我国城市房屋的抗震性能分析

摘要：介绍了几种典型的城市房屋建筑结构形式，总结了砖木结构、砌体结构及框架结构城市建筑的主要破坏形式，并分析了震害产生的原因，最后重点以框架-剪力墙结构为研究对象探讨了我国城市房屋的抗震性能。

关键词：房屋；抗震性能分析；框架；-剪力墙结构

1现有城市建筑结构形式及震害特征

1.1砖木结构及震害特征

这种形式的建筑是以砌体和木材为主要材料，纵、横墙为主要的承重构件，均由砌体砌筑而成，这种结构形式的建筑建造时间比较久远，多集中于上世纪六十年代以前，特点是建造简单，取材容易，费用较低，但其防潮、防火及抗震性能比较差。

震害主要有:1）屋面破坏及坍塌。由于木屋架支撑处没有均匀传力的垫块和紧固措施，地震作用下木屋架上的惯性力不能有效地传递至砖墙上，木屋架缺乏有效约束，构件体系的整体性差，导致木屋架整体坍塌。2）墙体开裂。纵、横墙交叉处的裂缝是由于外墙转角处和内外墙结合部位咬合不牢，更没有拉结钢筋，加之砌体的延性、抗剪、抗拉强度均较低，所以这些部位两侧墙体接搓处容易形成上下贯通的裂缝。3）结构整体倒塌。砖木结构的抗侧力体系较为单一，冗余度不足，若墙体刚度不足，没有圈梁、构造柱对墙体形成有效约束，加之震害较重时，则结构整体倒塌。

1.2砌体结构及震害特征

砌体结构主要是以砖、石等材料通过砂浆的粘结作用砌筑而成的结构，2008年汶川大地震砌体房屋的破坏率也高达70%。地震时破坏较重，抗震性能很差。

震害特征：1）墙体出现贯穿的斜裂缝。在地震作用下，由于墙体上的主拉应力超过砌体强度引起剪切破坏，从而出现贯穿墙体的斜裂缝，这种震害现象比较常见。2）墙体出现x形裂缝由于靠近走廊一侧的的纵墙上即开门又开窗，该侧墙体的刚度及承载力小于另外一侧，所以X形裂缝主要出现在该侧的纵墙上，多集中于门洞之间，窗间墙和窗下纵墙。

1.3框架结构

框架结构是钢筋混凝土结构体系中应用极为广泛的一种。框架结构属于柔性结构，单跨框架的侧向刚度就更加的小，在强烈地震作用下，结构所产生的水平位移较大，容易造成非结构构件的破坏，在框架节点处应力集中现象显著，容易造成节点区域的破坏。框架结构震害特征：1）填充墙的破坏。房屋因为采光的要求，一般采用单跨形式，纵墙开洞较大，一侧设悬挑走廊且不设柱子。这种结构方案的建筑横向只有一跨，冗余度不足，结构整 体刚度较小，在地震作用下位移较大，从而导致填充墙严重开裂，砂浆被震松，墙体被压酥，失去承载力。2）框架的破坏。外带悬挑走廊的框架结构，在强震作用下走廊一侧的柱子承受较大的竖向荷载及弯矩，该侧的框架柱很容易破坏。

2城市房屋的抗震性能

从以上三种结构的震害表现和分析结果来看，砖木结构的抗震性能最差，砌体结构次之，框架结构的抗震性能较好。从框架结构在地震中的破坏形式来看，这种结构相对于砖木结构和砌体结构的震害较轻，主要表现为非结构构件(填充墙)的破坏，后期修复相对较容易，费用较低。砖木结构形式的建筑抗震性能较差，所以不应使用。因此，下面重点分析框架-剪力墙结构抗震分析方法。

2.1剪力墙的模型

剪力墙的构件截面尺寸大，受力较为复杂，对于剪力墙的弹塑性分析模型，很多学者做了大量的研究工作提出了很多模拟剪力墙的模型，如薄壁杆件模型、墙元模型、等效梁模型、墙板单元模型、等效支撑模型、三垂直杆模型、多垂直杆元模型、纤维墙元模型、非线性分层壳模型等。

1）等效支撑模型。根据剪力墙受力时的主应力在剪力墙中的分布，将剪力墙用具有等效抗剪刚度的支撑替换，同时对支撑两侧柱截面面积按等效抗弯刚度进行替换，模型如图1所示，图中柱与梁为刚性连接，其他节点均为铰节点。这种模型的实质就是利用等代框架与剪力墙的抗弯刚度、抗剪刚度、轴压刚度相等的原则，模拟剪力墙进入塑性阶段的性能。

2）多垂直杆单元模型。多垂直杆单元模型解决了中间墙板和边柱协调关系不明确的缺点，是在等效梁模型和和三垂直杆单元模型的基础上发展起来的，只需要给出较容易确定的拉压和剪切滞回关系，避免了使用弯曲弹簧时确定弯曲滞变特性的困难，同时也可以考虑地震反应中剪力墙横截面中性轴的移动和剪力墙的弯矩和轴力的相关性。同时对多垂直杆单元模型单元刚度矩阵的形式、垂直拉压杆的轴向刚度及剪力墙水平剪切刚度的恢复力模型等进行了探讨与改进。

3）纤维墙元模型。纤维墙元模型是由承受轴力及弯矩纤维子单元与承受剪切变形的剪切子单元相结合的计算模型，如图2所示。首先将剪力墙的截面划分成网格，沿剪力墙层高方向建立纤维子单元，根据钢筋和混凝土材料的非线性本构关系，仅考虑剪力墙的轴向和弯曲变形，不考虑其剪切变形，而剪力墙的剪切变形则由位于剪力墙一定高度处的具有剪切刚度的水平弹簧来模拟。

2.2材料本构关系

在分层壳单元中，由于钢筋材料被分布于壳单元中的某一层或某几层中，所以不同钢筋材料的本构关系都可以在分层壳单元中使用。对于纵、横向配筋率相同的墙体，可设置各向同性的钢筋层，对于纵、横向配筋率不同的层，可按照各层材料的主轴方向设置各向异性的钢筋层，

混凝土属于脆性材料，在外力作用下很容易发生破坏，在加上混凝土材质的不均匀性，所以混凝土本构关系模型的选取对结构最终的分析结果影响较大。

2.3剪力墙的数量对结构抗震性能的影响

在框架-剪力墙结构中剪力墙和框架之间是一种空间相互协同工作的机制，剪力墙的刚度较大，水平荷载主要由剪力墙来承担，框架承担的水平荷载只有很小的一部分。所以框架-剪力墙结构体系中剪力墙的数量对其结构抗震性能的影响较大，剪力墙除了要满足强度条件外，还要具有一定的刚度。地震作用下结构内力相应增大，可能会加剧结构的破坏，在经济上也会造成不必要的浪费。所以有必要对于框架一剪力墙结构中剪力墙的数量进行研究。在高层建筑的框架-剪力墙结构中剪力墙的数量与刚度特征值人有关：

为总框架的抗侧刚度; 为总剪力墙的刚度。

λ表示总框架抗侧刚度与总剪力墙抗弯刚度的相对大小，它对框架-剪力墙结构的受力及变形性能影响很大。当 =0时，则λ=0此时框架―剪力墙结构就成为无框架的纯剪力墙体系，其侧移曲线呈弯曲型变形;当 时，则λ=∞此时结构变成纯框架结构，其侧移曲线呈剪切型:当λ介于0与∞之间时，框架-剪力墙结构的侧移曲线介于弯曲型与剪切型之间，属于弯剪型。如果框架刚度与剪力墙刚度之比较小，即人较小时，剪力墙承受的水平荷载比例较大，侧移曲线呈现以弯曲型为主的弯剪型;λ≤1时，框架的作用已经很小，框架一剪力墙结构基本上为弯曲型变形。如果框架刚度和剪力墙刚度之比较大，即λ较大时，侧移曲线呈以剪切型为主的弯剪型变形; λ≥6时，剪力墙的作用己经很小，框架一剪力墙结构基本上为整体剪切型变形。

3结语

总之，论文重点探讨了框架-剪力墙结构抗震分析方法。作为抗震设计、研究的从业人员和政府主管部门，应从地震中总结经验，吸取教训，重视城市房屋的抗震性能设计。