汶川大地震對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的調(diào)查與分析

汶川大地震對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的調(diào)查與分析

0對(duì)震害情況的總結(jié)在5.12汶川大地震中，房屋和工程設(shè)施在不同時(shí)期的建設(shè)過程中得到了考驗(yàn)。震害調(diào)查表明,經(jīng)過抗震設(shè)防、特別是在1990年后設(shè)計(jì)建造的建筑表現(xiàn)良好,即使在極震區(qū)實(shí)際烈度高出抗震設(shè)防烈度3~4度(地震動(dòng)強(qiáng)度超出預(yù)計(jì)的10倍)的情況下,除了極個(gè)別建筑物外,絕大多數(shù)建筑受到中等至嚴(yán)重破壞,但不倒塌,達(dá)到了“小震不壞,中震可修,大震不倒”的三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo);而在“89規(guī)范”之前的建筑物多數(shù)遭受嚴(yán)重破壞,直至倒塌。因此,認(rèn)真研究震害特征,總結(jié)經(jīng)驗(yàn),思考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2001)的規(guī)定與設(shè)計(jì)、施工中的問題,對(duì)于災(zāi)后恢復(fù)重建,建造更為耐震的建筑結(jié)構(gòu),修訂抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,具有重要意義。面對(duì)如此嚴(yán)重的破壞,我們應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到,除了實(shí)際地震烈度高于預(yù)計(jì)的設(shè)防烈度、特殊的地震動(dòng)衰減規(guī)律、地震波傳播特征及地形反應(yīng)等原因之外,針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn),對(duì)照規(guī)范規(guī)定和施工中存在的問題,加以客觀的、科學(xué)的分析,對(duì)解釋和認(rèn)識(shí)震害也是十分必要的。在地震災(zāi)區(qū)對(duì)各類房屋建筑震害的調(diào)查發(fā)現(xiàn),在同一地點(diǎn),有的建筑損壞嚴(yán)重、甚至倒塌,有的較輕;在高烈度區(qū),理論上抗震性能較好的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)倒塌了,而抗震性能相對(duì)較差的砌體結(jié)構(gòu)卻“裂而不倒”;抗震設(shè)計(jì)要求鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的“梁鉸機(jī)制”沒有出現(xiàn),而是出現(xiàn)了大量的“柱鉸”;高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)連梁的不同破壞形態(tài);抗震縫設(shè)置帶來的問題等等。諸如此類現(xiàn)象,值得我們深思。本文不局限于對(duì)震害現(xiàn)象進(jìn)行簡(jiǎn)單描述,而以砌體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等各類建筑以及房屋和設(shè)備基礎(chǔ)的震害為例,對(duì)照抗震概念設(shè)計(jì)的“多道防線”、“結(jié)構(gòu)整體性”、“強(qiáng)柱弱梁”等要求,以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的震害實(shí)例,進(jìn)行檢討,希望能得到一些啟示,供工程技術(shù)人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)參考。1抗災(zāi)性研究與破壞的比較1.1從結(jié)構(gòu)體系的角度區(qū)分《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2001)對(duì)結(jié)構(gòu)體系提出了多道抗震防線的要求,對(duì)于在大震作用下結(jié)構(gòu)抗倒塌具有重要意義。這項(xiàng)要求的目的在于,當(dāng)結(jié)構(gòu)受到超過設(shè)防烈度的所謂“大震”作用時(shí),作為第一道防線的某些構(gòu)件,如框、排架結(jié)構(gòu)的柱間支撐或柱子的翼墻、剪力墻結(jié)構(gòu)的連梁等率先破壞,消耗了地震能量并改變了整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,從而減低了地震力,保護(hù)了作為第二道防線的構(gòu)件,如框、排架結(jié)構(gòu)的柱子、剪力墻結(jié)構(gòu)的墻體,它們的存在避免了結(jié)構(gòu)倒塌。砌體結(jié)構(gòu)的構(gòu)造柱、圈梁除作為砌體的約束構(gòu)件以提高墻體延性之外,也可視為第二道防線,在“大震”作用下,砌體墻可能嚴(yán)重破壞,但是由于構(gòu)造柱和圈梁的存在,結(jié)構(gòu)不會(huì)倒塌。圖1所示為位于極震區(qū)的映秀鎮(zhèn)(設(shè)防烈度7度,實(shí)際烈度11度,遠(yuǎn)高于“大震”的水準(zhǔn))采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的學(xué)校建筑,由于教室空間較大(標(biāo)準(zhǔn)教室大小為7m×9m),又缺少縱向柱間支撐,或設(shè)置柱子翼墻,結(jié)構(gòu)縱向剛度較弱,在豎向分量大于水平分量的大震作用下,柱子率先破壞而倒塌;而在同一地點(diǎn)相鄰的多層磚混結(jié)構(gòu)住宅房屋,由于合理地設(shè)置了構(gòu)造柱和圈梁,在豎向和水平地震先后作用下,砌體嚴(yán)重開裂卻裂而不倒(見圖2)。我國(guó)的工業(yè)廠房建筑大多采用框、排架結(jié)構(gòu)加柱間鋼支撐的形式,在地震中,由于支撐屈曲消能保護(hù)了柱子,圖3所示為位于安縣(設(shè)防烈度7度、實(shí)際烈度8度,相當(dāng)于“大震水準(zhǔn)”)某廠房的破壞狀況,整體結(jié)構(gòu)達(dá)到“大震不倒”的目標(biāo)。由于意識(shí)到多道防線的重要性,日本的許多學(xué)校建筑普遍采用設(shè)置鋼或鋼筋混凝土支撐的方式,這樣做并不會(huì)影響教室采光和建筑外觀,如圖4所示。1.2梁端彎矩計(jì)算及構(gòu)造優(yōu)化規(guī)范定義的“強(qiáng)柱弱梁”是指,節(jié)點(diǎn)處梁端實(shí)際受彎承載力Maby和柱端實(shí)際受彎承載力Macy之間滿足不等式∑Macy>∑Maby∑Μcya>∑Μbya由于地震作用的復(fù)雜性、現(xiàn)澆樓板的影響和鋼筋屈服時(shí)的超強(qiáng)等因素的影響,難以通過精確的計(jì)算實(shí)現(xiàn)。因此,規(guī)范采用增大柱端彎矩設(shè)計(jì)值、即提高柱端的彎矩增大系數(shù)ηc的方法,取等式∑Mc=ηc∑Mb∑Μc=ηc∑Μb在計(jì)算梁端彎矩和配筋時(shí),考慮部分樓板作用形成T形梁,將框架梁抗彎剛度乘以1.5~2.0的放大系數(shù)后,計(jì)算梁的配筋超強(qiáng),再加上板的鋼筋,使T形梁不但剛度加大,實(shí)際承載力大于梁端彎矩,而且與之正交的另一向T形梁對(duì)柱子形成約束,在雙向水平地震作用下,柱截面處于復(fù)雜的雙向受力狀態(tài);一般情況下,框架柱即使增大了柱端彎矩設(shè)計(jì)值,計(jì)算結(jié)果一般只按構(gòu)造要求配筋;只有9度抗震設(shè)防、構(gòu)件抗震等級(jí)為一級(jí)時(shí),規(guī)范才要求按照梁的實(shí)配鋼筋反算柱端彎矩。因此,對(duì)于抗震等級(jí)為二、三級(jí)的構(gòu)件,實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形成的是“強(qiáng)梁弱柱”。本次地震中,鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)大量出現(xiàn)的是柱鉸機(jī)制而不是梁鉸機(jī)制,如圖5所示為漩口中學(xué)主教學(xué)樓未完全倒塌的側(cè)樓底層破壞情況,圖6為漩口鎮(zhèn)某商住樓底層,塑性鉸均出現(xiàn)在框架柱柱頂,而梁與樓板共同工作,沒有任何損壞,可是結(jié)構(gòu)已接近倒塌。因此,設(shè)計(jì)時(shí)有必要加大柱子斷面和配筋,把一定寬度樓板的配筋作為梁的配筋,從而適當(dāng)減小梁的截面尺寸和配筋。1.3連梁的設(shè)置問題剪力墻結(jié)構(gòu)高層建筑中的連梁作為抗震體系的第一道防線,起著“保險(xiǎn)絲”的作用,當(dāng)?shù)卣鹱饔贸^“小震”時(shí),連梁首先開裂和屈服,出現(xiàn)耗能機(jī)制,起到保護(hù)墻體的作用。規(guī)范規(guī)定,“一、二級(jí)抗震墻跨高比不大于2且墻厚不大于200mm的連梁,除普通箍筋外宜另設(shè)置斜向交叉構(gòu)造鋼筋”。這樣做是為了改善連梁的抗剪性能,滿足“強(qiáng)剪弱彎”的要求,并經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證。但是震害經(jīng)驗(yàn)表明,這種做法達(dá)不到預(yù)期效果。在5·12汶川地震中,位于設(shè)防烈度和實(shí)際烈度均為7度(相當(dāng)于“中震”水準(zhǔn))的彭州市的一幢剪力墻結(jié)構(gòu)高層建筑的高連梁產(chǎn)生了嚴(yán)重的剪切破壞,如圖7所示;而位于設(shè)防烈度7度、實(shí)際烈度為6~7度(相當(dāng)于“小到中震”水準(zhǔn))的成都市和設(shè)防烈度為8度、實(shí)際烈度為6度(相當(dāng)于“小震”水準(zhǔn))的西安市的二幢框架-剪力墻結(jié)構(gòu)采用的雙連梁卻起了良好的耗能效果,填充磚砌體的破壞保護(hù)了連梁和墻體(見圖8和圖9)。1.4結(jié)構(gòu)的延性和整體性規(guī)范第3.5.5條第3款規(guī)定,裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接,應(yīng)能保證結(jié)構(gòu)的整體性。但是,砌體結(jié)構(gòu)本身是一種由脆性材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu),非常不利于抗震。1976年唐山地震以來,我國(guó)的工程技術(shù)人員發(fā)明了砌體加混凝土構(gòu)造柱和圈梁的結(jié)構(gòu)形式,既提高了砌體的延性,又加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性。經(jīng)歷了多次地震檢驗(yàn),證明這種獨(dú)特的抗震結(jié)構(gòu)形式非常適合國(guó)情,已在我國(guó)地震區(qū)得到廣泛應(yīng)用。只要嚴(yán)格按照規(guī)范要求設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁,完全可以達(dá)到三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)要求。圖10所示為位于設(shè)防烈度7度、實(shí)際烈度8度(相當(dāng)于“大震”水準(zhǔn))的白鹿鎮(zhèn)小學(xué)的一幢砌體結(jié)構(gòu)教學(xué)樓,在達(dá)到大震水準(zhǔn)的地震作用下,墻體裂縫由于受到構(gòu)造柱和圈梁的約束,大多局限在窗肚墻而不擴(kuò)展,雖嚴(yán)重破壞,但不倒塌,達(dá)到“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。不幸的是,地震區(qū)大量的砌體結(jié)構(gòu)學(xué)校和住宅普遍采用預(yù)制空心樓板。由于不按規(guī)范要求設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁,或在施工中不按要求將預(yù)制空心板與圈梁或樓面大梁可靠拉結(jié),地震中墻體破壞或外閃,導(dǎo)致樓板塌落,造成結(jié)構(gòu)局部或整體倒塌。圖11所示為塌落的預(yù)制空心板,可以看到,樓板鋼筋根本不存在拉結(jié)。1.5樓梯間抗震設(shè)計(jì)樓梯間是住宅和學(xué)校建筑的出入口,也是地震時(shí)人群疏散的唯一通道。震害調(diào)查發(fā)現(xiàn),由于設(shè)計(jì)和施工問題,造成樓梯間的倒塌破壞,直接傷人和堵塞疏散通道,阻礙人員逃生。由于樓梯間的橫墻較高,側(cè)向剛度較大,梯段平臺(tái)與樓層存在錯(cuò)層,地震時(shí)最容易破壞。因此,對(duì)于樓梯間的抗震設(shè)計(jì),規(guī)范第7.3.1條要求,樓、電梯間的四角,錯(cuò)層部位橫墻與外縱墻交接處要設(shè)置構(gòu)造柱;第7.3.8條要求,“裝配式樓梯段應(yīng)與平臺(tái)板的梁可靠連接…;突出屋面的樓、電梯間,構(gòu)造柱應(yīng)伸到頂部,并與頂部圈梁連接到…”。圖12所示的綿竹市一幢三層教學(xué)樓,由于樓梯間未按規(guī)范要求設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁,地震時(shí)墻體破壞導(dǎo)致樓梯間倒塌。圖13為樓梯踏步板破壞情況,由于施工縫設(shè)在樓梯踏步板三分之一高度處,地震時(shí)在該處折斷,墻體大部分破壞倒塌。因此,對(duì)于教學(xué)樓,有必要另設(shè)室外疏散梯,以便室內(nèi)樓梯間破壞時(shí)有第二個(gè)逃生通道(見圖14)。1.6主體結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值非結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和建筑附屬機(jī)電設(shè)備及其與結(jié)構(gòu)主體的連接。規(guī)范規(guī)定,“圍護(hù)墻和隔墻應(yīng)考慮對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響,避免不合理設(shè)置而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的破壞”,還規(guī)定“幕墻、裝飾貼面與主體結(jié)構(gòu)應(yīng)有可靠連接,避免地震時(shí)脫落傷人”。地震時(shí),鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的多孔磚隔墻、輕質(zhì)吊頂大量破壞,如圖15和圖16所示,盡管沒有危及主體結(jié)構(gòu),但非結(jié)構(gòu)破壞造成了重大經(jīng)濟(jì)損失。令人意外的是玻璃幕墻在地震時(shí)并沒有大量脫落傷人,大部分表現(xiàn)良好,盡管地震動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到“大震水準(zhǔn)”,主體結(jié)構(gòu)已有損壞,隔墻和吊頂也大量破壞,玻璃幕墻卻完好無損?？梢娺@種幕墻設(shè)計(jì)具有良好的變形能力(見圖17和圖18)?！恫Ａ粔こ碳夹g(shù)規(guī)范》(JGJ102—2003)第4.2.6條規(guī)定:“玻璃幕墻平面內(nèi)變形性能,…;抗震設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)按主體結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值的3倍進(jìn)行設(shè)計(jì)?！睂?duì)于明框幕墻的玻璃與槽口的配合尺寸作了規(guī)定(見第9.5.2條和9.5.3條)。主體結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值的3倍相當(dāng)于“中震水準(zhǔn)”下主體結(jié)構(gòu)保持彈性的最大層間位移角限值,相當(dāng)于“大震”作用時(shí)結(jié)構(gòu)的彈塑性位移值。各類玻璃幕墻中,尤以點(diǎn)支承玻璃幕墻更好一些(圖17);框支承幕墻中,明框幕墻的主要問題是框架本身的變形過大導(dǎo)致玻璃擠碎(圖18),但是,如果框架的變形得到控制,也能保證玻璃的安全(圖19);隱框幕墻由于在伸縮縫處受到撞擊或硅酮結(jié)構(gòu)密封膠承載力降低均可能造成玻璃脫落(圖20)。2結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)通過對(duì)5·12汶川大地震的震害調(diào)查,得到以下結(jié)論:(1)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2001)關(guān)于抗震設(shè)計(jì)基本要求