鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)兩次震后震后的破壞

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)兩次震后震后的破壞

1979年唐山地震和1978年川西南地震是中國(guó)近半世紀(jì)內(nèi)最嚴(yán)重的兩次地震。它的地震范圍非常廣泛，對(duì)建筑物的破壞也很少。由于地殼的板塊運(yùn)動(dòng),板塊之間在其斷裂處(工程地質(zhì)學(xué)稱其為斷裂帶)發(fā)生相互撞擊并釋放巨大的能量,壓力波使地面建筑物呈“顛簸”狀態(tài)運(yùn)動(dòng);剪力波使地面建筑物呈“篩糠”狀態(tài)運(yùn)動(dòng),壓力波使建筑結(jié)構(gòu)體系同時(shí)承受重復(fù)的巨大的豎向拉力和壓;剪力波使建筑結(jié)構(gòu)體系同時(shí)承受兩個(gè)方向巨大的重復(fù)剪力,而這兩種結(jié)構(gòu)體系的受力狀態(tài)同時(shí)發(fā)生,建筑結(jié)構(gòu)即在這種即“顛簸”又“篩糠”的狀態(tài)下遭到破壞。以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為例,在壓力波的作用下,豎向構(gòu)件產(chǎn)生碎性破壞,豎向構(gòu)件與水平結(jié)構(gòu)結(jié)合的節(jié)點(diǎn)處,混凝土碎裂并呈碎塊狀脫落,豎向主鋼筋被拉壓后呈燈籠骨駕狀,是使建筑物標(biāo)高降或坍塌,在剪力波的作用下,節(jié)點(diǎn)處的鋼筋呈裸狀被扭曲或剪斷,是使建筑物整體位移或傾倒。建筑物的最終破壞原因是很復(fù)雜的,但主要系地震壓力波和剪力波所為。其最終破壞的表現(xiàn)型式,多層建筑多為坍塌;高層建筑多為傾倒,顯而易見(jiàn),建筑物系納不了地震力,即建筑物的整體剛度及其構(gòu)件剛度不能抵抗地震力的狀況下遭到破壞。依這兩次地震的震災(zāi)情況調(diào)查看,震后已遭破壞的建筑物,尤其實(shí)高層建筑物均無(wú)修復(fù)重要的可能,故只得就地重建或異地新建,痛定思痛,如若能減小地震力對(duì)建筑物的破壞,并使其能修復(fù)重用,這便是人所期盼的。這也是對(duì)結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)提出的一個(gè)重要課題。我國(guó)目前使用的高層建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,是以“抗震”概念為基本理論而編制并實(shí)施的系為保障結(jié)構(gòu)體系和體系內(nèi)各種構(gòu)件的合適剛度,用以抵抗地震沖擊荷載,這是一種“以硬碰硬”的做法,固然這對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抵抗地震力起到了至關(guān)重要的作用,但同時(shí),國(guó)內(nèi)外業(yè)界更注意到,避而另求其徑,提出“以柔克剛”的設(shè)計(jì)概念,以減震為設(shè)計(jì)手段,以達(dá)到降低震害的目的,特別是對(duì)高層建筑尤為重要和適宜。筆者參閱了國(guó)內(nèi)外近幾年關(guān)于結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方面的有關(guān)文獻(xiàn),在此提出高層建筑減震設(shè)計(jì)之概念問(wèn)題,以做探討研究本命題的引玉之磚。一、被動(dòng)控制理論結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制是研究在動(dòng)力荷載的作用下,控制結(jié)構(gòu)狀態(tài)的反應(yīng)的理論和方法,結(jié)構(gòu)狀態(tài)反應(yīng)如速度、加速度、能量反應(yīng)方面。它以研究結(jié)構(gòu)的減振為目的,振動(dòng)控制劃分成主動(dòng)控制和被動(dòng)控制兩種。主動(dòng)控制是通過(guò)控制器向結(jié)構(gòu)施加控制能量。被動(dòng)控制是通過(guò)采用隔板吸能器等結(jié)構(gòu)措施來(lái)減少結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)。主動(dòng)控制可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的控制,但它需要外界輸入能量,故要求技術(shù)條件高,費(fèi)用大,目前尚應(yīng)用不多。雖然被動(dòng)控制對(duì)控制結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)有一定的局限性,但它不需要外部提供能量,造價(jià)低,因此被大量地應(yīng)用,并一直受到人們的重視。此外,還有人提出了以被動(dòng)控制為主,主動(dòng)控制為輔的混合控制,這可能是近期最有發(fā)展的理論。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制理論研究高度重視,但應(yīng)用研究尚需繼續(xù)深化。根據(jù)我國(guó)的情況,在廣大設(shè)計(jì)人員中推廣結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制的研究成果,特別是在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中提倡減震設(shè)計(jì),實(shí)為必要。二、結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制自70年代以來(lái),我國(guó)在總結(jié)了唐山大地震的震害原因的基礎(chǔ)上提出了結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì),也有人提出了如何減震的思路,但仍屬初始階段。以抗震設(shè)計(jì)的觀點(diǎn),利用主體結(jié)構(gòu)自身的延性來(lái)消耗地震能量,顯然,這是以主體結(jié)構(gòu)的破壞為代價(jià)的?？梢?jiàn),抗震概念設(shè)計(jì)雖然能保證主體結(jié)構(gòu)在大震的作用下不倒塌,卻不能保證主體結(jié)構(gòu)的不破壞。事實(shí)表明,震后主體結(jié)構(gòu)的修復(fù)量往往很大,甚至難以修復(fù)。因此,筆者認(rèn)為有必要從結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的角度建立高層建筑結(jié)構(gòu)的減震概念設(shè)計(jì)。要點(diǎn)如下。(一)剩余結(jié)構(gòu)的衰減冗余結(jié)構(gòu)在正常需要的作用下不參與結(jié)構(gòu)的安全。例如,在框架結(jié)構(gòu)中可以設(shè)置冗余的短柱,利用短柱的特點(diǎn)保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。(二)吸收能源的調(diào)整位置吸能器可以使結(jié)構(gòu)振動(dòng)轉(zhuǎn)移而達(dá)到控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的,它可以自身吸能來(lái)保護(hù)主體結(jié)構(gòu),它具有如下幾個(gè)特點(diǎn):1.吸收能器通常設(shè)置在節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)連接上。例如，梁端、抗疲勞等地2.吸收裝置的非結(jié)構(gòu)組件。只有非結(jié)構(gòu)組件才能簡(jiǎn)單修復(fù)和更換，并且不會(huì)影響主結(jié)構(gòu)3.吸收能器允許彈塑性變形。首先，吸能器進(jìn)入非彈性狀態(tài)，導(dǎo)致較大的衰減，導(dǎo)致大量的地震能量消耗，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)4.吸能器有多種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)形狀。例如，例如摩擦裝置、粘度彈性衰減振動(dòng)裝置、支撐吸能器等5.能源裝置材料：木材、鋼纖維混凝土等(三)在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置能耗材料其目的在于消耗地震能量,保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。例如:在框架結(jié)構(gòu)中,在填充墻中,可以設(shè)置X型分布的耗能材料。在地震往復(fù)作用下,耗能材料將最大限度地發(fā)揮作用。(四)震動(dòng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)在抗震結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)中,十分重視結(jié)構(gòu)布置方案。從減震的角度看,結(jié)構(gòu)的平面布置應(yīng)力求簡(jiǎn)明,但適當(dāng)?shù)臏p震措施亦可使復(fù)雜的結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)。此外,抗震概念設(shè)計(jì)不排斥抗震縫。利用抗震縫將結(jié)構(gòu)劃分成若干子結(jié)構(gòu),通過(guò)給每個(gè)子結(jié)構(gòu)施加側(cè)向約束,利用抗震縫中的吸能器消耗子結(jié)構(gòu)的能量,從而形成了結(jié)構(gòu)聯(lián)合震動(dòng)控制體系,吸能器為結(jié)構(gòu)提供水平控制作用,往往可以大幅度地降低結(jié)構(gòu)振幅。(五)采用合適的基本振動(dòng)去除技術(shù)在上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間設(shè)置某些隔震裝置,這些裝置由各種隔震器組成,它們具有如下幾個(gè)特點(diǎn)。1.隔震器通常與一臺(tái)吸能器一起使用，這些吸能器可以改善供了較大的阻尼,具有較大的耗能能力,其材料可以選用鋼梁、摩擦阻尼器、鉛擠阻尼器等。2.隔震器使結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)表面的柔性滑動(dòng)。為結(jié)構(gòu)自振周期加大,遠(yuǎn)離場(chǎng)地的卓越周期,將地面的振動(dòng)和建筑隔開(kāi)。3.隔震器應(yīng)滿積積，滿足一般使用要求，并在發(fā)生地震時(shí)將吸收能量裝置輸入吸能狀態(tài)4.是否設(shè)置隔震器取決于建筑物的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，對(duì)多層鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)影響較大，而對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)不太關(guān)心此外應(yīng)對(duì)場(chǎng)地土的類(lèi)型和地震波的特性有充分的了解才可以設(shè)置隔震裝置。(六)質(zhì)量吸能器減緩這種技術(shù)主要是通過(guò)增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量,降低結(jié)構(gòu)的自振頻率,增大阻尼,從而較低結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。例如:在結(jié)構(gòu)的上部適當(dāng)部位設(shè)置質(zhì)量塊(典型的如結(jié)構(gòu)頂部的水箱間),由它產(chǎn)生的慣性來(lái)達(dá)到減震的目的。特別地,通過(guò)配置的阻尼器控制結(jié)構(gòu)的某一振型。又如,擺式質(zhì)量吸能器往往設(shè)置在結(jié)構(gòu)的頂部,通過(guò)它的水平運(yùn)動(dòng)來(lái)橦擊結(jié)構(gòu),恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以獲得較為滿意的減震效果。近年來(lái),質(zhì)量泵吸能器減震技術(shù)得到人們的重視,它利用細(xì)管中液體的往復(fù)流動(dòng)所產(chǎn)生的慣性和粘性來(lái)消耗地震能量。質(zhì)量泵由泵體、導(dǎo)管和底座發(fā)生相互動(dòng)時(shí),導(dǎo)管中的液體也發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而消耗了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量,可以設(shè)想,利用給水系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)質(zhì)量泵的功能,因?yàn)閷?duì)質(zhì)量泵而言,很少的液體便可能發(fā)揮較大的等效質(zhì)量和等效阻尼的效果。根據(jù)經(jīng)濟(jì)條件采用適當(dāng)?shù)闹鲃?dòng)控制技術(shù)。例如:可以利用液壓系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制作用或利用氣體脈沖發(fā)生器對(duì)結(jié)構(gòu)的頂部施加短時(shí)控制作用。然而,主動(dòng)控制技術(shù)目前仍未得到廣泛的應(yīng)用,這里有技術(shù)問(wèn)題,也有經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。三、與其他手段相結(jié)合的思路減震的概念系為結(jié)構(gòu)體系及其各構(gòu)件在地震荷載作用下少吸收地震力的概念,保障震后的建筑結(jié)構(gòu)具有最大的可修復(fù)性和使用安全性,這不僅有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,對(duì)于保障人的生命及財(cái)產(chǎn)的安全具有很大的可能性。減震的概念系為“建筑抗震”的一種新思路,是降低震害的一種手段和方法,但筆者同時(shí)認(rèn)為這并非是唯一的手段和方法,還需與其他成熟的抗震設(shè)計(jì)手段綜合考慮,兼收并用,例如,建筑專業(yè)在方案設(shè)計(jì)階段與結(jié)構(gòu)專業(yè)同時(shí)協(xié)調(diào)考慮該建筑物的整體方案,如建筑物的平面幾何形狀,建筑物的高度及高厚比,建筑物質(zhì)量重心的建筑平面幾何中心的關(guān)系,頂部高聳構(gòu)件及