乃至世界對(duì)近場(chǎng)地震的研究仍有待加強(qiáng)。對(duì)近場(chǎng)地震以 及結(jié)構(gòu)在近場(chǎng)地震下的性能進(jìn)行研究，仍然具有重要的的現(xiàn)實(shí)意義。 1.2 近場(chǎng)地震及其特點(diǎn) 1.2.1 近場(chǎng)地震的定義 地震學(xué)中，近場(chǎng)地震被認(rèn)為是當(dāng)震源距比較小時(shí)，由震源輻射的地震波中近場(chǎng)項(xiàng) 和中場(chǎng)項(xiàng)不能被忽略的區(qū)域所遭受的地震動(dòng)。與普通的中遠(yuǎn)場(chǎng)地震相比，近場(chǎng)地震破 壞力更加強(qiáng)烈。工程中還有一個(gè)名詞是近斷層地震，是指因?yàn)閿鄬拥臋C(jī)制和特性與普 通地震不同，使得地震的特性也隨之存在的差異，近斷層地震強(qiáng)烈依賴(lài)于斷層的破壞 機(jī)制。大部分研究人員將距離斷層破裂面小于 20km 的區(qū)域看成近斷層區(qū)域6。 Mavrocidis6和 Bray7在統(tǒng)計(jì)近斷層地震動(dòng)衰減關(guān)系和速度脈沖時(shí)都使用斷層距離小于 20km 以?xún)?nèi)的地震動(dòng)，認(rèn)為近斷層地震動(dòng)是強(qiáng)烈地依賴(lài)于斷層的破裂機(jī)制，包含明顯的 破裂方向性效應(yīng)和地面永久位移的地震動(dòng)。也即是說(shuō)，近斷層地震動(dòng)具有一些明顯的 特征，這些特征不是所有的近場(chǎng)區(qū)域的地震動(dòng)都具有的；在近斷層區(qū)域，由于距離斷 層很近，近場(chǎng)和中場(chǎng)項(xiàng)顯然不能被忽略，因此近斷層地震動(dòng)應(yīng)該包含在近場(chǎng)地震動(dòng)的 定義內(nèi)6-8。 1.2.2 近場(chǎng)地震的特點(diǎn) 1.2.2.1.方向性效應(yīng) 在近斷裂區(qū)域，斷層幾何形態(tài)對(duì)地震動(dòng)幅值的影響很大，場(chǎng)地上由地震動(dòng)引起的 破裂方向性效應(yīng)，由破裂面上破裂的傳播和剪切位錯(cuò)輻射引起；當(dāng)破裂方向與場(chǎng)地傳 播的方向相同時(shí)，且滑動(dòng)方向和場(chǎng)地成一條線(xiàn)的時(shí)候，產(chǎn)生向前的方向性效應(yīng)，使得 場(chǎng)地地震動(dòng)的持續(xù)時(shí)間縮短，而反應(yīng)譜的幅值則會(huì)變大。即前方向性效應(yīng)，后方向性 效應(yīng)則與之相反，即破裂的方向遠(yuǎn)離場(chǎng)地傳播，相對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)為地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)， 長(zhǎng)周期的反應(yīng)譜幅值相對(duì)降低9。 1.2.2.2.速度脈沖效應(yīng) 近場(chǎng)地震記錄得到的地震時(shí)程曲線(xiàn)有個(gè)明顯的特點(diǎn)，即記錄中脈沖現(xiàn)象明顯，特 近場(chǎng)地震作用下鋼筋混凝土柱的抗剪性能研究 4 別是位移和速度脈沖。共同特點(diǎn)是周期持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)和脈沖的峰值較大。例如圖 1.1 所示。 Time sec 9080706050403020100 Velocity cm/sec 60 40 20 0 -20 -40 圖 1.1 臺(tái)灣 9.21 集集地震某臺(tái)站記錄的速度脈沖(TCU128) 1.2.2.3.上盤(pán)效應(yīng) 上盤(pán)效應(yīng)是近斷層地震動(dòng)的另一個(gè)重要特點(diǎn)。上盤(pán)效應(yīng)出現(xiàn)在斜斷層中，這是由 距斷層延伸至地表處相同距離的場(chǎng)地位于上盤(pán)的場(chǎng)地要比下盤(pán)更接近斷層引起的，如 圖。表現(xiàn)為上盤(pán)地震動(dòng)和下盤(pán)地震動(dòng)加速度峰值之間存在著系統(tǒng)差異，上盤(pán)明顯高于 下盤(pán)，并且上盤(pán)地震動(dòng)加速度峰值衰減比下盤(pán)緩慢。 下盤(pán) 上盤(pán) LL R1 R2 B A 圖 1.2 上盤(pán)效應(yīng)示意圖 臺(tái)灣集集地震為一次典型的逆斷層地震，震級(jí)較大，強(qiáng)度記錄分布比較好，地表 斷裂清晰，俞言祥、高孟潭9的研究結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了存在近場(chǎng)地震動(dòng)的逆斷層型地震 上、下盤(pán)效應(yīng)。 1.2.2.4.豎向加速度效應(yīng) 我國(guó)目前在大跨和超高層的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，計(jì)算豎向地震時(shí)考慮豎向地震的影 響，一般是按水平地震的某一比例來(lái)確定。我國(guó)新的抗震規(guī)范5的第 5.1.4 條對(duì)豎向地 震增加可對(duì)大跨度空間結(jié)構(gòu)的要求，允許采用豎向振型分解反應(yīng)譜的方法計(jì)算。豎向 地震影響系數(shù)可取為規(guī)范中水平地震影響系數(shù)的 65%，特征周期可按照設(shè)計(jì)分組第一 組計(jì)算。統(tǒng)計(jì)的結(jié)果表明，在距離發(fā)震斷裂 10km 以?xún)?nèi)的場(chǎng)地，豎向反應(yīng)譜的最大值可 能接近于水平譜，但是特征周期小于水平譜。 碩士學(xué)位論文 5 1.3 框架柱及其在地震中的破壞形態(tài) 框架結(jié)構(gòu)是梁柱以剛接或者鉸接的方式連接，形成承重體系的結(jié)構(gòu)?？蚣艿牧褐?共同承擔(dān)水平和豎向荷載。我國(guó)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的房屋與建筑應(yīng)用得十分廣泛， 框架結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用于商店、辦公、廠房和住宅等?？蚣芙Y(jié)構(gòu)具有空間分割靈活、自重 輕、建筑成本相對(duì)較少和便于施工等特點(diǎn)。但是，也存在著許多的不足，比如框架結(jié) 構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中不可避免，抗側(cè)向剛度較小，在較大的水平荷載，如地震， 臺(tái)風(fēng)等作用下，結(jié)構(gòu)在水平方向?qū)a(chǎn)生很大的水平位移，有可能對(duì)框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重 的影響。施工中構(gòu)件數(shù)量多，工序較多，節(jié)點(diǎn)、接頭處工作量大。 框架柱作為框架結(jié)構(gòu)的豎向受力構(gòu)件，在地震中若是破壞，將對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全 產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此，在設(shè)計(jì)中希望框架柱的破壞后于框架梁的破壞，因?yàn)榱旱钠茐?是構(gòu)件破壞，屬于局部破壞，即強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)思想。目的是在強(qiáng)震的作用下，先在 梁端出現(xiàn)塑性鉸，耗散地震能量，再在柱端出現(xiàn)塑性鉸，最后才是結(jié)構(gòu)的倒塌破壞。 為結(jié)構(gòu)中的人提供逃離的機(jī)會(huì)。但若是柱子先于梁發(fā)生破壞，那么結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī) 構(gòu)體系，也就談不上耗散能量了。 然而在 1999 年臺(tái)灣集集地震和 2008 年我國(guó)四川汶川大地震中，許多破壞的框架 結(jié)構(gòu)表明，強(qiáng)柱弱梁并沒(méi)有良好的體現(xiàn)，不少破壞的房屋甚至出現(xiàn)了強(qiáng)梁弱柱的破壞 特征。大致可以分為以下幾類(lèi)。 1.3.1 柱整體破壞 在許多底層框架中發(fā)生底層柱整體破壞，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜或者垮塌。該破 壞方式下對(duì)整體結(jié)構(gòu)的危害巨大，其原因多是因?yàn)樯喜看u混結(jié)構(gòu)縱橫墻布置較密，重 量大的同時(shí)，抵抗側(cè)移的剛度也比底層大，形成上剛下柔的結(jié)構(gòu)體系。地震中底層的 位移反應(yīng)比上部劇烈。圖 1.3 和圖 1.4 為集集地震中底層柱破壞的照片。 圖 1.3 臺(tái)灣南投縣水土保持局一樓壓垮10 圖 1.4 南投縣某騎樓建筑整體傾倒壓毀10 1.3.2 柱端破壞 為數(shù)眾多的框架結(jié)構(gòu)破壞發(fā)生在框架底層柱上端，柱底未發(fā)生破壞11。主要原因 是因?yàn)槎酁殛惻f性建筑，設(shè)計(jì)上依照的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震考慮不夠，或者沒(méi)有按照要求 施工，框架柱端部箍筋不足，在地震中框架柱縱筋發(fā)生較大的變形，破壞嚴(yán)重；圖 1.5 近場(chǎng)地震作用下鋼筋混凝土柱的抗剪性能研究 6 為汶川地震中某建筑底層柱的破壞形態(tài)。順遠(yuǎn)坤、李碧雄31在對(duì)汶川地震的破壞情況 調(diào)查中發(fā)現(xiàn)許多破壞的結(jié)構(gòu)在柱端周?chē)兴搅芽p、斜裂縫，或交叉裂縫。嚴(yán)重者混 凝土壓碎崩落,柱內(nèi)箍筋拉斷,縱筋壓屈外凸呈燈籠狀,上部梁、板傾斜。 圖 1.5 底層柱頂彎曲破壞11 圖 1.6 柱端塑性鉸12 1.3.3 短柱破壞 由于填充墻或者錯(cuò)層的原因，以及樓梯間位置，由于梯梁的影響，形成局部短柱。 短柱的破壞也是汶川地震中的一個(gè)較為普遍的破壞形式。短柱破壞多為剪切破壞。 主要表現(xiàn)為箍筋被拉斷、混凝土沿著斜向裂縫發(fā)生破壞。原因是地震中短柱的相對(duì) 剛度較大，在結(jié)構(gòu)變形中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此在地震作用下，破壞比長(zhǎng)柱要嚴(yán) 重些。 (a)短柱發(fā)生剪切破壞 (b)房屋另一側(cè)的短柱剪切破壞 圖 1.7 填充墻引起的柱破壞11 碩士學(xué)位論文 7 圖 1.8 樓梯間短柱破壞12 1.4 橋墩在地震中的破壞形式 橋梁結(jié)構(gòu)是近代交通系統(tǒng)的重要組成部分之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展中起著不 可替代的重要作用。20 世紀(jì)末以來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)生了數(shù)次破壞性較為嚴(yán)重的地震，如 1994 年的美國(guó) Northridge 地震、1999 年中國(guó)臺(tái)灣集集地震、2008 年我國(guó)四川汶川地震， 說(shuō)明近代鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)與建筑結(jié)構(gòu)一樣，具有較高的地震易損性。橋墩是橋梁 結(jié)構(gòu)中主要的抗側(cè)力構(gòu)件，在近幾次地震中的典型破壞形態(tài)介紹如下。 1.4.1 彎曲破壞 橋墩截面小，或者剪跨比較大時(shí)，由于抗彎強(qiáng)度不夠或者延性不足而引起。依據(jù) 破壞程度的不同，在中等破壞級(jí)以下，柱端塑性鉸區(qū)混凝土保護(hù)層壓碎、受力方向出 現(xiàn)水平彎曲裂縫，縱筋、箍筋屈服；嚴(yán)重破壞時(shí)塑性鉸區(qū)域核心混凝土壓潰，縱筋嚴(yán) 重屈服或者拉斷，箍筋拉斷。圖 1.9 為汶川地震中映秀鎮(zhèn)高樹(shù)大橋彎曲破壞的橋墩?qǐng)D片。 王東升13分析該橋破壞的主要原因是橋梁不能適應(yīng)很大的斷層地表位移而首先發(fā)生落梁。 發(fā)現(xiàn)斷層地表位移從附近涵洞小橋處估計(jì)豎向接近 50cm，水平接近 100cm，對(duì)岸側(cè)斷 層地表隆起高達(dá) 2 米以上。 圖 1.9 映秀鎮(zhèn)高樹(shù)大橋柱頂彎曲塑性鉸(最右側(cè)橋墩)13 近場(chǎng)地震作用下鋼筋混凝土柱的抗剪性能研究 8 1.4.2 剪切破壞 當(dāng)橋墩截面較大，而剪跨比較小，箍筋配置不足時(shí)，易發(fā)生剪切破壞。柱端塑性 鉸區(qū)混凝土壓碎脫出，箍筋被拉斷，縱筋發(fā)生屈曲，橋墩出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的斜向剪切滑 移裂縫。發(fā)生剪切破壞的橋墩耗能能力較差，延性系數(shù)很小，歸屬于脆性破壞。圖 1.10 為 1995 年 1 月日本 Kobe 地震中發(fā)生剪切破壞的橋墩。 圖 1.10 Kobe 地震中發(fā)生剪切破壞的橋墩 1.4.3 彎剪破壞 該破壞類(lèi)型介于前文兩種破壞類(lèi)型之間，圖 1.11 為日本 Kobe 大地震中，位于神 戶(hù)市東難區(qū)深江地區(qū)的阪神高速公路上連續(xù) 17 個(gè)橋墩傾倒，635 米橋面坍塌。 (a)局部視圖 (b)俯視圖 圖 1.11 Kobe 地震中發(fā)生倒塌的橋墩 碩士學(xué)位論文 9 1.4.4 縱筋搭接破壞 為了施工方便，早期設(shè)計(jì)的很多橋墩的縱向鋼筋不是貫通的，而是在底座設(shè)置搭 接，該位置恰好是橋墩在地震力作用下形成的塑性鉸區(qū)域。當(dāng)搭接長(zhǎng)度不足且箍筋間 距較大而不能有效約束橋墩時(shí)，可能在搭接處發(fā)生粘結(jié)破壞。 1.5 國(guó)內(nèi)外關(guān)于圓形截面柱的研究 Watson 和 Park 做了 11 根鋼筋混凝土柱的偽靜力試驗(yàn)，截面包括方形和正八邊形， 變量包括軸壓比、強(qiáng)度、配筋率和配箍率。試驗(yàn)中的破壞特征包括縱筋斷裂、箍筋斷 裂和承載力喪失。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，提出混凝土由于約束作用，增強(qiáng)的效果比 Mander 的 約束模型估計(jì)的稍大，對(duì)于抗彎能力提高系數(shù)和延性估計(jì)都偏保守。提出了基于試驗(yàn) 數(shù)據(jù)的建議箍筋布置公式，通過(guò)對(duì)塑性鉸區(qū)域長(zhǎng)度的測(cè)量和比較提出對(duì)于端部加密區(qū) 分布長(zhǎng)度的建議14。 Phan 和 Saiid 設(shè)計(jì)了震動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，考察兩個(gè)鋼筋混凝土橋梁柱模型在經(jīng)受近斷層 地震的脈沖式作用下的反應(yīng)，著重研究了殘余位移的影響，認(rèn)為近斷層地震的前方向 性效應(yīng)明顯，產(chǎn)生很大的殘余變形，提出了相應(yīng)的滯回模型15。 Ang、Priestley 對(duì) 25 根模擬橋梁混凝土圓柱進(jìn)行了恒定軸力的擬靜力試驗(yàn)，提出 由于抗彎強(qiáng)度估計(jì)偏保守，因此對(duì)于最大抗彎承載力對(duì)應(yīng)的剪力估計(jì)不足，在設(shè)計(jì)上 可能偏于不安全，提出：隨著抗彎承載能力變化的抗剪承載力主要依賴(lài)于延性位移的 大小16。 Yan Xiao 等采用仿建研式加載裝置，對(duì) 6 根混凝土圓形柱進(jìn)行抗剪方面的試驗(yàn)研 究，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，提出了高強(qiáng)混凝土的抗剪公式。對(duì)混凝土抗剪能力隨著延性 系數(shù)的變化關(guān)系做出一定的修正：提出變形極限由混凝土壓潰和縱筋屈曲而決定， ACI426 規(guī)范略微高估了高強(qiáng)混凝土構(gòu)件抵抗剪力的能力17。 Brown 等人針對(duì)已有的部分橋墩和柱是基于老規(guī)范修建，不能滿(mǎn)足現(xiàn)有規(guī)范的要求， 該類(lèi)結(jié)構(gòu)在近斷層地震下的響應(yīng)情況。分別用振動(dòng)臺(tái)模擬近遠(yuǎn)場(chǎng)地震對(duì)它們的影響。 得出結(jié)論包括：近場(chǎng)地震會(huì)造成較大的應(yīng)變、曲率和變形，骨架曲線(xiàn)和遠(yuǎn)場(chǎng)地震情況 下區(qū)別不大18。 管品武等人通過(guò) 10 個(gè)鋼筋混凝土模型柱的抗剪試驗(yàn)，研究柱端塑性鉸區(qū)域的破壞 形態(tài)、破壞特征等，討論了構(gòu)件在塑性鉸區(qū)按破壞類(lèi)型分類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)。若是由于縱筋屈 服以及受壓區(qū)的壓潰，則構(gòu)件發(fā)生彎曲破壞；若是縱筋屈服后，承載能力變化不明顯， 然而斜裂縫開(kāi)展，與之相交的箍筋逐漸屈服或者混凝土被壓碎，則歸屬于彎曲剪切破 壞。構(gòu)件屈服后，由于加載次數(shù)增多導(dǎo)致構(gòu)件因?yàn)檎辰Y(jié)破壞喪失穩(wěn)定的承載能力，則 為彎曲粘結(jié)破壞19。 郭子雄和呂西林通過(guò)對(duì) 7 個(gè)常規(guī)的框架柱的低周反復(fù)試驗(yàn)，研究高軸壓比下框架柱 近場(chǎng)地震作用下鋼筋混凝土柱的抗剪性能研究 10 的抗震性能及軸壓比的影響。對(duì)試件的整體變形和塑性鉸區(qū)域的變形測(cè)量并分