地震作用下高层建筑的震害特点研究.doc

结构动力学课程论文地震作用下高层建筑的震害特点研究摘 要: 本文阐述了高层建筑结构的震害特点的问题。首先总结了目前工程结构地震灾害的一些可能原因。其次，结合近年来各国发生的一些典型的地震灾害，总结了地震造成破坏的特点。最后，对高层建筑的抗震提出了一些建议。关键词: 高层建筑；地震灾害；损伤 Investigation on Properties of Seismic Responses ofTall BuildingsAbstract: The Damage characteristics of tall buildings under earthquake was illustrated in this study. First summarize the possible reasons for the seismic damages of building structures. Furthermore, the observations and collapses of building structures during many typical earthquake events were summarized. Last, give some recommendations to the tall building seismic destruction.Key words: tall building; seismic disaster; damage1 引言地震是一种突然发生的强烈自然灾害，其在该建筑物的破坏作用的主要原因是地震波在地下传播引起造成强烈的地面运动引起。地震对工程结构造成了巨大的破坏。在强烈地震中，严重损毁许多房屋倒塌，造成了严重的人员伤亡和财产损失。据统计，地球每年平均发生500万次左右的地震，其中5级以上的地震约1000次1。其中，震级为8级以上、震中烈度在11度以上的毁灭性地震约2次，震级为7级以上、震中烈度在9度以上的大地震约20次，震级在2.5级以上的有感地震15万次以上。1999年9月21日凌晨在我国台湾发生的7.6级地震，死亡人数达2103人，总死伤人数超过1万，房屋倒塌上万，造成的震害和对经济的破坏作用十分巨大2。可能造成严重危害人类的年均地震约10次左右。地震通常可在几秒至十几秒的瞬间释放极具破坏力的巨大能量。由于成灾速度极快，地震发生极具复发性不确定性，这是地震导致严重人员伤亡的主要原因。地震巨大能量的释放通常是几秒钟至几十秒钟。由于快速成灾，地震复发有很大的不确定性，这是地震造成严重的人员伤亡的主要原因。中国是世界上有地震历史记载最丰富的国家，有文字可考的历史约有4 000多年。历史上死亡人数最多的地震是明嘉靖四年（1556年）陕西关中(华县)8级地震，其震中烈度达到11度，死亡人数有名可查者就达82万余人，是有记录的世界上死亡人数最多的地震灾害。自20世纪以来，中国共发生破坏性地震2 700多次，其中8级以上地震9次，6级以上破坏性地震560余次。上个世纪全球两次造成死亡20万人以上的大地震均发生在中国分别是1920年宁夏海原8.5级地震(死亡23.4万人)和1976年唐山7.8级地震(震中烈度11度，死亡24.2万人)。地震灾害已经成为中国主要的自然灾害之一。3地震灾害的严重程度及人员伤亡与经济损失的大小取决于多方面的因素，如地震的震级、发生地点、发生时刻、震源深度、地震类型，城市对地震的设防情况，建筑物的建筑质量、场地条件、抗震能力、地震诱发的次生灾害的种类与规模，以及防灾减灾意识的高低等等。目前的科学技术水平尚不能准确预测地震的发生。因此，通过总结现有地震中建筑结构的破坏特点并对后续的结构防灾减灾设计进行指导、对建筑结构进行抗震设计已成为工程结构防止地震灾害的一种有效的方法。地震的严重程度、伤亡程度和经济损失取决于许多因素，如地震震级，发生地点，发生时间，地震设防、地震类型、震源深度、建筑质量、场地条件、抗震能力和地震引发的次生灾害的规模，以及防灾减灾等的认识水平。如今的科技水平还无法准确预测地震。因此，总结现有建筑结构和地震的特点，通过人们总结的结构防灾减灾设计规范对结构进行抗震设计设计是工程结构防止地震破坏有效的方法。在本文中，收集损害的原因信息，总结共同的特点，为高层建筑结构的设计和减轻结构破坏提出一个明确的概念，具有一定的参考值。2 高层建筑震害原因2.1 高层建筑概念高层建筑即超过一定高度和层数的多层建筑。在美国，24.6m或7层以上视为高层建筑；在日本，31m或8层及以上视为高层建筑；中国自2005年起规定超过10层的住宅建筑和超过24m高的其他民用建筑为高层建筑。42.2 高层建筑常见的结构形式高层建筑常用的结构形式按找材料性质可分为钢筋钢结构体系和混凝土体系。钢结构体系包括：钢框架砼剪力墙结构、钢框架结构、框筒结构、钢框架支撑结构、钢框架砼核心筒结构、束筒结构、桁架筒结构、筒中筒结构。钢筋混凝土体系包括：框架剪力墙结构、框架结构、框筒结构、剪力墙结构、筒中筒结构。2.3 震害原因结合高层建筑结构的特点，钢筋混凝土材料常用于高层建筑中。相对于其他材料建造的房屋，钢筋混凝土结构的房屋有更好的抗震性能，但倘若设计不合理，施工质量较差，钢筋混凝土结构的住房都会有严重的损害，主体建筑结构损害的轻重视情节而定，与地面运动特性和自身特点两个因素。2.3.1 地震动特性引起的震害地震损坏的建筑物的程度不仅取决于震级，而且还取决与震中的距离，场地土的特点和建筑物本身的动态特性。一般建筑物在小震级，震源深，远离震中时不太可能遭受破坏。研究已经表明：当在土壤介质中传播时，地震波长周期分量已经扩散较远，而地震波短周期地震分量容易衰减。在硬土中，短周期地震波保留的更多。在软土中，长周期地震波传播得更远和更厚的软土层卓越周期越长，幅度地震波变得更加放大。当卓越周期和建筑物的固有周期接近时，容易产生共振，产生更严重的伤害（见图1）。图 1 覆盖土层厚度与震害关系2.3.2 自身特征引起的震害结构布局不合理：如果建筑物布局不规则，分布质量和刚度不均匀，引起不对称中心和质量的中心较大不一致，容易使结构产生过度扭转反应和严重破坏。如果垂直排列的刚度局部弱化或过大的突变，当地震时会产生应力集中，此时结构将产生更严重的破坏（见图2）。图 2 底框结构底层失效鞭梢效应：当建筑物受地震作用时，它顶部的小突出部分由于质量和刚度比较小，在每一个来回的转折瞬间，形成较大的速度，产生较大的位移，就和鞭子的尖一样。破坏实例：九十年代，在太原的一次学术研讨会期间，山西省著名抗震理论学者、古建筑专家、太原理工大学土木系李世温教授闲谈时说到，海原地震使汾阳文峰塔遭到破坏，所以对长周期的高层建筑物，一定要考虑远震的影响。1920年12月16日宁夏海原发生了85级的强烈地震，死亡20余万人。汾阳文峰塔就在这次地震波及下，从顶上11层至13层，出现宽大的裂缝，部分倒塌。沿着南北向在窗洞拱券上下开裂、分离、倾出，东半部倒塌较重。从地图上量测，海原距汾阳直线距离约550公里，即千里之外，地震波是从西向东传来，砖塔在顺着东西方向摆动，因之出现南北向的裂缝。洞上方拱券是受地震惯性力的薄弱部位，所以窗肚墙震害很重。顶上几层是摇摆较大的区段，建筑术语叫“鞭梢效应”。越是细高的建筑，鞭梢效应越大，破坏越重。建筑物越细高，建筑认定自振周期越长。文峰塔尽管远在千里之外，虽受到陕北高原的阻隔，黄河天堑的止断和吕梁山的屏挡，地震波的能量仍然十分厉害。结构碰撞：地震引起邻近结构的碰撞，在设置了抗震缝和温度裂缝时，如果裂缝宽度太小，距离过于接近，两相邻结构会产生摆动碰撞，造成结构损坏（见图3）。图 3 伸缩缝处碰撞破坏2.3.3 地震烈度与设防烈度不符抗震设防烈度是指按国家规定的权限批准的作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。取值的标准是基本烈度，就是一个地区在今后50年期限内，在一般场地条件下超越概率为10%的地震烈度。设防烈度是一个基本值，所以可能在有些地区的产生地震的烈度大于抗震设防烈度，地震作用远远高出建筑物50年期限内预计可能遭遇到的超越概率为10%地震作用。2.3.4 结构体系不合理目前中国的建筑抗震设计提出了一系列重要的基本要求，如建筑设计应符合设计理念的要求，不应该使用严重违规的设计；建筑物及其布局应规则，且具有良好的完整性；结构侧向刚度变化要均匀，竖直侧向抗力构件的横截面尺寸和材料的强度应该从底部到顶部逐渐减小，以避免横向刚度和承载力突变。这些基本的要求是基于从大量的损伤实例中不断认识的结果，实验和理论研究提炼出来的。过去的一些，造成很大的伤害都是由于结构不规则引起的，建筑结构不合理、抗震设防不合理等等也是引起结构破坏的主要因素。结构设计太花哨，如窗户设计太多，致使剪力墙面积太小，长柱太少，短柱、短横梁很多等众多因素，使建筑物的抗震性能大大降低。随意改变建筑物的结构，改变了承重部件，诸如拆卸层之间承重墙将导致建筑物的抗震性能减弱，在遭遇强烈地震时，会使房屋等结构倒塌。2.3.5 未考虑抗震最新抗震设计规范规定，高于50米以上或建筑物高于15层的应当进行抗震设计审查。一些建筑商们为了避免抗震设计审查，于是将建筑物的设计高度降低于14层，或小于50米。经发现，在地震中倒塌的建筑物，很多是低于14层或小于50米的建筑物。2.3.6 施工质量不佳建筑物的好坏，要靠三方面的质量：设计质量、材料质量和施工质量。而前两个质量都与施工质量紧密相关，设计靠施工来体现，材料需通过施工发挥作用。所以整栋建筑抗震性能的好坏，控制好施工质量是关键因素。它直接关系到结构各部件的强度和各部件的连接整体性。要提高建筑物的抗震性能，必须要做到精心施工。特别要保证主体结构隐蔽工程的施工质量，各部件不仅强度要达到要求，尺寸也要准确。连接要可靠，每一根钢筋、每一个埋件都要充分发挥其应有的作用。这样的话，不用多用钢筋、混凝土等材料，就能使建筑物有很强的抗震性能。这就需要在施工过程中认真负责，严格要求，一丝不苟按照施工规范操作。实践证明，地震灾害的程度与建筑物的抗震设计和抗震措施以及施工质量相关。事实表明，有效的减轻震害的方法，就是对建筑物进行抗震设计。在1966年和1989年，邢台，大同地区分别发生了6.5级和6.1地震，造成严重人员伤亡和房屋毁坏，但是当两个灾后恢复和重建都采用合理的抗震设防标准后，在1981年和1996年再次发生5.8级地震时，房屋经受住了考验，只受到轻微损伤。近年来发生的一系列大地震，在日本，土耳其，台湾等地也发现，那些按照新的抗震规范或新的建筑规范的房屋震害很低，而按照旧规范或旧的建筑设计的房屋破坏的程度就很高。3 高层建筑结构震害特点在建筑结构中最为常见的是框架结构，剪力墙结构，框架剪力墙结构。最为简单的结构形式为钢筋混凝土结构，传力路径清晰，有着比较成熟的设计理论，再加上室内建筑布局灵活，成本低廉等特点，已广泛应用在新建和现有的建筑结构中。近年来，国内发生的多次地震中，毁坏最严重的主要集中在老房子和砖石建筑物中，钢筋混凝土建筑物，尤其是的高层钢筋混凝土建筑毁坏较小。下面对不同类型的建筑物损伤特点作简要说明。3.1 框架结构的震害框架结构的整体损坏形式可以分为延性和脆性破坏。如果结构塑性铰链出现在梁的端部，以形成梁铰机构，即通常说的强柱弱梁，则该结构可以承受较大的整体变形，吸收更多的地震输入的能量，此时结构的破坏为延性破坏，当结构塑性铰出现在柱端，形成柱铰机构，即通常说的强梁弱柱，则该结构的变形往往集中在一个特定的薄弱层，发生脆性破坏，在遭遇强震时，房屋损坏严重。3.1.1框架构件的震害框架结构的损坏常在柱端和节点，梁端损伤比较小。框架柱主要损害形式是：柱身剪切破坏，柱末端弯曲剪切破坏，角柱弯曲剪切破坏和短柱剪切破坏；框架梁伤害比较轻，一般为垂直弯曲裂缝或剪切斜裂缝；框架梁节点和柱节点是连接梁和柱的重要组成部分，在地震中节点一般会产生对角线方向的斜裂缝或交叉斜裂缝，如果严重的话，混凝土被剪碎掉落，柱纵筋屈曲外鼓，这主要是由于抗剪承载力不足或是因为施工质量低劣，没有足够箍筋是最主要的原因。图4显示了梁柱节点在地震中的破坏（见图4）。图 4 框架节点处的破坏3.1.2 框架填充墙的震害框架填充墙破坏形式如下：出现墙斜裂缝，并沿着柱周边开裂，在墙的端部，门开口和窗间墙部位产生斜裂缝或交叉裂纹，损坏更严重。这是破坏的主要原因：墙体抗拉剪能力低，延性小，缺乏墙与框架间有效的拉结。3.2 剪力墙结构的震害相对于框架结构，剪力墙结构和框架剪力墙结构的损伤较低。高层建筑的剪力墙的破坏主要有两种形式：一种是剪切强底部破坏，这主要是由于狭窄和高的墙性能类似于悬臂梁，损害常出现在底部；还有一种为剪切破坏，连梁位于上下门窗洞口间，所以容易出现损坏。实际项目中由于剪力墙的实际布局使建筑平面布置和空间的使用是有限的，所以在实际工程中常使用框架-剪力墙的形式。3.3 框架-剪力墙结构的震害在框架-剪力墙结构中，框架主要用来承受竖向荷载，剪力墙承受大部分水平荷载。框架-剪切墙结构，因具有很大的侧向刚度和承载能力，显示了优良的抗震性能，尤其是与同一区域框架结构比较，框架-剪力墙损坏结构的非结构元件破坏要轻得多。图 5 为汶川地震后的绵阳新益大厦，可以看到其在地震中仅有少数围护结构产生细微裂缝(见图5)。图 5 汶川地震中绵阳新益大厦3.4 钢筋混凝土结构震害特点当地震刚发生时，钢筋混凝土框架结构在弹性范围。随着地震的加强，结构迅速进入塑性状态，结构出现裂缝，部分结构退出工作，结构内进行内力重分布，此时的结构整体没有倒塌，随着越来越多的构件退出工作，结构发生局部坍塌，最终结构失稳破坏。钢筋混凝土框架结构，梁，板，柱和基础组成承重结构，侧向刚度小，当在地震作用时，发生剪切变形，当高度较大时，受力特性由受垂直力为主变为由横向载荷为主。多层建筑在当前世界范围内，有大量的钢筋混凝土框架结构，而且多层建筑多为框架结构，在之前的大地震，框架结构的破坏是非常严重的。 1995年日本阪神地震和1999年台湾集集地震，钢筋混凝土框架结构的破坏，除砂土液化或不稳定造成房屋毁坏，以及个别建筑发生因过大竖向地震造成整体松散外，主要损坏是柱抗弯能力不足，引起不规则的竖向刚度，造成结构扭转产生柱的弯曲损坏，以及其它典型的强梁弱柱状损坏。阪神大地震的研究表明：除了各别建筑外，大部分建筑在梁柱节点处没有发现框架梁端节点出现塑性铰情况，这意味着在垂直地震为主的条件下，框架柱的承载能力是必不可少的。地基由于严重液化，地基下沉，除了上述之外，框架结构还有很多整体倾斜塌陷，同时，也有一些房屋倒塌发生在中间楼层。钢筋混凝土框架结构梁和墙连接处发生严重受损，露出的钢筋屈曲，而且由于地面沉降，建筑物倾斜。该框架结构的主要部分没有严重的损害，由于剪力墙增加了垂直和水平的承载能力，获得了一定的框架保护。其他框架剪力墙结构的损坏，多数情况下结构作为一个整体因液化引起结构不稳定而崩溃。钢筋混凝土框架结构的主要损害损伤的是集中于框架梁、柱的两端。其中最常见的为柱端破坏，从而造成短柱段梁的形成。这是因为框架结构的两端剪力、弯矩往往较大，在弯矩和轴向力的共同作用下，易于首先在梁柱集中两端发生各种形式的破坏。窗台墙会对柱有一个约束，这就使该柱的有效长度减少一半，成为短柱。在地震中，柱将会发生严重的剪切破坏。如果柱的横截面太小，箍筋不足，混凝土的抗压强度不足，在水平和垂直地震作用的共同作用下是易于发生剪切压力的破坏。如果竖向负荷过大，过小的柱截面，钢筋弯曲成灯笼形状的破坏，会出现柱的屈曲破坏。柱的主要损害是塑性铰的出现，用以吸收地震能量。虽然结构发生了较大的形变，但整体没有倒塌。框架结构填充墙上的门洞使框架梁变成短梁，致使短梁发生剪切破坏。梁端主要是在框架梁和柱子切点处发生塑性铰损坏。3.5 钢结构震害特点钢架梁的破坏主要集中在混合连接节点上。混合连接中梁翼缘与柱，用全燥透坡口对接焊缝连接，腹板与柱通过连接板用高强度螺栓连接。钢框架的焊接节点的损坏，常常在梁的下翼缘产生。裂纹的扩散途径是多种多样的，从根到基座的金属或焊接热影响区。一旦翼缘破裂，通过螺栓或焊接连接的抗剪腹板趋向于拉开，沿从下向上的连接线延伸。在焊缝根部具有潜在危险的裂缝是翼缘和腹板之间形成的断裂裂缝。焊接的缺陷引起了很多结构构件的损坏。对连接的破坏的研究表明，焊接质量通常很差，很多缺陷可以看出，显然违背了焊接质量标准的要求，不仅焊接作业是一个问题，焊接检验也是一个问题。许多缺陷显示出，裂缝首先发生在下翼缘，该处裂缝是中断的。如果用超声波检查该部为也是很困难的，由于梁腹板阻碍探头设置比较困难。由于主连接焊缝焊接很困难再加上检测困难，所以，出现了质量极差部位。上翼缘沿焊接焊缝检测不存在梁腹板阻碍的问题，所以，可以认为破坏原因是由于上翼缘焊缝的破坏。4 高层建筑防震浅谈我国对地震中的建筑物的抗震要求为：小震不坏，中震可修，大震不倒。所以我们应对地震的灾害要做好前期预防工作，有上面对高层建筑震害原因和特点的研究可知，震害的预防需从设计，施工，监管三方面做起。4.1 抗震设计4.1.1 应重视建筑结构的规则性建筑设计应与抗震设计要求的是一致的，严重不规则性的设计不能使用。建筑布局对于抗震设计至关重要，提倡建筑物对称设计。震害研究表明该类型的建筑物在地震时不易损坏，易于估计地震响应，便于采取适当的措施，并进行抗震建筑细部处理。建筑结构的规则，包含了建筑尺寸的平面的外观，侧向抗力构件布置，质量分布，承载能力等众多因素的复杂要求。规则建筑，它们的形状简单；承载力和抗侧力上下变化连续，统一的系统刚度；布局基本对称。4.1.2 抗震概念设计应坚持的原则(1)刚柔相并原则。抗震设计，而不是简单地增加结构抗力，通常计算基于该结构的尺寸和等级混凝土的初定刚度，然后由结构刚性计算所述地震力，最后计算出配筋。如果该结构刚度太大，在地震发生时响应就大，如需要能够承受地震就需更多的钢材，从而增加了结构的刚度，使抗震效果提高。当大地震力瞬时爆发，极易造成局部损伤，导致各个击破;并且太柔的结构，虽然有良好的延展性，但容易因变形过大而无法继续使用，即使整体失稳。在抗震设计中，为了实现刚度度和柔度相结合的原则，既满足了变形的要求，而且也减少了地震力，最重要的方法是分离和消能设计。消能设计一般的做法是将底座和主体，附加的能量耗散（类似于阻尼装置）之间设置柔性隔离层；此外，抗震设计中，“硬度和柔软性相济”是一个合理的控制设计，实现总的信息。它的位移，地震力应符合建筑GB50011-2001抗震设计，不超过限值要求。(2)多通道设防原则。震后往往伴有一些余震，假如只有一道设防，进一步余震会使本来就损坏的结构再遭破坏，该结构就会因为损坏的积累而引起崩溃。因此，地震结构体系应该是和一个以良好的延展性连接的结构元素一起工作。4.1.3 抗侧力结构和构件应设计成延性结构延性是指一个材料的结构、构件或构件的某个截面从屈服开始到达最大承载能力或到达以后而承载能力还没有明显下降期间的变形能力。在“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设计原则下，结构应设计成延性结构。当设计一种可延展的结构时，由于该塑性变形可以消散地震能量，结构变形增加，但该结构承受地震作用不会直线上升，即，该结构是由其变形抵抗地震。延性结构组件设计应符合“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱杆件”的原则。4.1.4 应有意识地加强薄弱环节(1)结构在强烈地震作用下没有强度储备，结构实际承载能力分析（而不是分析承载力设计值）来确定薄弱层。(2)使楼层的实际承载力和计算的弹性受力的比在整体上保持一个相对平均的变化，当楼层的这个比值有突变时，会由于内力重分布以至塑性变形的集中。(3)防止在过度重视局部加强而忽视整体结构刚度和承载力的协调。(4)抗震设计中有目的、有意识地控制薄弱层，使其有足够的变形能力，且不会使薄弱层发生转移，这样，就提高结构总体抗震性能。4.1.5应采用合理的建筑结构体系建筑的布局，除了需满足建筑结构的功能要求外，结构抗侧力和结构的布置也应规则、对称，受力要明确，传力需合理，传力途径不能间断，并且应该具有良好的整体性。(1)抗侧力应安排合理。在框架-剪力墙结构，剪力墙应安排在与建筑物的临近的楼梯间，电梯，平面形状变化恒载大的地区，剪力墙的间距不宜过大；平面凹凸较大时，应该是在突出部分布置剪力墙；纵向和横向的剪切壁应当是L型，T型和的形式；剪力墙应贯通结构的全高，杜绝刚度突变；剪力墙应与洞口上下对齐；在抗震设计时，剪力墙的安排应使结构接近各主轴方向的侧向刚度相近。(2)结构的整体性要好。在高层建筑结构中的楼盖对于结构的整体性有着很重要的作用。因为，楼盖相当于水平隔板，其不仅集中和传递惯性力到各个竖向抗侧力的子结构，而且使这些子结构能共同承受地震作用，特别的，当竖向抗侧力结构布置不均匀、布置复杂或各抗侧力子结构水平变形特性不同时，整个结构就需要依靠楼盖，来使各抗侧力结构能共同工作。另外，楼盖体系最重要的作用是提供足够的平面内刚度和抗力，并且与竖向各子结构有效连接。所以房屋的顶层、结构转换层、平面复杂或开洞过大的楼层、作为上部结构嵌固部分的地下室楼层应采用现浇楼盖结构。4.2 施工和管理控制(1)在施工和设计中，设置多道抗震体系。在框架结构中适当增设置剪力墙和支撑系统，将其作为二道防线。(2)施工中改进抗震措施。改进框架填充墙的构造、改进节点的构造、改进预制板的连接的构造等措施，和抗震缝的设置要求等。(3)施工质量的控制。保证混凝土达到设计强度，在施工中处理好施工缝的设置与连接，并加强施工监理和验收工作等。5 结 语本文介绍了高层建筑结构震害的特点。首先结合一些典型的发生在最近几年世界各地地震，总结了地震造成的破坏的严重程度，并在此基础上，总结了一些地震工程的现有结构的可能原因。其次，结合高层建筑的构造，总结了在地震发生后，高层建筑破坏的特点，其实它包含了很多这样那样的设计不合理，施工不可靠，管理和监督不到位，以及其他人为因素。因此，在以往的地震中吸取经验教训，提升抗震意、质量、设计，施工，管理意识是结构抗震的关键。参考文献1 李国强等. 建筑结构抗震设计M. 北京：中国建筑工业出版社，2008.2 王亚勇，皮声援. 台湾921大地震特点及震害经验J. 工程抗震，2000，(2)：42-46.3 凌江，郑瑾. 多层建筑结构的震害特点研究J.国外建材科技，2008，(5): 58-61.4 梅巧玲. 高层建筑的震害特点综述J. 中国水运，2012，(12): 63-64.5 Banon H, Biggs J M, Irvine HM. 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