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外廊式rc框架结构抗震性能及倒塌机理研究 外廊式框架结构体系的抗震性能 5.12在川川地震中，大型教学楼倒塌，导致师生伤亡，给人们留下了痛苦的教训。中小学课堂设计的结构形式和抗疲劳设计引起了设计和科学研究人员的注意和反思。教学楼建筑的平面布置形式通常包括内廊式和外廊式,外廊式框架结构具有良好的通风及采光效果,在南方,被广泛应用于中小学教学楼建筑中。然而,9.21台湾集集大地震及5.12汶川大地震等历次震害表明,尽管设置外廊柱的外廊式框架结构教学楼抗震性能优于单跨结构,但破坏仍然十分严重甚至倒塌,如典型的漩口中学教学楼。漩口中学处于震中极震区,地震中倒塌的教学楼均为外廊式RC框架结构,而内廊式钢筋混凝士框架及砌体结构建筑却实现了“极震不倒”,外廊式框架结构体系的抗震性能值得深入研究。 本文以汶川漩口中学教学楼此典型的外廊式双跨RC框架结构为研究对象,首先对其在汶川地震中的震害进行分析并总结,然后从原型结构中,取出三榀有代表性的框架单元,进行了3个1/2比例的单层两不等跨填充墙RC框架伪静力试验,着重研究了外廊式RC框架结构的抗震性能及倒塌机理。 1 不同结构的框架结构一般震害分析 漩口中学位于汶川地震震中的映秀镇, 设防烈度为7度,地震烈度达11度,教学综合楼震害十分严重,尤其南、北及西侧的外廊式框架结构的四栋楼严重倒塌,如图1所示。外廊式框架结构横向为两垮,教室跨度远大于走廊跨度,四栋教学楼整体结构均向教室侧倒塌,框架柱破坏明显比框架梁破坏严重,底层柱顶破坏比柱底破坏严重。然而,此次地震中,处于同一场地的办公楼、食堂及教工宿舍等并未出现严重倒塌,这些建筑设计及建造条件相同,其震害程度却差异显著。《抗震规范》规定,建筑设计应符合抗震概念设计要求,建筑及抗侧力结构的平面布置宜规则、对称,但是规范并没有对不对称作出明确的定量判断。另外,在结构设计过程中,设计人员更多地机械地依赖日益傻瓜化的计算机软件,忽略了抗震概念设计,尤其对多层建筑的结构方案是否能满足“大震不倒”的设防要求并不十分关心。通过对同一场地不同结构布置形式的框架结构的震害对比分析可见,导致外廊式框架建筑极震下完全倒塌的根源主要在于平面布置方案的问题。因此,为了实现中小学建筑地震来临时成为坚固的避难所,外廊式框架结构形式的抗震性能有待于深入研究。 目前,很多学者对漩口中学教学楼的倒塌原因进行了分析,其中,尽管有学者认为,漩口中学教学楼倒塌跟填充墙布置有关,但分析时几乎并未考虑填充墙的影响。填充墙对RC框架结构的影响很复杂,规范通常将填充墙作为非结构单元考虑,忽视其与框架梁柱的相互作用,大量实际震害及研究表明这是不合理的。所以,对于外廊式框架结构的抗震性能的分析,填充墙的作用不可忽视。基于目前的研究现状,本文通过试验,对考虑填充墙影响的外廊式框架结构的抗震性能进行研究。 2 试验总结 2.1 外廊式rc框架试件 本试验研究以漩口中学教学楼为原型,选取三榀有代表性的横向RC框架单元,包括中间榀不带填充墙框架、边榀两垮满布填充墙框架及中间榀大跨满布填充墙框架,根据相似原理,设计并现场制作了3个缩尺比为1/2、考虑现浇楼板和填充墙作用的外廊式RC框架试验模型,试件参数如表1所示。3个RC框架试件的几何尺寸及配筋完全相同,详见图2所示。 框架梁柱纵向受力筋采用HRB335级钢筋,箍筋及楼板筋采用HPB235级钢筋,钢筋的材性试验结果见表2所示。另外,混凝土采用C30商混现场立模浇筑,每个试件分三次浇筑:底梁、框架柱及梁板。填充墙块材采用实心黏土砖和加气砌块两种,相应的砌筑砂浆分别为混合砂浆和砌块专用砂浆,砂浆的抗压强度分别为5.6MPa及5.0MPa,混凝土及砌体材性试验结果见表3所示。填充墙与主体框架采用工程中最常见的砌筑方法,即填充墙与框架梁间实心砖斜砌顶紧,填充墙与框架柱之间砂浆挤紧,不留空隙,拉结筋拉结。 2.2 框架纵向受力钢筋应变试验加载制度 本试验在中国地震局工程力学研究所伪动力实验室进行,试验加载装置如图3所示。试验竖向荷载分别由三台液压千斤顶作用于框架柱顶面,从A到C三根柱顶荷载分别为250 kN、380kN及380kN,在整个试验过程中保持恒定,相应轴压比分别为0.56、0.78及 0.78。水平荷载由作动器于框架梁端面施加,采用位移控制的低周往复加载方式,水平加载制度如图4所示,各位移幅值循环三次,直至试件的水平承载能力下降到最大承载力的80%以下时,试验终止。 试验过程中,框架纵向受力钢筋应变采用BX120-5AA 电阻应变片量测,关键位置的变形通过顶杆位移计进行量测,数据采用东华静态数据采集系统采集。应变片主要布置于框架梁柱两端可能产生塑性铰的区域,水平位移计布置于柱顶、柱底及底梁,竖向位移计布置于各柱顶,斜向交叉位移计布置于每跨框架柱对角点。另外,在每