建筑震害原因與抗震方式研討

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本文作者：梅巧林 單位：湖北省機電研究設(shè)計院

鋼筋混凝土體系包括：框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架－剪力墻結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)體系包括：鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼框架－支撐結(jié)構(gòu)、鋼框架－砼剪力墻結(jié)構(gòu)、鋼框架－砼核心筒結(jié)構(gòu)、框－筒結(jié)構(gòu)、桁架－筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)、束筒結(jié)構(gòu)。

由于高層建筑的結(jié)構(gòu)特點，目前高層建筑普遍采用鋼筋混凝土材料。相對其他材料建造的房屋而言，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的房屋具有較好的抗震性能，但如果設(shè)計不合理，施工質(zhì)量不良，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋也會產(chǎn)生嚴重震害，建筑結(jié)構(gòu)震害的嚴重程度主要取決于地震動特性和自身特征兩個因素。地震對建筑物的破壞程度不僅與震級有關(guān)，還與震源深淺、震中距、場地土特征以及建筑物自身動力特性有關(guān)。一般來說建筑物在震級小、震源深、離震中距遠的情況下遭到破壞的可能性較小。

研究表明：地震波在土介質(zhì)中傳播時，地面運動中的短周期分量容易衰減，而長周期分量卻傳播較遠[4]。在硬土中，短周期地震波保留較多。而在軟土中，長周期的地震波傳播得更遠，且軟土層愈厚，卓越周期愈長，地震波的振幅也愈加放大。場地土的卓越周期和建筑物的自振周期較為接近時，易發(fā)生共振，震害較為嚴重（見圖1）。結(jié)構(gòu)布置不合理：如果建筑物平面布置不規(guī)則、質(zhì)量和剛度分布不均勻、不對稱而造成剛度中心和質(zhì)量中心有較大的不重合，易使結(jié)構(gòu)在地震時產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)而嚴重破壞。如果結(jié)構(gòu)沿豎向布置的剛度有局部削弱或過大突變，地震時變化處產(chǎn)生應(yīng)力集中，也會產(chǎn)生嚴重震害（見圖2）。鞭梢效應(yīng)：結(jié)構(gòu)頂部有較高突起且與頂部一下結(jié)構(gòu)剛度相差較大時，地震作用下產(chǎn)生鞭梢效應(yīng)，加劇高階振型對結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)構(gòu)碰撞：國內(nèi)外大地震中相鄰結(jié)構(gòu)碰撞造成的震害十分普遍，主要是在設(shè)置溫度縫或抗震縫時，縫寬度過小，地震搖擺使距離過近的結(jié)構(gòu)碰撞，導致結(jié)構(gòu)損傷（見圖3）。

常見結(jié)構(gòu)形式的建筑震害特點

由于框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架－剪力墻結(jié)構(gòu)最為常見，下面主要介紹了這三類結(jié)構(gòu)的震害特點。框架結(jié)構(gòu)的整體破壞形式可分為延性破壞和脆性破壞。若結(jié)構(gòu)的塑性鉸出現(xiàn)在梁端，形成梁鉸機制（強柱弱梁），此時結(jié)構(gòu)能承受較大的整體變形，吸收較多地震輸入能量，結(jié)構(gòu)發(fā)生延性破壞；當塑性鉸出現(xiàn)在柱端，形成柱鉸機制（強梁弱柱），此時結(jié)構(gòu)的變形往往集中在某一薄弱層，結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞，嚴重時會出現(xiàn)房屋倒塌?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的震害多發(fā)生于柱端和節(jié)點，梁端震害相對較小?？蚣苤闹饕鸷π螒B(tài)有：柱端彎剪破壞、柱身剪切破壞、角柱彎剪破壞以及短柱的剪切破壞；框架梁的震害相對較輕，其基本表現(xiàn)為豎向彎曲裂縫或剪切斜裂縫；框架梁柱節(jié)點是連接框架梁河柱的關(guān)鍵部位，地震中節(jié)點核心區(qū)常產(chǎn)生對角方向的斜裂縫或交叉斜裂縫，嚴重時混凝土剪碎剝落，柱縱筋壓屈外鼓，這種破壞的主要原因是受剪承載能力不足或施工質(zhì)量較差所致，節(jié)點核心區(qū)箍筋不足是主要原因?？蚣芴畛鋲Φ恼鸷π螒B(tài)表現(xiàn)為：發(fā)生墻面斜裂縫。并沿柱周邊開裂，在端墻、窗間墻或門洞口的邊角部位產(chǎn)生斜裂縫或交叉裂縫，震害更為嚴重。發(fā)生這些破壞的主要原因是：墻體抗拉、抗剪能力低，變形能力小，墻體與框架缺乏有效的拉結(jié)。

相對于框架結(jié)構(gòu)而言，剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)的震害較輕。高層建筑結(jié)構(gòu)中剪力墻的破壞主要有兩種類型：一種是剪力墻底部破壞，這主要是由于狹而高的墻肢工作性能類似于懸臂梁，震害常出現(xiàn)在底部；另一種是連梁的剪切破壞，連梁是位于上下門窗洞口之間聯(lián)系墻肢的水平構(gòu)件，墻肢之間是剪力墻結(jié)構(gòu)變形集中之處，故連梁很容易產(chǎn)生破壞。實際工程中由于剪力墻的布置使建筑平面布置和空間利用受到限制，因此實際工程中多采用框架-剪力墻的形式。

在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，框架主要用來承擔豎向荷載，剪力墻承擔大部分的水平荷載?？蚣?剪力墻（核心筒）結(jié)構(gòu)，由于具有較大的抗側(cè)剛度和承載力，顯示出了優(yōu)越的抗震性能，尤其是與同一地區(qū)的框架結(jié)構(gòu)相比，框架-剪力墻（核心筒）結(jié)構(gòu)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞要輕很多。圖5為汶川地震中的綿陽新益大廈，在地震中僅少數(shù)圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生細微裂縫。

基于震害基礎(chǔ)上的抗震概念設(shè)計

抗震概念設(shè)計是指一些在計算中或在規(guī)范中難以作出具體規(guī)定的問題，必須由工程師運用“概念”進行分析，作出判斷，以便采取相應(yīng)的措施。例如結(jié)構(gòu)破壞機理的概念，力學概念以及由震害試驗現(xiàn)象等總結(jié)提供的各種宏觀和具體的經(jīng)驗等，這些概念及經(jīng)驗要貫穿在方案確定及結(jié)構(gòu)布置過程中，也體現(xiàn)在計算簡圖或計算結(jié)果的處理中。

目前地震及結(jié)構(gòu)所受地震作用還有許多規(guī)律未被認識，人們在總結(jié)歷次大地震災(zāi)害經(jīng)驗中認識到：一個合理的抗震設(shè)計，在很大程度上取決于良好的“概念設(shè)計”。為了保證結(jié)構(gòu)具有足夠的抗震可靠性而對建筑工程結(jié)構(gòu)做的概念設(shè)計主要考慮了以下因素：場地條件和場地土的穩(wěn)定性；建筑物的平、立面布置及其外形尺寸；抗震結(jié)構(gòu)體系的選取、抗側(cè)力構(gòu)件的布置以及結(jié)構(gòu)質(zhì)量的分布；非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)的關(guān)系及其兩者之間的錨拉；材料與施工質(zhì)量等。

結(jié)語

在上文中，筆者基于常見高層建筑在地震下的震害特點介紹了高層建筑在抗震設(shè)計中概念設(shè)計。在地震頻繁發(fā)生和高層建筑結(jié)構(gòu)大量建設(shè)并迅速發(fā)展的客觀情況下，工程師應(yīng)將概念設(shè)計貫穿在結(jié)構(gòu)設(shè)計的每一步驟，創(chuàng)作出更加安全、適用、經(jīng)濟、美觀的高層建筑。最后根據(jù)這些震害特點和概念設(shè)計的方法提出我的一些建議和想法。

對于震害的一些特點，我有以下一些建議：對工程建設(shè)的監(jiān)督和管理仍需加強，避免在設(shè)計和施工環(huán)節(jié)出現(xiàn)不符合抗震規(guī)范的建筑工程。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，在資金充裕的條件下，應(yīng)優(yōu)先選擇更有利于抗震的結(jié)構(gòu)形式，保證可靠的抗震措施。加強各級政府、行政部門和普通群眾的抗震防災(zāi)意識，做好抗震預防工作，特別是保證房屋建筑達到規(guī)定的抗震設(shè)防標準，以最大程度的減少因建筑物抗震能力不足而倒塌破壞造成的人員傷亡。