框架结构填充墙及首层节点抗震性能分析

摘要

框架结构因其具有平面空间布置灵活的优点，在住宅、办公楼、医院、学校等人员密集建筑中应用广泛。在我国现行抗震规范中，填充墙为框架结构的非结构构件，非承重墙体宜优先采用轻质墙体材料，工程设计地震力计算时考虑填充墙对结构周期的折减系数，一般将地震剪力完全由框架梁柱分配，不考虑填充墙的抗力，似乎是偏于安全的。近年来，我国西南地区发生了数次大地震，因没有合理考虑填充墙对框架结构的影响而造成破坏的案例很多；框架主体基本完好的情况下，填充墙发生严重破坏，也会造成很大的财产损失及人员伤亡，严重影响了结构的使用功能。因此如何充分考虑填充墙对结构主体的作用，更加合理地设计填充墙，需要在规范要求的基础上进一步完善。框架节点作为框架梁柱的连接部位，如果在地震中破坏将直接引起与其相连的框架梁柱的失效，而剪切破坏属于脆性破坏，是应该避免的，故抗震设计规范中要求“强节点弱构件，强剪弱弯”。然而芦山地震中，部分框架结构出现了首层框架柱顶的剪切破坏，部分角柱发生了首层节点的剪切破坏，这与规范中的设计理念相悖，并且发生这种破坏后果严重。
　　为了分析不同设防等级框架结构教学楼推荐使用的填充墙材料，采用PKPM软件重新设计6度、7度、7度半、8度、8度半、9度设防的框架结构教学楼，经过最不利地震动的选取，最终选择1940年El Centro地震动作为时程分析地震动，将El Centro地震动调幅至对应抗震等级的小震、中震、大震PGA输入结构模型，以结构层间位移角表示结构主体的破坏情况，用各层填充墙平均拉损伤表示填充墙的破坏情况。为了分析首层边柱柱顶剪切破坏、角柱节点剪切破坏的破坏机理，进行了单跨框架、双跨框架及芦山中学教学楼节点精细化模型不同工况下的地震反应分析。
　　得出以下结论：
　　1、6度设防框架结构教学楼使用普通砖作为填充墙材料能够保证小震中震下结构主体较小的变形，并且墙体能够维持很低的损伤，降低震后的修复费用。7度、7度半、8度设防的框架结构教学楼，使用普通砖能够减轻墙体的破坏情况，但是增加了结构的变形，结构设计时如果考虑使用普通砖，则可以通过多配钢筋等措施使结构主体达到同使用多孔砖一样的抗震性能，即使用多孔砖会增加震后墙体的修复费用，而使用普通砖会增加结构新建时的总体花费，需要设计人员根据实际情况进行考量。8度半、9度设防的框架结构教学楼使用多孔砖材料能够减轻主体结构震害，小震、中震下墙体能维持较低损伤，因此推荐使用多孔砖作为填充墙材料；
　　2、只对比首层柱顶及节点区域破坏情况，有填充墙约束的框架柱与无填充墙约束的框架柱体现出完全不同的破坏形态，有填充墙约束框架柱因柱顶受到填充墙较大的附加剪力作用，倾向于发生柱顶剪切破坏，而无填充墙约束框架柱倾向于产生节点剪切破坏；
　　3、在水平扭转作用下，框架角柱的柱顶剪切破坏有明显的向节点核心区发展的趋势，形成节点的剪切破坏；
　　4、芦山中学教学楼由于平面内刚度分布不均匀导致结构产生扭转效应，而填充墙平面内分布不均匀对扭转效应的产生有很大作用。

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第一章 绪 论

1.1 选题背景及意义

1.2 课题研究现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 框架结构震害

2.1 框架结构

2.2 芦山中学框架教学楼

2.3 框架结构首层柱顶及节点剪切破坏

2.4 本章小结

第三章 芦山中学教学楼模态分析

3.1 模态分析定义

3.2 有限元分析软件ABAQUS

3.3 芦山中学教学楼数值模型

3.4本构关系的确定

3.5 芦山中学教学楼模态分析

3.6 本章小结

第四章 不同抗震设防等级不同材料填充墙框架结构时程分析

4.1 不同抗震设防等级框架结构教学楼的设计

4.2 时程分析定义

4.3 时程分析地震动选取

4.4 不同抗震设防等级不同材料填充墙框架结构时程分析

4.5 本章小结

第五章 框架结构首层梁柱节点抗震性能分析

5.1 简化的单跨框架教学楼和双跨框架教学楼

5.2 简化的单跨框架教学楼和双跨框架教学楼有限元分析

5.3 芦山中学教学楼首层梁柱节点有限元分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

作者简介

攻读硕士期间参与的科研项目