基于有限元模拟的粘结—滑移效应在地震脆弱学校钢筋混凝土框架中的研究

为何学校建筑和隐蔽裂缝至关重要

全球范围内，地震多次损坏或导致学校建筑倒塌，使教室变得危险。许多此类学校由钢筋混凝土构成，钢筋嵌入混凝土柱和梁内。工程师通常假定钢筋与混凝土之间粘结完好、同体受力。但在强烈震动时，钢筋可能在混凝土中发生相对滑移，从而改变整个建筑的力学行为。本研究探讨了这种称为粘结—滑移的隐蔽滑移如何影响地震脆弱的学校建筑的响应，以及更精确的计算模型如何避免高估这些建筑的安全性。

从以往地震得到的教训

意大利、中国和韩国的多次破坏性地震暴露出一个共同弱点：较早期的学校建筑并未按现代抗震规范设计。它们的柱和节点常采用细且跨距大的箍筋、尖锐的90度钩和过厚或不合理的保护层。这些细部设计降低了混凝土箍筋约束和承受剪切的能力。在既往灾害中，损伤集中于下层楼层，尤其在柱基和梁柱节点处，弯曲、剪切和钢筋与混凝土之间的粘结破坏共同导致软弱层和局部或整体倒塌。由于许多类似建筑仍在使用，理解并模拟这些破坏模式对于现实的抗震安全评估和加固设计至关重要。

从实验框架到数字孪生

为了使模型贴近现实，作者采用了按20世纪80年代韩国学校设计标准、缺乏抗震细则的三分之二比例双层钢筋混凝土框架试验结果。试件在控制条件下做往返推拉加载，同时施加恒定竖向荷载以模拟楼面重力。仪器记录了横向位移和内部钢筋应变。框架出现了弯曲、竖向和斜裂缝，且一层柱和节点发生严重破坏。沿钢筋的竖向裂缝和刚度的早期损失表明，钢筋与混凝土之间在钢筋屈服前就已发生滑移，凸显出粘结行为——而非仅仅钢筋强度——可能主导这些结构的退化过程。

三种不可见滑移的建模方式

研究者随后使用 LS-DYNA 软件建立了柱、节点及整个双层框架的详细有限元模型。他们测试了三种不同方式来表示钢筋与周围混凝土的连接。在“完美粘结”模型中，钢筋与混凝土共用节点，完全不允许滑移。在“线弹性”模型中，类似弹簧的连接允许有一定的相对位移并具有恒定刚度，能够捕捉摩擦效应但无法表现真实的粘结破坏。在“非线性非弹性”模型中，弹簧遵循来自设计建议的现实粘结—滑移曲线：粘结力随小量滑移上升、达到峰值，然后随损伤累积逐步退化。最后一种方法特别应用于一层柱的配筋，因为实验显示粘结破坏对整体框架行为影响最大。

模拟结果揭示了什么

通过比较模拟与测得的滞回曲线——显示往复加载下力与位移的循环——团队评估了三项关键性能指标：有效刚度、最大强度和耗能。传统的完美粘结模型始终使结构看起来比实际更强更韧，在全框架中约高估了最大强度38%并将耗能高估超过50%。线弹性粘结模型虽能减小误差，但仍将强度和耗能夸大约25–40%，因为它不允许裂后粘结强度下降。相反，非线性粘结—滑移模型与试验结果高度一致：有效刚度、最大强度和耗能与试验的差异均小于约8%，且预测的裂缝模式与柱基和节点处的损伤位置与实验观察相吻合。

这对更安全的学校意味着什么

对非专业读者来说，关键结论是：常用的计算模型若假设钢筋与混凝土永不滑移，可能会给早期钢筋混凝土学校建筑一种虚假的安全感。它们往往低估刚度和强度退化的速度，以及结构在严重损伤前真实能够吸收的能量。通过明确建模钢筋逐步从混凝土中脱出的过程，工程师可以获得更现实的损伤与倒塌风险预测。研究表明，即便是简化版的非线性粘结—滑移方法也能显著改进常规的抗震评估和加固设计，帮助确保下一次地震来临时，学校建筑的表现更接近经过验证的模型，而不是过去灾害中那些意外脆弱的结构。

引用: Kang, H., Lee, K., Shin, S. et al. Investigation of finite element simulation-based bond-slip effect for seismically vulnerable school reinforced concrete building frame. Sci Rep 16, 12809 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43419-6

关键词: 钢筋混凝土学校建筑, 抗震性能, 粘结—滑移建模, 有限元模拟, 地震加固