汶川地震框架結(jié)構(gòu)震害調(diào)查與分析

汶川地震框架結(jié)構(gòu)震害調(diào)查與分析

0框架結(jié)構(gòu)地震破壞2008年5月12日，四川省四川8.0號(hào)發(fā)生重大地震，造成大量建筑破壞和嚴(yán)重人員傷亡。在地震中，除施工工藝質(zhì)量差、結(jié)構(gòu)配置復(fù)雜外，大部分框架結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的抗疲勞動(dòng)性能。然而，結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中所表現(xiàn)出的一些地震仍然令人擔(dān)憂。例如，如所述，抗興梁結(jié)構(gòu)、強(qiáng)剪、弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)虛弱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念在地震中沒(méi)有得到落實(shí)。大量框架結(jié)構(gòu)的脊柱端出現(xiàn)了塑料折疊。在設(shè)計(jì)中，填充墻被視為“非結(jié)構(gòu)”結(jié)構(gòu)的一部分，但根據(jù)地震，填充墻實(shí)際上參與了結(jié)構(gòu)體系中的地震紋理分配，這與結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)之間存在著復(fù)雜的相互作用。屋頂?shù)膭傂孕?yīng)是，屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)在地震的作用下會(huì)遭到脆弱層的破壞或扭轉(zhuǎn)和破壞，從而造成嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞和坍塌。當(dāng)填充墻沿著垂直分布不均時(shí)，由于填充墻的剛性效應(yīng)時(shí)，當(dāng)層壓板結(jié)構(gòu)的層壓板結(jié)構(gòu)時(shí)，它們會(huì)沿著垂直方向的脆弱層。由于窗間墻的限制，短柱效應(yīng)、剪切力的重分配和破壞剖面的轉(zhuǎn)移，也是填補(bǔ)墻結(jié)構(gòu)地震破壞的常見(jiàn)原因。在地震調(diào)查中，由于結(jié)構(gòu)和外觀的實(shí)際設(shè)計(jì)，應(yīng)確定結(jié)構(gòu)中板巖的防護(hù)縫的寬度。當(dāng)防護(hù)縫兩側(cè)使用剛性材料時(shí)，可以填充國(guó)防縫。因此，地震期間，防洪縫兩側(cè)塔的水平位移非常有限，兩側(cè)墻的嚴(yán)重受損。此外，框架結(jié)構(gòu)中的樓梯破壞也是這次地震的一個(gè)新問(wèn)題。本文總結(jié)了四川省結(jié)構(gòu)中的地震害，希望能提供有益的信息，為今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。1《規(guī)范》中防震縫的規(guī)定建筑及其抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置宜規(guī)則、對(duì)稱,并應(yīng)具有良好的整體性.建筑物的平面布置不對(duì)稱會(huì)造成剛度或質(zhì)量平面內(nèi)的不均勻分布,在水平地震作用下,發(fā)生平移與扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的空間振動(dòng),從而加重結(jié)構(gòu)破壞程度.因此,現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)規(guī)定,對(duì)于體形復(fù)雜、平立面特別不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu),可按實(shí)際需要在適當(dāng)部分設(shè)置防震縫,將結(jié)構(gòu)劃分成多個(gè)較規(guī)則的抗側(cè)力單元.但是《規(guī)范》中指出對(duì)于高層鋼筋混凝土房屋盡量不設(shè)防震縫.這是因?yàn)?在防震縫兩側(cè)的結(jié)構(gòu)單元各自的振動(dòng)特性不同,地震時(shí)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移,如果防震縫的寬度不夠,則結(jié)構(gòu)相鄰單元之間會(huì)發(fā)生碰撞而產(chǎn)生震害.《規(guī)范》中對(duì)于框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置防震縫的寬度要求為“當(dāng)高度不超過(guò)15m時(shí)可取70mm;超過(guò)15m時(shí),6度、7度、8度和9度時(shí)相應(yīng)每增加5m、4m、3m和2m,宜加寬20mm”.但是,實(shí)際震害調(diào)查中發(fā)現(xiàn),很多建筑結(jié)構(gòu)防震縫設(shè)置寬度不夠,有些建筑結(jié)構(gòu)的防震縫被剛性雜物填充,從而導(dǎo)致地震中防震縫處的碰撞破壞.圖1給出了結(jié)構(gòu)體形為“L”形的成都市某高層建筑在地震過(guò)程中,防震縫兩側(cè)發(fā)生的碰撞造成的防震縫的破壞.圖2為綿竹市綿竹中學(xué)綜合樓,在防震縫處可看到明顯的碰撞破壞現(xiàn)象,同時(shí)屋頂女兒墻在防震縫處由于碰撞開(kāi)裂.2配再填充墻結(jié)構(gòu)分析當(dāng)結(jié)構(gòu)沿高度方向的剛度或強(qiáng)度突然發(fā)生較大的變化時(shí),即在剛度或強(qiáng)度較小的樓層形成薄弱層.在地震作用下,整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形都集中在該樓層,可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞甚至倒塌.位于都江堰市臨湖別墅小區(qū)的一個(gè)6層框架結(jié)構(gòu)(圖3(a)),柱截面尺寸分為400mm×400mm、400mm×500mm、450mm×450mm、450mm×650mm四種類型,配箍形式分為拉結(jié)筋和復(fù)合箍筋,箍筋直徑為10mm,間距基本為100mm,箍筋彎鉤長(zhǎng)度在100mm以上,配箍基本滿足現(xiàn)行《規(guī)范》要求.該結(jié)構(gòu)底層作為停車場(chǎng),未設(shè)置填充墻,而上部樓層作為賓館客房,設(shè)置了大量的填充墻.由于結(jié)構(gòu)底層剛度相對(duì)較小,而上部樓層的剛度顯著增大,在底部形成柔性層,導(dǎo)致底層發(fā)生局部屈服機(jī)制破壞,所有底層框架柱上下端都出現(xiàn)塑性鉸,殘余變形約300mm.該結(jié)構(gòu)第二層個(gè)別填充墻體有輕微裂縫,第三層以上各層未見(jiàn)明顯裂縫,說(shuō)明上部結(jié)構(gòu)層間變形很小.文獻(xiàn)利用有限元方法,分別分析了考慮填充墻和不考慮填充墻時(shí)該結(jié)構(gòu)的特性.結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)如按純框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,可以實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”屈服機(jī)制,但若將填充墻納入整體結(jié)構(gòu)分析模型中考慮進(jìn)行計(jì)算,則形成底層屈服機(jī)制,與震害情況一致.因此,在設(shè)計(jì)中,應(yīng)將填充墻作為整體結(jié)構(gòu)抗震的一個(gè)重要構(gòu)件,并在結(jié)構(gòu)抗震分析中給予必要的考慮.如結(jié)構(gòu)分析中不考慮填充墻的影響,則應(yīng)在構(gòu)造措施上隔離填充墻對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響,使結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀況與結(jié)構(gòu)分析模型一致.同樣,北川縣北川大酒店內(nèi)一框架結(jié)構(gòu),中間層沒(méi)有填充墻而形成薄弱環(huán)節(jié),地震后結(jié)構(gòu)接近倒塌(圖3(b)).3柱端破壞現(xiàn)象地震中框架梁的震害相對(duì)較輕,主要表現(xiàn)在兩端、節(jié)點(diǎn)區(qū)附近產(chǎn)生的豎向裂縫或斜裂縫,在梁負(fù)彎矩鋼筋折斷處由于抗彎能力削弱也容易產(chǎn)生裂縫,造成剪切破壞.個(gè)別框架梁會(huì)由于主筋屈服、混凝土壓碎而出現(xiàn)彎曲破壞形態(tài).圖4(a)和(b)為梁的剪切破壞,梁端呈現(xiàn)明顯的剪切斜裂縫;圖4(c)為梁的彎曲破壞,梁端形成塑性鉸,主筋屈服、外露;圖4(d)為梁的剪彎破壞,梁中同時(shí)出現(xiàn)彎曲裂縫與剪切裂縫.地震中柱頂?shù)膸追N破壞形式如圖5所示.由于節(jié)點(diǎn)處柱端的內(nèi)力比較大,在彎矩、剪力和壓力的聯(lián)合作用下,柱頂周圍出現(xiàn)水平裂縫、斜裂縫或交叉裂縫,嚴(yán)重時(shí)混凝土壓碎或剝落,縱筋屈服成塑性鉸破壞(如圖5(a)和(b)所示),這種破壞形式屬于延性破壞,可能吸收較大的地震能量.當(dāng)軸壓比較大、箍筋約束不足、混凝土強(qiáng)度不足時(shí),柱端混凝土?xí)核槎绊懣辜裟芰?柱頂會(huì)出現(xiàn)剪切性破壞(如圖5(c)和(d)所示).當(dāng)豎向荷載過(guò)大而截面過(guò)小、混凝土強(qiáng)度不足時(shí),縱筋壓屈成燈籠狀,柱內(nèi)箍筋拉斷或脫落,柱子失去承載力呈壓屈破壞形式(如圖5(e)和(f)所示).另外,由于柱頂配箍不足或沒(méi)有箍筋而發(fā)生了脆性剪切破壞(如圖5(g)和(h)所示).柱底的震害主要表現(xiàn)為柱底混凝土保護(hù)層部分脫落,柱主筋及其箍筋部分外露,底層柱傾斜,水平裂縫和斜裂縫互相交叉,破壞區(qū)混凝土剝落(如圖6所示).柱底產(chǎn)生的震害大部分是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)中存在薄弱層,地震時(shí)由于薄弱層變形過(guò)大而在柱底形成塑性鉸破壞.在多高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡可能避免短柱,其主要目的是使同層各柱在相同水平位移時(shí),能同時(shí)達(dá)到最大承載力.實(shí)際結(jié)構(gòu)中,由于設(shè)置半高的填充墻或窗間墻,形成短柱.短柱的剛度大,吸收較大的地震剪力而發(fā)生剪切破壞(圖7).在地面運(yùn)動(dòng)反復(fù)作用下,框架節(jié)點(diǎn)的機(jī)理十分復(fù)雜,其破壞現(xiàn)象主要表現(xiàn)在:節(jié)點(diǎn)核心抗剪強(qiáng)度不足引起的剪切破壞,破壞時(shí),核心區(qū)產(chǎn)生斜向?qū)堑呢炌芽p,節(jié)點(diǎn)區(qū)內(nèi)箍筋屈服,外鼓甚至崩斷.當(dāng)節(jié)點(diǎn)區(qū)剪壓比較大時(shí),箍筋可能并未達(dá)到屈服,而是混凝土被剪壓酥碎成塊而發(fā)生破壞.節(jié)點(diǎn)核心區(qū)由于構(gòu)造措施不當(dāng)而引起的破壞主要表現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)箍筋過(guò)少而產(chǎn)生的脆性破壞,或由于核心區(qū)的鋼筋過(guò)密而影響混凝土澆注質(zhì)量引起剪切破壞(如圖8所示).類似的情況在1997年的伊朗大地震中也可見(jiàn)到.我國(guó)現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的一個(gè)基本原則是“強(qiáng)柱弱梁”,即柱子不先于梁破壞,因?yàn)榱旱钠茐氖蔷植科茐臋C(jī)制,而柱子破壞則危及整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全.“強(qiáng)柱弱梁”型框架結(jié)構(gòu)在全部梁端出現(xiàn)塑性鉸并迫使結(jié)構(gòu)底部也出現(xiàn)屈服變形時(shí),結(jié)構(gòu)才會(huì)破壞,在此過(guò)程中,大量的地震輸入能量被彈塑性變形所消耗.為保證框架結(jié)構(gòu)“強(qiáng)柱弱梁”體系,《規(guī)范》中規(guī)定,對(duì)于一、二、三級(jí)框架的梁柱節(jié)點(diǎn)處,除框架頂層和柱軸壓比小于0.15者及框支柱的節(jié)點(diǎn)外,柱端組合的彎矩設(shè)計(jì)值應(yīng)符合下列要求:∑Mc=ηc∑Mb(1)∑Μc=ηc∑Μb(1)一級(jí)框架結(jié)構(gòu)及9度時(shí)尚應(yīng)符合∑Mc=1.2∑Mbua(2)∑Μc=1.2∑Μbua(2)式中:∑Mc為節(jié)點(diǎn)上下柱端截面順時(shí)針或反時(shí)針?lè)较蚪M合的彎矩設(shè)計(jì)值之和;∑Mb為節(jié)點(diǎn)左右梁端截面反時(shí)針或順時(shí)針?lè)较蚪M合的彎矩設(shè)計(jì)值之和;∑Mbua為節(jié)點(diǎn)左右梁端截面反時(shí)針或順時(shí)針?lè)较驅(qū)嵟涞恼孛婵拐鹗軓澇休d力所對(duì)應(yīng)的彎矩值之和;ηc為柱端彎矩增大系數(shù),一級(jí)取1.4,二級(jí)取1.2,三級(jí)取1.1.但是在此次汶川地震中,即使嚴(yán)格按照《規(guī)范》設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu),也大多呈現(xiàn)“強(qiáng)梁弱柱”的破壞形式,框架柱的破壞明顯要比梁嚴(yán)重.主要原因在于,樓板空間作用以及樓板分布鋼筋的作用,以及實(shí)際設(shè)計(jì)中梁配筋經(jīng)常存在超配的情況,導(dǎo)致框架梁端截面的實(shí)際抗彎承載力大于不考慮樓板作用時(shí)的抗彎承載力.4《物權(quán)法》《其他邊界條件》圖2,2,2.汶川地震中,框架結(jié)構(gòu)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和填充墻發(fā)生明顯的震害.填充墻的震害主要表現(xiàn)在水平或豎向墻體-框架界面裂縫(如圖9(a)所示),斜裂縫(圖9(b)),交叉斜裂縫(圖9(c)、(d)),以及墻體由于缺乏可靠的連接而出現(xiàn)錯(cuò)位甚至倒塌(圖9(e)、(f)).盡管這些部位的破壞不影響主體結(jié)構(gòu)的使用,但仍然會(huì)對(duì)人員安全造成威脅,同時(shí)也造成很大的財(cái)產(chǎn)損失.例如,如圖9(f)所示,圍護(hù)結(jié)構(gòu)倒塌壓壞汽車,造成財(cái)產(chǎn)損失的同時(shí)還可能帶來(lái)人員傷亡.5主體結(jié)構(gòu)無(wú)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)地震發(fā)生時(shí),樓梯是多層建筑中人群疏散的唯一通道,但是本次地震中框架結(jié)構(gòu)中的樓梯出現(xiàn)不同程度的破壞現(xiàn)象,影響人員的逃生.對(duì)于樓梯輕微破壞情況,樓梯板出現(xiàn)多條水平裂縫,平臺(tái)梁板出現(xiàn)剪切裂縫;震害嚴(yán)重者,樓梯板完全拉斷(圖10(a)),樓梯梁在兩端和跨中出現(xiàn)明顯破壞,鋼筋暴露,混凝土保護(hù)層壓碎、剝落(圖10(b)、(c)、(d)).以往的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮樓梯參與抗震計(jì)算,僅對(duì)樓梯進(jìn)行靜力分析和設(shè)計(jì),然后將樓梯作為荷載加到主體結(jié)構(gòu)上,對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震計(jì)算分析.事實(shí)上,樓梯為框架結(jié)構(gòu)提供了較大的抗側(cè)移剛度,從而會(huì)分擔(dān)框架結(jié)構(gòu)所承受的地震作用.在水平地震的往復(fù)作用下,樓梯板承受往復(fù)拉壓作用,樓梯梁和板由于承受彎矩、剪力和扭矩作用,處于復(fù)雜的受力狀態(tài),從而會(huì)導(dǎo)致樓梯梁在兩端和跨中破壞,混凝土酥碎,鋼筋扭曲變形.6框架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建議(1)進(jìn)一步深入研究能夠?qū)崿F(xiàn)框架結(jié)構(gòu)“強(qiáng)柱弱梁”機(jī)制的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施.框架結(jié)構(gòu)中“強(qiáng)柱弱梁”是一種理想的屈服機(jī)制,它能夠保證結(jié)構(gòu)破壞時(shí)形成總體機(jī)制并具有足夠的延性.但是,實(shí)際工程中,實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的影響因素很多,應(yīng)全面考慮這些影響因素,研究實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的可行設(shè)計(jì)方法.(2)正確認(rèn)識(shí)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)之間的連接關(guān)系.此次地震中,不少建筑主體結(jié)構(gòu)未發(fā)生嚴(yán)重破壞,但非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,尤其是填充墻破壞嚴(yán)重,造成了一定的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失.因此,要保證非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)之間有可靠的連接.但是,填充墻的存在使得結(jié)構(gòu)剛度在豎向分布不均勻并產(chǎn)生了嚴(yán)重震害,因而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)之間的實(shí)際受力狀態(tài),避免形成薄弱層.(3)重視樓梯間的設(shè)計(jì).以往在進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)時(shí)不考慮樓梯與主體結(jié)構(gòu)的相互作用,此次框架結(jié)構(gòu)中樓梯破壞情況較多.因此,今后在框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮樓梯對(duì)主體結(jié)構(gòu)抗震性能的影響.(4)要保證框架結(jié)構(gòu)有多道抗震防線.框架結(jié)構(gòu)中的填充墻,可作為第一道防線,在地震作用下首先破