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Procedia工程54（2013）341–352

第二届土木工程修复与维修国际会议

非对称填充混凝土框架的地震反应

T． Mahdia^a*和V.Bahreini^b

A．伊朗德黑兰建筑和住房研究中心

B．伊朗阿拉克伊斯兰阿扎德大学阿拉克分校土木工程系

摘要

本文对三层、四层和五层非对称中弯矩钢筋混凝土空间框架的非线性抗震性能进行了研究。这些空间框架的平面结构包含可重入角。这些建筑的分析包括是否考虑砌体填充（MI）。对于填充物，考虑了三种布置类型和两种材料类型（强和弱）。对于横向地震荷载，假设了两种类型的横向荷载分布。结果表明，填充物的存在增加了结构的刚度，减小了位移。但是，由于忽略底层填充物（软层布置），底层梁和柱的性能较差。

copy;2013。由爱思唯尔有限公司出版。

Sebelas Maret大学土木工程系负责选择和同行评审

关键词：非线性静力分析；性能等级；不规则建筑；填充物；混凝土框架。

1. 介绍

结构不规则是建筑物和构筑物中常见的现象。平面图中不对称的存在通常会导致某些构件的应力增加，从而导致重大破坏。此外，无钢筋MI面板在世界各地被广泛使用，其中包括地震活跃地区。它们通常用作混凝土框架的内隔板和外墙，但它们被视为非结构构件，不包括在分析和设计程序中。这种简化的设计方法无法预测填充板的损坏。另一方面，它没有考虑填充物布置对建筑物不规则性的

*通讯作者。

电子邮件地址: 邮箱：mahdi@bhrc.ac.ir

1877-7058copy;2013作者。由爱思唯尔有限公司出版。

Sebelas Maret大学土木工程系负责的选择和同行评审doi:10.1016/j.proeng.2013.03.031

影响。

为了评估具有显著高阶振型效应的复杂非对称高层建筑的抗震性能，非线性动力分析方法通常提供更真实的结构响应模型，从而比其他方法提供更可靠的抗震性能评估。然而，这种方法并不适用于复杂的大型建筑。因此，本文的目的是在实用性和准确性之间找到一个平衡点。在这方面，最合理的选择是非线性静力分析（静力弹塑性）和线性动态分析。

静力弹塑性分析是一种有效的设计工具，可用于研究分析模型和非线性动力分析难以完成的非线性响应（Deirlein等人，2010）。

第一组非线性静态程序包括由Freeman等人（1975）提出的容量谱法（CSM）。另一方面，Saidi和Sozen（1981）提出对等效单自由度系统进行非线性动力分析。

基于这一思想，提出了N2法（Fajfar和Fischinger，1988）。这些初步建议的特点是简单，通常在考虑推覆/承载力曲线计算时考虑第一种模式，因此仅限于平面结构模型。

莫格达姆和TSO(1996)首次对不规则建筑进行了静力弹塑性分析。后来，他们将推覆分析扩展到平面偏心建筑，并考虑了三维扭转效应。该程序使用建筑物的弹性频谱分析来获得推覆分析的目标位移和载荷分布(Moghadam和Tso 2000)。除了Themelis (2008)回顾的许多理论贡献之外，许多论文已经处理了计划不规则性的实际问题(Faella等人。2004;于等。2004;Ambrisi等人。2008;Pinho等人。2008;Herrera和Soberoacute;，2008年)。

2． 被分析建筑的描述

本文考虑了三层、四层和五层。在这三种情况下，结构的平面配置都包含凹角，其中在给定方向上，结构超过凹角的两个投影都大于结构平面尺寸的33%，如图1所示.对于这些建筑中的每一个，都考虑了裸框架和填充框架。对于裸框架，在两个方向上，质心和刚度之间的差异均小于建筑物相应尺寸的2.4%。

这些建筑物的采用的结构体系被视为混凝土中间抗弯空间框架(IMRSF)。土壤类型被认为是第二类，相当于美国地质勘探局分类中的B类和欧洲代码分类中的土壤剖面A谱。此外，假设峰值地面加速度等于0.3g，这对应于IS 2800(建筑和住房研究中心1999)中高地震区使用的加速度。所有楼层都被视为承受相当于570千克/平方米的恒载和200千克/平方米的活载。在屋顶，考虑580千克/平方米的恒载和150千克/平方米的活载。混凝土的28天强度、钢材的屈服强度分别为250 Kg/cm²和4000 Kg/cm²。对于MI墙，考虑了强和弱两种材料类型。强固板由多孔粘土单元组成，抗压强度f_m等于50 Kg/cm²，而弱固板由多孔粘土单元组成，抗压强度f_m等于8.7 Kg/cm²。

(a)

(b)

图1 具有不同填充布置的分析建筑的典型平面图

本文中使用的填充布置如下:

1. 在所有外墙中(图1a)
2. 在两个外墙中(图1b)
3. 与(a)相同，但底层没有填充墙(软层)

恒载组合基于ATC40 (ATC 1996)，如下所示:

PG1=1.1(Q_D Q_L) (1)

PG2=0.9Q_D (2)

在上述方程中，QD是总恒载，QL是总活载。

对于横向地震荷载，通过假设两种类型的横向荷载分布进行分析。首先，通过假设等效三角形分布和等效静力分析的方法获得的结果相似，其次，假设与地板重量成比例获得矩形分布。将这些载荷与等式1和2中定义的垂直载荷相结合，在十六种不同组合的作用下对建筑物进行了测试。

不同构件的尺寸采用伊朗混凝土结构规范(MPO，2004年)进行计算。然后，根据ATC(1996)给出的非线性静态程序，所有框架都承受了垂直和横向载荷。

3．模型设计

剪力墙的横向刚度比钢筋混凝土框架横向刚度大得多，因此，混凝土框架的初始刚度很大程度上取决于剪力墙的刚度。所以，有一个可靠的方法来估计主墙的刚度是非常重要的。出于分析整体建筑的目的，可以将代表实心填充板来填充刚度的压杆同心地放置在框架的对角线上，从而有效地形成同心支撑框架系统。该模型已被许多抗震规范采用，并且是基于Mainstone (Mainstone 1971)的工作。

图2 填充墙的建模

4．结果

4.1． 容量曲线

为了获得能力曲线，使用矩形和三角形两种形式计算地震荷载并将其分布在框架的高度上。图3显示了无填充的三层框架的最终承载力曲线示例。

图3 两种不同竖向荷载组合下三层无填充墙框架的承载力曲线。

图4 两种不同侧向荷载下三层无填充框架的承载力曲线。

其他曲线也显示了相似的特征。它们最初是线性的，但当非弹性作用开始发生时，它们开始偏离线性。随着位移的增加，承载力曲线呈线性，但斜率要小得多，有时接近平坦形状。此外，可以得出结论，两种重力荷载组合获得的曲线大致相似，但它们对侧向荷载类型更敏感，如图4所示。在该图中，可以看出侧向力的三角形分布(PX2)产生的结果低于矩形分布(FX2)。对于其余的框架，无论有无填充，都可以得到类似的结果。

许多研究人员报告说，填充物的存在对混凝土框架的强度能力有有益的影响(Negro和Verzeletti 1996Fardis 2000Hashemi和Mosalam 2006)。为了阐明这一点的有效性，在目前的工作中已经检查了两种填充板。如图5所示，弱填充板比裸框架略有改善，而强填充板在初始阶段显示出相当大的强度增加。但在弹性阶段之后，强度的下降也是显而易见的。

图5 侧向力矩形分布下带和不带填充物的三层框架的能力曲线

4.2．性能点

为了指定性能点，采用了ATC40建议的方法(ATC 1996)。IS 2800(建筑与住宅研究中心1999)给出的设计范围已作为需求范围输入软件。基于此，如图6所示，在94kg的底部剪力和20cm的位移下，发现了性能点。

图6 无填充物的三层框架的容量和需求曲线。

表1和表2给出了三层框架填充和不填充的结果。通过比较这两个表给出的结果，可以看出填充物的存在增加了基础剪力并减少了性能点的位移。这些表格和图5中给出的结果证实了其他研究人员得出的关于填充对增加强度和减少位移的有益效果的结论。

表1 不同水平荷载下无填充墙三层框架的性能要点

表2 所有外墙均有填充物的三层框架在不同的侧向荷载下的性能点(图1a)

在所研究的所有情况下，在框架结构发生任何故障之前，内墙的故障就已经发生。但是，如图7所示，比较有和没有填充物的两个框架，可以看出填充物，尤其是特别强的填充物的存在提高了不同框架构件的性能。一般来说，通过比较这三种情况下塑料铰链的数量和位置，很明显，没有填充物的框架比有填充物的框架更容易破坏。

(a)

(b)

(c)

图7 性能点处四层框架的塑料铰

A．没有填充b.带弱填充板c.带强填充板。

上述结果与以往地震中对规则和不规则填充墙框架性能的观测结果一致。例如，在1990年的曼吉尔地震中，在离震中几公里的娄山和拉什特，大多数填充墙都遭到了严重损坏。然而，根据莫格达姆的观察(莫格达姆2002)，原始框架在地震中幸免于难，只有轻微的损坏。可以得出结论，地震产生的大部分能量已被损坏的 填充墙消散，从而使框架更加安全。

4.3．位移

从三层框架获得的结果可以清楚地看出，使用没有填充墙的框架会导致较大的位移。另一方面，如图8所示，对于图(1a)中所示的部分填充框架，位移显著降低，并落在安全限值内。然而，如图9所示，对于五层框架，填充框架和裸框架之间的结果差异不太明显。

图8 三层框架的位移

图9 五层框架的位移

4.4软层

软层是比其他层更容易受到地震破坏的层，因为它们不太坚硬，抗力较低，或者两者兼有。如图10所示，底层填充墙已被拆除，使得底层柱更加脆弱。

5． 总结和结论

在所有研究的案例中，观察到以下几点:

1. 均匀分布的横向载荷和三角形分布的横向载荷比较表明，三角形分布产生更大的影响。
2. 不同的竖向载荷组合在结果中没有显著差异。
3. 埋入式框架的性能点具有较高的剪力和较小的位移。
4. 对柱中产生的力的比较表明，填充框架中的力小于裸框架中相应的力。

(a)

(b)

图10 软层对三层框架塑料铰的影响。

1. 裸框架比填充框架更容易被破坏。
2. 省略底层的填充墙会使这一层的柱子更加脆弱。
3. 对于三层框架，裸框架产生的位移大于允许的生命安全限值，而填充框架产生的位移小于生命安全性能限值。然而，如图10所示，对于五层框架，裸框架和填充框架的屈服位移都高于允许的限值。
4. 虽然填充墙的破坏发生在地震的早期阶段，但它们的存在有助于增加框架的抗力。

致谢

感谢伊朗德黑兰建筑和住房研究中心对此研究的支持。

引用

Ambrisi AD，De Stefano M，Viti S(2008).不规则3D钢筋混凝土框架的抗震性能.第十四届世界地震工程大会.中国北京，05-01-0116号论文。

空中交通管制(1996).混凝土建筑的抗震评估和改造.ATC-40.红杉城应用技术委员会。

建筑与住宅研究中心(1999).伊朗建筑抗震设计实施规范.标准编号2800.BHRC-PN 374，德黑兰，

戴尔林GG，赖因霍恩AM，威尔福德先生(2010).抗震设计的非线性结构分析，执业工程师指南。NEHRP抗震设计技术简报第4期NIST GCR 10-917-5。

费拉·G、乔治达诺·A和梅齐·M(2004).非线性

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