增设落地剪力墙对框架结构地震剪力分配的影响研究

罗若帆; 王波; 郭迅; 范晓庆

doi:10.11899/zzfy20230315

增设落地剪力墙对框架结构地震剪力分配的影响研究

doi: 10.11899/zzfy20230315

罗若帆^{1, 2, 3,},
王波^1, ,,
郭迅^{1, 3, 4},
范晓庆⁴

1.
防灾科技学院, 中国地震局建筑物破坏机理与防御重点实验室, 河北三河 065201
2.
嘉应学院, 土木工程学院, 广东梅州 514015
3.
中国地震局工程力学研究所, 地震工程与工程振动重点实验室, 哈尔滨 150080
4.
中国地震局地球物理研究所, 北京 100081

基金项目: 地震科技星火计划青年项目（XH22022YA）；河北省高等学校科学研究项目（BJK2022066）；中央高校基本科研业务费专项资助项目（ZY20215109）；廊坊市科学技术研究与发展计划自筹经费项目（2021013089、2020013153）

详细信息

作者简介:
罗若帆，男，生于1988年。博士研究生，讲师。主要从事结构抗震研究。E-mail：jylrf@jyu.edu.cn

通讯作者:
王波，男，生于1989年。博士，讲师。主要从事结构抗震方面的教学和研究工作。E-mail：wangbo0808@126.com

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出版历程
- 收稿日期: 2023-03-25
- 刊出日期: 2023-08-31

Influence of Shear Walls on Optimizing Seismic Internal Force Distribution of RC Structures

Luo Ruofan^{1, 2, 3
,},
Wang Bo^{1
, ,},
Guo Xun^{1, 3, 4},
Fan Xiaoqing⁴

1.
Key Laboratory of Building Collapse Mechanism and Disaster Prevention, Institute of Disaster Prevention, China Earthquake Administration, Sanhe 065201, Hebei, China
2.
School of Civil Engineering, Jiaying University, Meizhou 514015, Guangdong, China
3.
Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, Institute of Engineering , China Earthquake Administration, Harbin 150080, China
4.
Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China

摘要

摘要: 为研究地震作用下钢筋混凝土框架结构倒塌机理，验证基于内力分配得到的抗倒塌措施的合理性，设计2组缩尺比例为1∶4的框架结构模型并开展振动台对比试验，单次双向输入地震动峰值加速度为1.0 g，分析地震作用下填充墙-框架结构变形模式和破坏特点，对比分析有、无落地剪力墙框架结构柱间内力分配规律。研究结果表明，填充墙影响框架结构整体变形及柱破坏模式，横向满砌填充墙约束结构扭转变形，即使在双向地震作用下，偏心结构也未发生扭转；由于窗下半高连续填充墙的约束作用，窗间柱抗侧刚度变大，在地震作用下承担的地震剪力是不受半高连续填充墙约束柱的6～8倍；设置落地剪力墙可优化底层柱间地震剪力分配，使框架柱地震剪力分配趋于均匀，避免结构因“凝震聚力”而发生倒塌，实现“大震不倒”。
- 框架结构 /
- 地震倒塌 /
- 剪力墙 /
- 内力分配 /
- 振动台试验
Abstract: In order to investigate the collapse mechanism of the RC frames and verify the rationality of the anti-collapse measures based on the internal force distribution under the earthquake, two models with the scale ratio of 1:4 were designed and the shaking table tests were conducted. In this paper, the structure deformation and column failure of the RC frame structures with infilled walls suffered from bidirectional earthquake reappeared in detail, and the internal force distribution of each column in the structures with or without shear walls was compared. Results show that the infilled walls have significant effects on the columns. The transverse filled walls can restrain the torsion of the structure. Thus, even under the bidirectional earthquake, the eccentric structures do not twist. Due to the restraints of the half-height continuous infilled walls under the window, the seismic shear force of the window column is 6-8 times that of unconstrained ones. The comparison of internal force distribution between columns based on strain of the column shows that the shear walls can optimize the distribution of seismic shear forces among the columns, make the internal force distribution of the columns on each axis balanced, and avoid the structure collapse.
- RC frame /
- Earthquake collapse /
- Shear walls /
- Internal force distribution /
- Shaking table test

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图 1 模型Ⅰ外观照片

Figure 1. The photo of model Ⅰ

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图 2 模型Ⅱ外观照片（带剪力墙）

Figure 2. The photo of model Ⅱ with shear walls

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图 3 剪力墙截面尺寸

Figure 3. The size of shear walls

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图 4 柱配筋

Figure 4. The reinforcement of columns

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图 5 传感器布置示意

Figure 5. The position of sensors

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图 6 模型Ⅰ台面加速度时程曲线

Figure 6. The inputting acceleration timehistory curves of model Ⅰ

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图 7 模型Ⅱ台面加速度时程曲线

Figure 7. The inputting acceleration timehistory curves of model Ⅱ

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图 8 模型Ⅰ底层位移时程曲线

Figure 8. The displacement timehistory curves of model Ⅰ

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图 9 模型Ⅱ底层位移时程曲线

Figure 9. The displacement timehistory curves of model Ⅱ

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图 10 模型Ⅰ和模型Ⅱ底层柱间内力分配情况

Figure 10. The comparison of shear force of the models with or without the shear walls

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图 11 模型Ⅰ倒塌模式

Figure 11. The collapsing pattern of model Ⅰ

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图 12 模型Ⅱ经历峰值加速度约为1.0 g的地震作用未倒塌

Figure 12. Model II with no collapse under peak ground acceleration of 0.10g

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图 13 模型Ⅱ底层构件破坏情况

Figure 13. Damage situation of ground floor members of model Ⅱ after earthquake

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表 1 试验模型主要相似关系

Table 1. The similarity ratio of the experimental model

项目	相似比
项目	模型Ⅰ （人工质量13.4 t）	模型Ⅱ （人工质量11.6 t）
长度l_r	0.25	0.25
弹性模量E_r	0.55	0.55
材料密度ρ_r	2.20	2.20
应力σ_r	0.55	0.55
时间t_r	0.50	0.50
速度v_r	0.50	0.50
加速度a_r	1.00	1.00

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表 2 不同时刻模型Ⅰ底层柱端应变

Table 2. The strain of the columns of model Ⅰ at different moments

时间t/s	柱端应变/με
	A/①轴柱		A/②轴柱		A/③轴柱		B/①轴柱		B/②轴柱		B/③轴柱		C/①轴柱		C/②轴柱		C/③轴柱
	上端	下端	上端	下端	上端	下端	上端	下端	上端	下端	上端	下端	上端	下端	上端	下端	上端	下端
6.14	25	24	49	18	26	16	13	12	18	16	10	17	8	10	9	8	9	11
7.20	21	20	41	15	22	14	11	10	15	13	9	14	7	8	8	7	8	9
14.28	83	74	144	62	73	46	41	35	53	49	30	53	23	30	28	25	28	35
17.13	69	62	124	50	63	39	37	31	47	43	27	47	20	26	25	21	25	31
20.12	79	70	138	54	73	44	39	32	50	45	31	50	23	27	26	22	28	32
24.32	51	45	103	30	48	29	32	25	39	35	23	38	17	21	19	16	21	25

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表 3 不同时刻模型Ⅱ底层柱端应变

Table 3. The strain of the columns of model Ⅱ at different moments

时间t/s	柱端应变/με
	A/①轴柱		A/②轴柱		A/③轴柱		B/①轴柱		B/②轴柱		B/③轴柱		C/①轴柱（带剪力墙）		C/②轴柱		C/③轴柱（带剪力墙）
	上端	下端	上端	下端	上端	下端	上端	下端	上端	下端	上端	下端	上端	下端	上端	下端	上端	下端
12.33	23	31	45	29	14	46	29	36	28	39	35	38	3	56	9	31	2	68
14.73	35	50	67	45	23	67	43	52	40	57	52	55	2	79	14	47	1	100
19.34	33	46	62	42	22	63	42	51	39	55	50	53	1	78	14	45	1	96
21.29	51	81	99	74	32	105	65	79	60	84	77	80	1	117	25	71	2	146
25.02	44	61	82	59	27	85	51	62	48	67	61	65	3	95	17	55	1	115
26.43	53	81	99	72	34	104	62	75	57	81	76	79	4	113	22	67	1	139

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表 4 底层框架柱计算参数

Table 4. The column parameters of two models

编号	h/mm	y/mm	I_z/mm⁴	等效计算方法示意
A/①轴柱，A/③轴柱	380	40.00	5.12×10⁶
A/②轴柱	380	40.00	3.41×10⁶
B/①轴柱，B/③轴柱	740	40.00	5.12×10⁶
B/②轴柱	740	40.00	3.41×10⁶
C/②轴柱	740	40.00	3.41×10⁶
C/①轴柱，C/③轴柱	740	40.00	3.41×10⁶
C/①轴柱，C/③轴柱（带剪力墙）	740	88.22	3.94×10⁷
注：表中右图为横墙对柱纵向抗侧刚度影响的等效计算方法示意，用于估算模型Ⅰ和模型Ⅱ的A/①轴柱、A/③轴柱、B/①轴柱、B/③轴柱与横墙组合体的惯性矩。

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表 5 不同时刻模型Ⅰ底层柱地震剪力

Table 5. The shear force of the columns of model Ⅰ at different moments

时间t/s	地震剪力/N
时间t/s	A/①轴柱	A/②轴柱	A/③轴柱	B/①轴柱	B/②轴柱	B/③轴柱	C/①轴柱	C/②轴柱	C/③轴柱
6.14	421	384	361	111	100	119	53	50	59
7.20	352	321	309	93	82	102	44	44	50
14.28	1 349	1 179	1 022	336	299	366	156	156	185
17.13	1 126	995	876	300	265	327	135	135	164
20.12	1 280	1 098	1 005	314	279	357	147	141	176
24.32	824	761	661	252	217	269	112	103	135

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表 6 不同时刻模型Ⅱ底层柱地震剪力

Table 6. The shear force of the columns of model Ⅱ at different moments

时间t/s	地震剪力/N
时间t/s	A/①轴柱	A/②轴柱	A/③轴柱	B/①轴柱	B/②轴柱	B/③轴柱	C/①轴柱（带剪力墙）	C/②轴柱	C/③轴柱（带剪力墙）
12.33	464	424	516	287	197	322	908	118	1 077
14.73	730	640	774	419	285	472	1 247	179	1 554
19.34	679	594	730	410	276	454	1 216	173	1 493
21.29	1 134	990	1 177	635	423	693	1 816	282	2 278
25.02	902	806	962	499	338	556	1 508	212	1 785
26.43	1 151	978	1 185	604	406	684	1 801	261	2 155

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参考文献(22)

顾祥林, 黄庆华, 汪小林等, 2012. 地震中钢筋混凝土框架结构倒塌反应的试验研究与数值仿真. 土木工程学报, 45（9）: 36—45

Gu X. L. , Huang Q. H. , Wang X. L. , et al. , 2012. Spatial collapse responses of reinforced concrete frame structures under earthquakes-test study and numerical simulation. China Civil Engineering Journal, 45(9): 36—45. (in Chinese)

郭迅, 2010. 汶川地震震害与抗倒塌新认识. 土木建筑与环境工程, 32（S2）: 28—29.

李小军, 于爱勤, 甘朋霞等, 2008. 汶川8.0级地震北川县城区灾害调查与分析. 震灾防御技术, 3（4）: 352—362 doi: 10.3969/j.issn.1673-5722.2008.04.004

Li X. J. , Yu A. Q. , Gan P. X. , et al. , 2008. Survey and analysis of the disaster and engineering damage of Beichuan county seat in M_S8.0 Wenchuan earthquake. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 3(4): 352—362. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1673-5722.2008.04.004

李英民, 罗文文, 韩军, 2013. 钢筋混凝土框架结构强震破坏模式的控制. 土木工程学报, 46（5）: 85—92 doi: 10.15951/j.tmgcxb.2013.05.021

Li Y. M. , Luo W. W. , Han J. , 2013. Control of failure mechanism for RC frame structure under strong earthquakes. China Civil Engineering Journal, 46(5): 85—92. (in Chinese) doi: 10.15951/j.tmgcxb.2013.05.021

林超, 郭子雄, 黄群贤等, 2018. 足尺砌体填充墙RC框架抗震性能试验研究. 建筑结构学报, 39（9）: 30—37

Lin C. , Guo Z. X. , Huang Q. X. , et al. , 2018. Experimental study on seismic behavior of full-scale infilled RC frames. Journal of Building Structures, 39(9): 30—37. (in Chinese)

刘伯权, 苏佶智, 马煜东等, 2019. 多层多跨钢筋混凝土平面框架拟静力倒塌试验研究. 土木工程学报, 52（8）: 24—39 doi: 10.15951/j.tmgcxb.2019.08.003

Liu B. Q. , Su J. Z. , Ma Y. D. , et al. , 2019. Pseudo-static collapse experiment of multi-story multi-span reinforced concrete plane frames. China Civil Engineering Journal, 52(8): 24—39. (in Chinese) doi: 10.15951/j.tmgcxb.2019.08.003

骆欢, 杜轲, 孙景江等, 2017. 地震作用下钢筋混凝土框架结构倒塌全过程振动台试验研究. 建筑结构学报, 38（12）: 49—56

Luo H. , Du K. , Sun J. J. , et al. , 2017. Shaking table test on complete collapse process of RC frame structure subjected to earthquake. Journal of Building Structures, 38(12): 49—56. (in Chinese)

曲哲, 和田章, 叶列平, 2011. 摇摆墙在框架结构抗震加固中的应用. 建筑结构学报, 32（9）: 11—19

Qu Z. , He T. Z. , Ye L. P. , 2011. Seismic retrofit of frame structures using rocking wall system. Journal of Building Structures, 32(9): 11—19. (in Chinese)

苏幼坡, 张玉敏, 王绍杰等, 2009. 从汶川地震看提高建筑结构抗倒塌能力的必要性和可行性. 土木工程学报, 42（5）: 25—32 doi: 10.15951/j.tmgcxb.2009.05.010

Su Y. P. , Zhang Y. M. , Wang S. J. , et al. , 2009. The necessity and feasibility of enhancing seismic design of structures based on the Wenchuan earthquake. China Civil Engineering Journal, 42(5): 25—32. (in Chinese) doi: 10.15951/j.tmgcxb.2009.05.010

王波, 2017. 典型RC框架结构地震倒塌机理研究. 三河: 防灾科技学院.

Wang B., 2017. Experimental study on collapse mechanism of typical RC frame structures. Sanhe: Institute of Disaster Prevention. (in Chinese)

王波, 郭迅, 宣越, 2020. 基于新视角的震害分析——以四川长宁6.0级地震为例. 震灾防御技术, 15（3）: 496—509 doi: 10.11899/zzfy20200303

Wang B. , Guo X. , Xuan Y. , 2020. Analysis of earthquake damage from a new perspective: a case study of Changning M6.0 earthquake in Sichuan Province. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 15(3): 496—509. (in Chinese) doi: 10.11899/zzfy20200303

王中阳, 车佳玲, 张尚荣等, 2018. 基于能量方法设计的RC框架结构易损性分析. 震灾防御技术, 13（3）: 524—533

Wang Z. Y. , Che J. L. , Zhang S. R. , et al. , 2018. Seismic fragility analysis of RC frame structure based on energy balance. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 13(3): 524—533. (in Chinese)

徐超, 刘健, 温增平等, 2016. 汶川地震中某RC框架结构的震害分析与模拟. 震灾防御技术, 11（3）: 542—551 doi: 10.11899/zzfy20160310

Xu C. , Liu J. , Wen Z. P. , et al. , 2016. Damage analysis and simulation of a RC frame structure in the Wenchuan earthquake. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 11(3): 542—551. (in Chinese) doi: 10.11899/zzfy20160310

许卫晓, 孙景江, 杜轲等, 2015. 阶梯墙框架结构体系的抗震性能分析. 工程力学, 32（2）: 139—146

Xu W. X. , Sun J. J. , Du K. , et al. , 2015. Seismic performance analysis of stepped wall-frame structure. Engineering Mechanics, 32(2): 139—146. (in Chinese)

闫培雷, 孙柏涛, 张昊宇, 2014. 芦山7.0级强烈地震钢筋混凝土框架结构教学楼震害. 土木工程学报, 47（S1）: 24—28

Yan P. L. , Sun B. T. , Zhang H. Y. , 2014. Seismic damage to RC frame teaching buildings in Lushan M_S7.0 earthquake. China Civil Engineering Journal, 47(S1): 24—28. (in Chinese)

杨伟松, 郭迅, 许卫晓等, 2015. 增设翼墙RC框架结构的抗震性能研究. 振动与冲击, 34（24）: 144—152

Yang W. S. , Guo X. , Xu W. X. , et al. , 2015. Seismic behaviors of RC frames retrofitted with wing walls. Journal of Vibration and Shock, 34(24): 144—152. (in Chinese)

袁新星, 2018. RC框架结构“强柱弱梁”问题的探讨. 三河: 防灾科技学院.

Yuan X. X. , 2018. Discussion on “strong column weak beam” of RC frame structure. Sanhe: Institute of Disaster Prevention. (in Chinese)

张望喜, 庞博, 徐帅, 2019. 基于IDA和易损性分析的RC框架结构底层柱端弯矩增大系数. 重庆大学学报, 42（5）: 37—45

Zhang W. X. , Pang B. , Xu S. , 2019. Research on bottom column end moment amplification factor of RC frame based on incremental dynamic analysis and fragility analysis. Journal of Chongqing University, 42(5): 37—45. (in Chinese)

中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2010. GB 50011—2010 建筑抗震设计规范. 北京: 中国建筑工业出版社.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China, General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China, 2010. GB 50011—2010 Code for seismic design of buildings. Beijing: China Architecture & Building Press. （in Chinese）

周晓洁, 李忠献, 续丹丹等, 2015. 柔性连接填充墙框架结构抗震性能试验. 天津大学学报（自然科学与工程技术版）, 48（2）: 155—166

Zhou X. J. , Li Z. X. , Xu D. D. , et al. , 2015. Experiment on seismic behavior of flexible connection masonry infilled frame structure. Journal of Tianjin University (Science and Technology), 48(2): 155—166. (in Chinese)

Penava D. , Sarhosis V. , Kožar I. , et al. , 2018. Contribution of RC columns and masonry wall to the shear resistance of masonry infilled RC frames containing different in size window and door openings. Engineering Structures, 172: 105—130. doi: 10.1016/j.engstruct.2018.06.007

Peng Q. M. , Zhou X. J. , Yang C. H. , 2018. Influence of connection and constructional details on masonry-infilled RC frames under cyclic loading. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 108: 96—110. doi: 10.1016/j.soildyn.2018.02.009

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