水平与竖向近场强震作用下混凝土框架结构的抗剪性能*

赵卫锋， 何方平， 刘 田， 龙志林

(湘潭大学 土木工程与力学学院，湖南 湘潭 411105)

水平与竖向近场强震作用下混凝土框架结构的抗剪性能*

赵卫锋， 何方平， 刘 田， 龙志林*

(湘潭大学 土木工程与力学学院，湖南 湘潭 411105)

探讨水平与竖向耦合近场强震作用对钢筋混凝土框架结构梁、柱相对抗剪性能的影响，分析双向加速度峰值比、构件剪跨比、结构竖向自振周期及框架柱初始轴压比与框架梁、柱的抗剪性能之间的关系.结果表明：峰值比及竖向自振周期的增加对梁、柱抗剪性能有明显的削弱作用；梁、柱抗剪性能系数随着剪跨比及初始轴压比的增加呈先增大后减小的变化趋势；在水平与竖向近场地震作用下，对常规的抗震设计工况，出现了混凝土框架柱先于框架梁的剪切失效破坏模式.

近场地震作用；框架结构；竖向地震；抗剪失效

1995年日本阪神大地震中，整体坐层倒塌现象十分普遍，特别是高层混凝土框架结构中间层的坐层倒塌，引起国内外学者的普遍关注[1～4].整体坐层倒塌是指结构某层整体下挫，上层楼盖相对完好地坍塌在地面或下层楼板之上的一种倒塌破坏模式.日本学者[1,5]解析阪神地震中有一类混凝土框架结构的坐层倒塌为抗剪失效为主的坐层倒塌：“直下型”竖向地震动分量大，框架柱抗剪承载力和轴向承载力严重损失，而框架梁及楼盖的刚度和承载力较大.国内杨春田[2]有过相同论述，认为竖向地震作用是结构坐层倒塌的重要荷载因素.国内外学者很早即开始了研究轴向荷载对混凝土框架柱抗剪承载力的影响，王家辉[6]以及Nakamura[7]的试验研究表明，轴向荷载水平是混凝土柱破坏形态的决定因素.然而，受制于工程结构水平与竖向联合地震作用效应的复杂性,以及现有抗剪研究手段不完善,关于近场竖向速度脉冲型地震作用对混凝土柱抗剪性能影响的研究不多，国内鲜有相关的报道.Kunnath[8]和Sung[9]研究了混凝土桥墩的抗剪性能，混凝土桥墩的抗剪承载能力在竖向速度脉冲地震作用下会有明显的削弱.Brown[10]通过振动台增量动力时程试验，研究了近断层地震作用对桥墩抗剪承载力的影响，结果表明桥墩柱在竖向速度脉冲地震作用下更加容易发生脆性剪切失效.Elnashai[11]通过实验研究了竖向地震对混凝土柱及墙的抗剪性能的影响，结果表明竖向承重的抗剪性能受竖向地震作用的影响很大.Sarno[12]研究了速度脉冲地震作用下框架柱的抗剪能力/需求比，结果表明不同峰值比对应的混凝土柱轴力有显著的变化，当混凝土柱处于受压状态时，抗剪承载能力与抗剪需求之间的比值有很大起伏，速度脉冲地震作用极易引起混凝土柱的抗剪失效.国内赵卫锋和周靖等[13，14]分别采用单个混凝土柱和框架结构柱为研究对象，研究了近断层竖向地震作用对混凝土柱抗剪性能的影响，研究表明竖向脉冲地震作用下混凝土柱容易发生剪切脆性破坏.为探究强震中建筑结构抗剪失效坐层破坏形成的机理，本文以4层平面大跨度混凝土框架结构为研究对象，讨论水平及竖向强震作用下加速度峰值比、构件剪跨比、框架柱初始轴压比等参数与框架梁、柱抗剪性能之间的定性关系，对比分析梁、柱相对抗剪失效的顺序.

1 地震动记录与框架结构

1.1 地震动记录

不同的震源机制对于结构地震响应的影响较大，为避免震源机制的干扰和影响，选择同一地震事件(1999年台湾集集地震)中5组地震记录(原始水平地震记录与竖向地震记录).为减小地震记录场地差异的影响，选择场地类型均为硬土类，各地震动记录的断层距R<30 km.记录来源于美国太平洋地震工程研究中心(PEER)强震数据库.数值参数分析中水平向地震加速度峰值均为PGAH=0.4 g.

表1 分析所采用的地震波记录

1.2 框架结构模型

图1 框架结构立面图
Fig.1 Elevation of the studied frame

采用专业结构抗震分析平台SeismoStruct[15]建立4层2跨大跨平面框架结构，如图1所示.结构底层层高为2.8～4.2 m，其余各层层高均为4.2 m，跨度为15 m，混凝土柱截面均为650×600 mm2，梁截面为900×350 mm2.框架梁、柱混凝土抗压强度标准值14.3 MPa，抗拉强度标准值1.27 MPa，峰值极限应变为0.002.纵向受力钢筋选取HPB 300，横向钢筋选取HPB 235，框架柱与框架梁初始设计抗剪承载力之比为1.66.

将即时抗剪承载力与即时抗剪需求之比值定义为抗剪性能系数，用ρ表示.当抗剪需求超过抗剪承载力，即抗剪性能系数小于1.0时，混凝土构件发生抗剪失效.以框架结构底层梁、柱为考察对象，抗剪性能系数最小值表征最不利抗剪时刻.框架梁、柱的斜截面即时抗剪承载力计算，采用我国混凝土结构设计规范[16]的抗剪承载力模型：

(1)

(2)

(3)

式中：αcv为截面混凝土受剪承载力系数；λ为计算剪跨比，取值范围为1.0～3.0，当λ小于1.0或大于3.0时，分别取用1.0或3.0；N为轴压力，当N大于0.3fcA时取0.3fcA(fc为混凝土抗压强度，A为构件的截面面积)；ft与fyv分别为混凝土的抗拉强度及箍筋的屈服强度；γRE为承载力抗震调整系数，当考虑竖向地震作用时，取1.0.

2 参数分析

图2 框架柱即时轴力
Fig.2 Axial force time history of frame column

图2与图3分别为同一工况下，混凝土框架底层中柱的即时轴力与即时抗剪需求时程曲线.将图3中抗剪需求取绝对值，并根据抗剪承载力公式计算出即时抗剪承载力，得到即时抗剪承载力与即时抗剪需求时程曲线，如图4所示.由图可知，对特定设计工况下(峰值比大、剪跨比小等)，在水平及竖向强震联合作用下，混凝土构件的抗剪需求有可能大于抗剪能力，从而发生剪切失效.

2.1 峰值比的影响

地震灾害调查表明，近场区域竖向地震加速度峰值可能超过水平加速度峰值，如1994年美国北岭大地震中记录到竖向地震加速度最大值达到了1.18 g，距离震源31 km处收集地震波记录最大峰值比甚至达到了3.64.当竖向地震作用强度较大时，混凝土柱很容易处于“受压”和“受拉”的相互转换的状态，极不利于框架柱的抗震，尤其是不利于混凝土柱的抗剪.为探讨峰值比的影响，保持水平向地震加速度峰值不变(PGAH=0.4 g)，缩放竖向地震加速度峰值得到5种峰值比 (其中峰值比为0，代表不考虑竖向地震作用)，研究双向强震联合作用下，峰值比与混凝土框架梁、柱抗剪性能之间的关系.由图5可知，竖向地震作用对混凝土梁、柱的抗剪性能有重要影响，随着峰值比的增加，框架梁、柱的抗剪性能基本呈直线递减，这一变化趋势与其他相关研究[13，14]的结果是相似的.

图5 峰值比对抗剪性能的影响
Fig.5 Influence of vertical-to-horizontal peak ratio on the shear behavior

2.2 剪跨比的影响

由我国的混凝土结构设计规范所给出的混凝土梁、柱抗剪承载力计算公式可知，剪跨比是影响混凝土梁、柱抗剪承载力的重要因素，其能反映梁、柱截面弯矩和剪力的比例关系.以底层柱的剪跨比为控制参数(改变底层层高)，并将混凝土柱剪跨比简化为Hn/2h0(其中Hn为柱的净高，h0为混凝土柱截面的有效高度).图6为不同剪跨比对应的框架梁、柱抗剪性能系数.由图可知，混凝土框架梁、柱的抗剪性能系数随着剪跨比的增加呈先增大后减小的趋势，在本研究中，当剪跨比为3.0时，梁和柱的抗剪性能系数达到最大值.

图6 剪跨比对抗剪性能的影响
Fig.6 Influence of shear span ratio on the shear behavior

2.3 竖向周期的影响

结构自振周期是结构的固有属性，是反映结构动力特性的重要参数.由我国抗震规范所给出的地震反应谱可知，结构的自振周期直接决定地震影响系数取值，也就意味着结构自振周期在很大程度上规定了设计地震作用的水平.图7为竖向振动周期与梁、柱抗剪性能之间的关系.由图可知，框架梁、柱的抗剪性能系数随着框架结构竖向振动周期的增大有相同的变化趋势，即梁和柱的抗剪性能随着竖向振动周期的增大而显著减小.此变化趋势的主要原因是：竖向振动周期增大，地震反应增大，构件的抗剪需求增大，而抗剪承载力有所减小.

图7 竖向基本周期对抗剪性能的影响
Fig.7 Influence of vertical fundamental period on the shear behavior

2.4 初始轴压比的影响

由我国现行规范给定的混凝土柱斜截面抗剪承载力计算模型可知，混凝土柱的轴向受力状态对抗剪承载能力有重要影响.当柱的轴压比小于0.3时，轴向压力增大能够提高混凝土柱的抗剪承载力，而轴向拉力对混凝土柱抗剪承载力有明显削弱作用.竖向地震作用下，建筑结构会受到垂直向上或向下的竖向地震作用.较大的初始轴压比并不能提高混凝土柱的抗剪承载力，当初始轴压比较小时，竖向地震作用容易引起混凝土柱的受拉，从而引起混凝土抗剪承载力的削弱.以底层中间柱初始轴压比为控制参数，得到初始轴压比与混凝土框架梁、柱抗剪性能的关系如图8所示.混凝土框架梁、柱抗剪性能系数随初始轴压比的增大有相同的变化趋势，即随着初始轴压比的增加先增加后减小.在本研究中，梁和柱的抗剪性能系数的峰值对应的初始轴压比分别为0.45与0.40时.

图8 初始轴压比对抗剪性能的影响
Fig.8 Influence of initial axial load ratio on the shear behavior

2.5 框架梁、柱抗剪性能的比较

“强柱弱梁”是框架抗震设计中对混凝土框架柱的弯矩设计值进行放大，使其相对梁有更好的抗弯能力，保证框架结构在地震作用下仅出现梁铰屈服机制或梁先于柱屈服，避免框架在强震作用下因柱端屈服而发生倒塌破坏.同时，为防止框架梁、柱在地震作用下发生脆性的剪切破坏，抗震概念设计中提出了“强剪弱弯”的思想，对框架梁、柱构件的抗剪设计值进行放大，以使框架梁、柱在地震作用下只发生预期的弯曲破坏.由上述对各参数的讨论可知，“强柱弱梁”和 “强剪弱弯”并不一定能有效控制梁柱发生剪切失效的顺序.图9～图11对双向强震作用下混凝土梁柱抗剪性能(保持足够的抗弯承载力)进行了对比，从发生失效时间横向的比较可知，梁、柱剪切失效的顺序有多种情况.在本文设定的工况下(框架柱与框架梁初始抗剪承载力之比1.66)，由于外因(加速度峰值比)与内因(剪跨比、竖向周期等)不利条件的共同影响，混凝土框架可能出现柱先于梁的剪切破坏，即典型的“强梁弱柱”型抗剪失效模式.在已有的相关研究中，极少报道此类情况，关于此类失效模式的影响规律，尚有待专门的深入研究.

图9 框架柱发生剪切失效
Fig.9 Shear failure of column

图10 梁与柱基本同时发生抗剪失效
Fig.10 Shear failure of beam and column at the same time

图11 柱先于梁的抗剪失效
Fig.11 Shear failure of column prior to that of beam

3 结 论

(1) 近场竖向强震作用对混凝土框架梁、柱的抗剪性能有重要影响，随着竖向与水平向加速度峰值比的增加，即竖向地震作用强度提高，框架梁和柱的抗剪性能显著减小.

(2) 混凝土框架梁、柱抗剪性能系数随构件剪跨比的增大呈先增加后减小的变化趋势.在本研究中，当剪跨比为3.0时，梁和柱的抗剪性能系数基本达到峰值；结构竖向自振周期的增大对框架梁、柱的抗剪性能有明显的削弱；随着框架柱初始轴压比的增加，框架梁、柱的抗剪性能系数呈先增大后减小的变化趋势，在本研究中，梁和柱的抗剪性能系数峰值分别出现在轴压比为0.45与0.40时.

(3) 水平及竖向联合强震作用下，混凝土框架结构可能发生框架柱先于框架梁的抗剪失效模式.此破坏模式的影响规律，尚有待深入研究.

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[16] 混凝土结构设计规范：GB 50010-2010[S].

责任编辑：罗 联

Shear Resistant Behavior of RC Frame Structures Subjected to Coupled Horizontal and Vertical Near-Field Ground Motions

ZHAOWei-feng,HEFang-ping,LIUTian,LONGZhi-lin*

(Department of Civil Engineering,Xiangtan University, Xiangtan 411105 China)

The influences of coupled horizontal and vertical near-field ground motions on the shear-resistant behavior of reinforced concrete (RC) frame structure are discussed. The relationship between the shear-resistant behavior of frame component and the vertical to horizontal peak ground acceleration (PGA) ratio, shear span ratio of frame component, structural vertical vibration period and initial axial compression ratio are analyzed. The results show that the increase of the PGA ratio and the structural vertical vibration period can significantly weaken the shear-resistant behavior of the beams and columns. The shear behavior factors of the beam and column increase first, and then decrease with increasing in the shear span ratio and the initial axial compression ratio. Considering the general seismic design conditions, the frame column is likely to experience a shear failure prior to a shear failure of the frame beam, when the structure is subjected to the coupled horizontal and vertical near-field ground motions.

near-field ground motion; frame structure; vertical earthquake action; shear-resistant failure

2015-01-10

湖南省科技计划项目(2014SK4062)；湘潭市科技计划项目(S2013N0013)；国家自然科学基金项目(51471139 & 51071134)；湖南省自然科学基金项目(12JJ2024)

龙志林(1965— )，男，湖南 祁东县人，教授，博士生导师. E-mail:longzl@xtu.edu.cn

TU318+.1

A

1000-5900(2015)02-0045-08