于 婧，劉小軍，趙玉慧

（1. 西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055; 2. 西安長慶科技工程有限責任公司 陜西 西安 710018)

對框架結構進行抗震設計的目標[1]是對構件進行承載力設計的基礎上，保證結構的整體承載力儲備和變形能力，增加結構的冗余度和整體性，采取有效措施使結構形成合理的屈服機制，利用設計盡量形成多道抗震防線，提高框架結構抗倒塌能力．

對于框架結構，目前一致認為“強柱弱梁”屈服機制是比較理想的破壞模式．但是，文獻[1-4]指出，地震中大量的框架結構均發(fā)生柱鉸破壞機制，所有倒塌的框架結構也基本是以層屈服機制形式出現(xiàn)的，絕大部分框架結構未能實現(xiàn)“強柱弱梁”的破壞機制．因此，需要對規(guī)范在保證結構實現(xiàn)整體屈服機制方面的有關規(guī)定進一步完善研究．

汶川震害調查表明[1]漩口中學教學樓B和教學樓E框架柱底部施工縫連接構造存在問題，框架柱的承載能力未得到充分發(fā)揮，加劇了層屈服機制發(fā)生的可能性，因此，比教學樓A和教學樓C倒塌得更徹底．北川職教中心教學樓雖然僅為單跨結構，冗余度不大，但因實現(xiàn)“強柱弱梁”屈服機制，再加上實心磚填充墻的貢獻，以及結構本身層數(shù)不多，重量又比較輕，避免了倒塌．

施工縫一般出現(xiàn)在框架結構的柱端，是受力較大的部位，且是關鍵構件之間連接的部位．目前對施工縫的研究更多的集中在對其基本力學性能，尤其是抗拉和抗剪等方面的試驗研究．結果表明施工縫處的抗拉和抗剪能力低于整澆混凝土．關于施工縫對結構或構件抗震性能影響方面的研究文獻不多．陳遠峰等[5]對兩個單榀兩層兩跨框架進行了低周反復荷載下的擬靜力試驗，兩個框架為1:3縮尺模型，帶縫框架的施工縫留設在頂梁的下端、一層梁的上下端及柱腳，另一個框架整澆．結果表明兩個框架的力-位移滯回曲線形狀相近；整澆框架的承載力比帶縫框架高約 14 %，而帶縫框架的延性稍好；施工縫明顯降低了框架的變形恢復能力，降低了結構的初始剛度．

張衛(wèi)東等[6]在上述試驗的基礎上，接著對施工縫留設位置不同的帶縫框架用ANSYS軟件進行了計算分析，文中說明施工縫用Combin39彈簧單元并組合進行模擬，但是沒有給出選用這種單元的依據(jù)和單元參數(shù)的設置．結果表明作者改進后的施工縫留設方式，即同一層柱的施工縫位置不在一條水平線上，其延性、承載力與耗能能力均變好．

魏春明[7]同樣對兩個兩層兩跨的鋼筋混凝土框架進行了擬靜力試驗，試驗仍然是對帶施工縫框架與整澆框架進行對比研究．帶縫框架的施工縫留設在每根柱的底部與梁相交處．試驗對比了兩種框架的破壞形態(tài)，并對滯回曲線、承載力、變形能力和耗能能力等參數(shù)進行對比，分析施工縫造成的影響．最后給出了由試驗中得到的帶縫框架的整體恢復力模型，并用于時程分析得出一些結論．

課題組對帶施工縫柱進行擬靜力試驗研究[8-10]，結果表明施工縫使構件的開裂荷載降低，接縫面處有明顯的應力集中，沿縫發(fā)生的剪切錯動會導致剪切變形分量增大，柱底的縱筋滑移量增大，最終表現(xiàn)為破壞區(qū)域集中，塑性鉸長度減?。?/p>

可見，僅有的少量試驗研究表明，施工縫對框架結構抗震性能確有影響，至于影響的程度和范圍，限于試件數(shù)量和試驗方法等問題，并沒有得到較明確的結論．現(xiàn)有的研究成果中比較缺乏考慮施工縫影響的鋼筋混凝土結構數(shù)值分析方面的研究，無法系統(tǒng)地分析施工縫對框架結構抗震性能影響的一般性規(guī)律，更無法在設計中考慮施工縫影響．

應用課題組提出的施工縫模型[11]，主要對一般性帶縫RC規(guī)則框架的抗震性能進行數(shù)值研究．在抗震設防烈度8度區(qū)設計3種不同高寬比的規(guī)則框架進行非線性數(shù)值分析，對帶縫框架抗震性能的變化規(guī)律進行縱向對比研究，以期得到施工縫對 RC規(guī)則框架結構抗震性能影響的一般性規(guī)律，并在此基礎上提出相應的抗震設計建議．

1 數(shù)值模型的建立

按照現(xiàn)行抗震設計規(guī)范[12]在8度區(qū)分別設計了三種不同高寬比鋼筋混凝土框架結構，分別為0.58（2層）、1.11（4層）和 2.18（8層 ）．框架結構縱向跨度6 m×6 m×6 m，橫向跨度4.5 m×4.5 m×4.5 m，底層層高4.2 m，其余各層3.6 m．設計地震分組第1組，場地類別Ⅱ類，特征周期0.35，場地粗糙度類別 B，基本風壓 0.35 kN/m2，雪壓 0.25 kN/m2．屋面恒載和活載分別為 6.5 kN/m2，2.0 kN/m2；樓面恒載和活載分別為 5.0 kN/m2，2.0 kN/m2，恒載不包括構件自重．梁柱縱筋采用HRB400，梁柱箍筋和板筋采用HRB335，混凝土強度等級C30，板厚120 mm．

采用PKPM軟件進行結構設計，設計時控制底層柱軸壓比、層間位移角、構件配筋率、裂縫和撓度等不超過規(guī)范限制，小震下的層間位移角接近但不超過規(guī)范限值．選筋時除因設計習慣而導致的配筋增大外盡可能不再增大鋼筋面積，各層柱配筋按上下端配筋較大值貫通布置，每層梁柱配筋不歸并．可以認為這樣設計出的框架滿足規(guī)范的最小要求且處于偏不利的受力狀態(tài)．各框架的梁柱截面尺寸及配筋見表1所示．

表1梁柱尺寸及配筋Tab. 1 Dimension and reinforcement of columns and beams

5 4■22+8■18 4■22+8■20 2■25+2■22 3■22 2■25+2■22 3■22 6 4■18+8■16 4■22+8■20 2■25+1■22 3■22 2■25+1■22 3■22 7 4■18+8■16 4■18+8■16 2■25+1■22 3■22 2■25+1■22 3■22 8 4■18+8■16 4■18+8■16 2■25+1■22 3■22 2■25+1■22 3■22

對框架結構數(shù)值模型進行非線性動力時程分析,目的是考察施工縫對框架結構抗震性能的影響．因此，采取兩種非線性模型進行對比分析，一種是考慮施工縫影響的框架結構模型，簡稱“帶縫框架”，即在每層柱的底部（梁上頂面標高處）加入施工縫模型[11]；另外一種是不考慮施工縫影響的框架結構模型，簡稱“整澆框架”，是目前慣用的一種對框架結構進行建模的方法．“整澆框架”與“帶縫框架”的梁柱構件均用非線性梁柱單元模擬，樓板采用剛性假定．計算在 OpenSees軟件平臺上完成，參數(shù)選取及模型建立的內容見文獻[11]．

該施工縫模型是基于纖維截面(fiber section)提出的零長(指單位長度)截面單元，表示施工縫只是混凝土不連續(xù)澆筑而形成的一個接縫面，在軸向沒有幾何尺寸．另外該模型能同時考慮切向剪力性能和法向拉壓力性能．法向受力性能由“界面拉壓彈簧”描述，切向受力性能由“界面剪切彈簧”描述．“界面拉壓彈簧”的屬性通過定義纖維截面模型實現(xiàn)，對混凝土纖維和鋼筋纖維分別選擇符合施工縫接縫混凝土力學特點和穿過縫面鋼筋力學特點的材料本構．

應用該模型對課題組所做擬靜力試驗中的底部帶施工縫懸臂柱進行數(shù)值計算[11]，結果顯示無論最大荷載還是滯回曲線走勢規(guī)律均與試驗結果吻合良好，驗證了該施工縫模型的有效性和合理性．

2 地震動輸入的確定

地震波的選取對時程分析結果至關重要，計算中，對每種框架結構按照雙頻段選波法[13]選擇3條實際地面運動記錄和按照ARMA模型擬合的2條人工波．對各框架選取的地震波的彈性反應譜曲線如圖1所示．

圖1各框架所選地震波的彈性反應譜Fig. 1 Elastic response spectrums of waves adopted

3 計算結果及分析

對各烈度區(qū)框架結構分別建立“帶縫框架”模型和“整澆框架”模型，輸入選定的地震動記錄，進行大震下的非線性時程分析．從結構頂點位移、層間位移角、關鍵構件的反應等方面進行對比分析，研究施工縫對框架結構抗震性能的影響程度與范圍．

3.1 結構頂點水平位移

頂點位移的變化在一定程度上反映了結構在地震動輸入下的綜合動力特征．各框架結構頂點最大水平位移見表2所示．

表2不同框架結構頂點最大位移平均值Tab. 2 The maximum top displacement of frame

可見，在小震下，帶縫框架的頂點水平位移與整澆框架幾乎相同，時程曲線變化規(guī)律也相似；在中震和大震下，帶縫框架的頂點水平位移比整澆框架略大，但是對不同高寬比框架的影響程度不同．對高寬比為0.58的2層框架影響最大，高寬比為1.11的4層框架次之，高寬比為2.18的8層框架最小． 這主要與各框架結構設計時的安全儲備有關．各烈度區(qū)框架的層間位移角分布也遵循此規(guī)律，下面將給出具體的數(shù)據(jù)．

3.2 層間位移角平均值

層間位移角是判斷結構抗震性能的一個重要指標，從層間位移角在各層的分布可以看出結構的薄弱層所在位置，當某一層的層間位移角超過一定限值時即認為該層結構發(fā)生倒塌，整體結構失效．與前文相同，選取每條地震波時程分析中層間位移角最大的兩個時刻，并求5條地震波計算的平均值．兩個時刻分別計為“時刻1”和“時刻2”，對應頂點位移達到最大值時和最大層間位移角達最大值時．頂點位移達到最大值的時刻往往與最大層間位移角達到最大的時刻并不相同．

3種不同高寬比框架結構的兩種計算模型在小震、中震和大震輸入下，各層層間位移角平均值如圖2所示．圖中框架編號“kj-2z/f -時刻1”指“2層框架在時刻1的層間位移角平均值”，“2”指2層，“z”指整澆，“f”指帶縫，以下各編號意義均與此類似．各框架的最大層間位移角及出現(xiàn)的樓層見表3所示．

圖2 不同高寬比框架最大層間位移角平均值Fig. 2 The average of maximum interstory drifts of frames

表3各框架最大層間位移角Tab. 3 The maximum interstory drifts of frames

可見，對于2層框架，在小震下，整澆與帶縫框架的層間位移角分布一致，最大層間位移角出現(xiàn)在頂層，曲線幾乎重合，施工縫沒有造成影響；在中震下，兩者的層間位移角分布略有差異，主要體現(xiàn)在頂層，帶縫框架的層間位移角較大；在大震下，帶縫框架的層間位移角仍然比整澆框架大，最大層間位移角均出現(xiàn)在底層，均滿足規(guī)范限值要求．

對于4層框架，在3個不同的地震烈度水準下，整澆和帶縫框架的層間位移角分布規(guī)律一致，最大層間位移角出現(xiàn)的樓層一樣．小震下，施工縫幾乎沒造成影響；中震和大震下，施工縫使結構的層間位移角增大，但最大值沒超過規(guī)范限值．

對于8層框架，在小震下，整澆與帶縫框架的層間位移角分布相差極小，可忽略不計；在中震和大震下，整澆與帶縫框架的層間位移角分布不同，整澆框架的最大層間位移角出現(xiàn)在4層，而帶縫框架的最大層間位移角出現(xiàn)在底層．除此之外，兩者的最大層間位移角幾乎相等，且值都非常?。?/p>

可見，施工縫對不同高寬比框架結構在3種不同地震烈度水準下的影響規(guī)律并不一致．總體來說，在小震下，施工縫對框架結構的層間位移角基本沒有影響；在中震和大震下，施工縫會使框架結構的層間位移角增大，而且對于高寬比較大的結構，會改變其層間位移角分布．但是，最大層間位移角均未超過規(guī)范限值．

3.3 關鍵構件的反應

非線性分析中發(fā)現(xiàn)，底層柱下端是最容易出現(xiàn)塑性鉸的部位．因此，底層柱作為結構的關鍵構件，其底部截面的彎矩-曲率關系可以衡量結構的局部反應．時程分析中記錄下各框架底層邊柱底部截面的彎矩-曲率滯回曲線，其中4層框架底層邊柱底部截面的彎矩-曲率滯回曲線如圖3所示，其余框架的規(guī)律與此類似，限于篇幅從略．

圖3 4層框架底層柱底端截面彎矩-曲率關系Fig. 3 The moment-curvature curves of columns in ground floor

分析可知，對于2層和4層框架，在小震情況下，底層邊柱的下端截面處于彈性狀態(tài)，彎矩-曲率關系呈線性，此時施工縫幾乎沒有影響；在中震情況下，截面開始進入塑性階段，彎矩-曲率關系出現(xiàn)非線性，施工縫的影響不顯著；在大震下，截面進入較強的非線性階段，彎矩-曲率關系呈滯回曲線狀，向一個方向發(fā)生偏移，其中帶縫框架的底層柱截面發(fā)生更明顯的偏移，施工縫的影響明顯．

對于8層框架，在小震與中震下，底層柱截面均基本處于彈性狀態(tài)，彎矩-曲率關系呈線性，施工縫的影響幾乎可以忽略不計；在大震下，截面開始進入塑性階段，但是非線性的程度不高，且整澆與帶縫框架均是一致的規(guī)律，此時施工縫的存在造成了一定的影響，但是并不顯著．

可見，施工縫對不同高寬比框架的影響程度不同，對關鍵構件局部反應的影響規(guī)律與前述的頂點位移和層間位移角影響規(guī)律一致．造成這種差別的原因將在下一節(jié)給出分析說明．

3.4 計算結果分析

由上述結算結果對比可知，在小震下，施工縫對不同高寬比框架結構的抗震性能均幾乎沒有影響，可以對其不做考慮．在中震和大震下，施工縫對不同高寬比框架的影響規(guī)律不同．主要表現(xiàn)在，對2層框架的影響最明顯，使頂點位移增大，使層間位移角增大，使關鍵構件的局部反應加重；對 4層框架的影響比較明顯，使頂點位移增大，層間位移角增大，關鍵構件的局部反應加重；對8層框架的影響甚微，雖然使層間位移角分布有所改變，但是最大層間位移角并沒有增大，對頂點位移和關鍵構件的局部反應也基本沒有影響．

究其原因，同為按照抗震規(guī)范設計的8度區(qū)的規(guī)則框架結構，按照規(guī)范規(guī)定，2層和4層框架的抗震等級為二級，8層框架由于高度超過24 m，抗震等級為一級．因此，8層框架的抗震構造措施要嚴格的多．另外，2層框架的基本自振周期約為0.47s，與Ⅱ類場地計算罕遇地震時的特征周期0.4s很接近，地震作用較大．在遭遇設防烈度地震時即開始進入塑性，在罕遇地震下，結構進入較強的非線性．而8層框架的基本自振周期約為1.04s，與場地特征周期相差甚遠，地震作用較?。诤庇龅卣鹣?，2層框架結構的首層樓層的水平地震作用約為8層框架結構的首層樓層的水平地震作用的6倍．因此，8層框架在遭遇罕遇地震時，仍然有較高的安全儲備，施工縫的影響甚微，幾乎可以忽略不計．4層框架介于兩者之間．

總結施工縫對RC規(guī)則框架結構抗震性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)施工縫對框架結構抗震性能的影響主要與結構或構件進入非線性的程度有關．如果結構處于彈性受力階段，施工縫基本沒有影響；如果結構進入非線性受力階段，則施工縫的影響開始凸顯，主要會使結構的變形增大，位移分布形式發(fā)生改變等．而且，結構進入非線性的程度越深，施工縫的影響作用越明顯．

4 帶縫RC規(guī)則框架抗震設計建議

總結施工縫對RC規(guī)則框架結構抗震性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在某些條件下，施工縫會對結構產生一定不利影響，因此，有必要從抗震設計角度給予考慮．

施工縫一般位于關鍵構件框架柱的端部，在此處與梁連接，在設計中屬于重點加強的部位．應確保實現(xiàn)結構直至倒塌仍可保持整體受力，即保證所有連接的構件應發(fā)揮其預定的設計能力，不能提前喪失承載力．施工縫留設的位置由于受力較大，往往鋼筋綁扎密集，使混凝土的澆筑和振搗變得困難，容易出現(xiàn)施工質量問題，這無疑會使施工縫的不利影響加?。鸷φ{查中也發(fā)現(xiàn)有部分施工縫震害主要是由于施工質量不合格造成的，如箍筋綁扎嚴重偏移、混凝土澆筑不實等．這些又很難在設計中加以考慮．

對于無法保證通過在施工中提高新老混凝土結合性能來避免施工縫的不利影響的情況，需要將其作為一個受力薄弱面，在對結構進行抗震設計時加以考慮．根據(jù)上述計算分析研究，給出設計建議．

按照施工縫對框架結構抗震性能影響的研究，在小震下，施工縫并不會造成不利影響，因此，可以不作考慮．在中震和大震下，施工縫的影響與結構進入非線性的程度和結構的安全儲備有關．結構進入非線性的程度越強，施工縫的影響就會越明顯，而如果結構的抗震構造措施比較嚴格，與大震下的地震作用相比，具有足夠的安全儲備，此時施工縫的影響可以不作考慮．具體可歸結為以下幾條建議：

a.小震下，對結構進行彈性分析時，可不考慮施工縫的影響；

b.對于抗震等級為一級的 RC框架結構，由于構造措施比較嚴格，結構具有較好的延性性能和安全儲備，可不考慮施工縫的影響；

c.對于抗震等級為二級及以下的RC框架結構，在進行大震下的非線性分析時宜考慮施工縫的影響．如果結構的基本自振周期與場地特征周期一致或比較接近，地震作用較大，而結構的安全儲備不高，此時應在對結構進行強非線性分析時考慮施工縫的影響．

目前我國抗震設計規(guī)范采用的是“兩階段三水準”的設計方法．計算分析的方法可按以下步驟進行：

a.第一階段設計是基于彈性理論的承載力設計，此階段可不考慮施工縫的影響．

b.第二階段設計是基于彈塑性理論的變形驗算，需要判斷是否考慮施工縫的影響．如果在對結構進行大震下的變形驗算時，結果顯示結構的延性較好，安全儲備高出20%以上，可以不再進行考慮施工縫影響的驗算．如果結構的安全儲備較低，即最大層間位移角大于1/60，此時建議考慮施工縫的影響進一步進行大震下的變形驗算．具體方法是在框架柱的端部加入施工縫模型，重新進行彈塑性分析，并將計算結果與規(guī)范的限值進行比較．也可以將計算的最大層間位移角直接增大 20 %來近似考慮施工縫的影響．

對于需要考慮施工縫不利影響的 RC框架結構，可以以薄弱層彈塑性最大層間位移角為控制指標進行大震下的計算分析．施工縫可能會使結構在大震下的最大層間位移角增大，其作用在于能進一步考慮地震中不利的因素，更加充分的估計結構進入強非線性后性能退化的風險．以最大層間位移角為控制指標，可以綜合反映施工縫對框架結構抗震性能的不利影響．

5 結論

(1)在小震下，施工縫對RC規(guī)則框架結構的抗震性能均沒有影響，可以不做考慮．在中震和大震下，施工縫對不同高寬比框架的影響規(guī)律不同．對2層框架的影響最明顯，使頂點位移增大，使層間位移角增大，使關鍵構件的局部反應加重；對4層框架的影響次之；對8層框架的影響最小，使層間位移角分布略有改變，但是其它方面均未產生明顯影響．

(2)總結施工縫對RC規(guī)則框架結構抗震性能的影響規(guī)律，給出應該在設計中考慮施工縫影響的范圍．在小震下進行彈性分析時可以不考慮其影響．在大震下進行彈塑性分析時，對于抗震等級二級及以下，并且基本自振周期與場地特征周期接近的框架，如果安全儲備較低，則需要考慮施工縫的不利影響．

(3)針對需要考慮施工縫不利影響的規(guī)則框架結構，提出相應的抗震設計建議．

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