从汶川地震谈建筑结构的设计和加固.doc

从汶川地震谈建筑结构的设计和加固摘 要：通过对多层砖混结构、框架结构、底框结构、单层工业厂房、钢结构等结构形式的建筑物在四川汶川地震中的震害调查, 分析其破坏机理, 并给出了一些设计建议。关键词：地震；结构；设计2008年5月12日, 在我国四川省汶川县, 发生了里氏8.0级, 震中烈度为11度的大地震, 多个省市受灾。地震中,各种结构形式的建筑物均有不同程度的破坏,对我国目前的抗震设计提出了新的要求。本文对各类结构形式建筑物的震害进行了调查,并对其破坏机理及抗震性能作了分析, 同时指出了在设计中应当注意的一些问题。一、地震中的震害现象及分析 1. 砌体结构 砌体结构在此次地震中震害较为普遍, 如图1所示, 其中(a)为建筑物完全倒塌; (b)为窗间墙出现交叉斜裂缝；(c)为底层靠近基础顶部出现水平贯通裂缝； (d)为预制楼板掉落。对于没有设置圈梁、构造柱或是虽设有圈梁、构造柱但达不到规范要求的砖混结构在本次地震中破坏都比较严重； 相反, 按照规范要求设置了圈梁、构造柱的结构破坏相对较轻。图1 砌体结构的震害出现上述震害现象是基于以下几点原因: (1)砌体结构是由砖、石等砌筑而成, 砌块之间的粘接较差。地震时, 在水平和竖向地震的共同作用下, 砌块之间的粘接容易被破坏, 再加上没有合理的构造措施, 不能够对砌体进行很好的约束, 导致其整体性较差, 出现粘结裂缝, 严重时导致建筑物垮塌。(2)由于窗间墙的剪跨比小, 砌体的抗剪能力较差以及抗剪强度不足, 因此容易产生交叉的剪切裂缝。(3)部分砌体建筑物砂浆强度比较低, 地震作用下底层受弯较大, 导致底层砖墙水平灰缝开裂。(4)预制板和圈梁、构造柱、承重墙体之间没有进行可靠连接, 在地震中, 预制板和周边的构件连接处容易被拉开, 导致楼板的破坏, 进而使墙体在平面外失去有效约束, 容易造成墙体外闪。已有的研究表明, 设置圈梁和构造柱, 相当于对砌体施加了约束, 可以提高砌体的变形能力和房屋的整体性, 因此可以明显改善砌体结构的抗震性能； 同时还可以使其抗剪强度提高10% - 30% 。2.框架结构在这次地震中, 钢筋混凝土框架结构表现出比较好的抗震性能。说明结构设计中只要经过合理的抗震设计并采取妥善的抗震构造措施, 在大震作用下可以保证不倒。此次地震中框架结构出现的典型震害如下图2所示。图2 框架结构主要震害其中( a)为汉旺镇某框架砖填充墙的剪切破坏；(b)为楼梯踏步板破坏； (c)、(d)为框架柱和节点的震害；(e) 为汉旺镇PICC 大楼, 屋顶塔楼的鞭梢效应 , 顶部装饰物掉了一个。造成上述震害的主要原因有: (1) 砖填充墙抗剪承载力低, 变形能力小, 墙体与框架缺乏有效的拉接,在往复变形时墙体易发生剪切破坏。由于框架变形属于剪切型, 下部层间位移大, 填充墙震害一般呈现下重上轻 的现象。当框架结构采用砌体填充墙做围护结构时, 应注意其应与柱子进行可靠连接, 可采用贴砌围护墙或墙、柱柔性连接方案。(2)此次地震中, 多个建筑物的楼梯出现受弯破坏, 主要原因是配置的受弯钢筋不足。(3)柱子截面尺寸较小, 且箍筋加密区、梁柱节点区配置的箍筋不符合规范要求, 没有遵守 强柱弱梁 、强剪弱弯 、强节点、强锚固等设计原则。(4)地震作用时, 建筑物顶部的突出部分由于刚度和质量较小在地震中瞬间产生较大的速度和位移, 产生鞭梢效应 。出屋面的小房间或装饰部分最好不要做成砖混结构, 可将框架柱延伸上去或做成轻型钢结构,以减小“鞭梢效应”造成结构破坏。3. 底框架结构本次地震中底框结构破坏较多,， 但按新规范设计的底框结构表现较好。调查某小区的底框结构, 典型的破坏形式如图3所示：其中( a)、( b)部分底框结构底层有过大层间变形, 框架部分的柱头柱脚破坏； (c)为二层砌体过渡层破坏。出现以上震害现象主要由于: (1)底框结构上部砖混各层纵横墙较密, 重量大且抗侧刚度大，底层框架抗侧刚度比上部小，整个结构上刚下柔 。地震时房屋的侧移集中发生在相对薄弱的底层, 而上部其他各层的侧移很小, 易引起底层的严重破坏。(2)底框结构是由两种承重体系组成的结构体系, 其过渡层的受力复杂。第二层担负着上部的地震剪力, 也担负着上部各层地震力对底层楼板的倾覆力矩, 导致第二层层间位移增大, 其墙体先于其他楼层破坏。建议在今后的设计中, 应该对该类房屋的结构方案和结构布置进行严格的限制。房屋的底层沿纵横两方向均匀对称布置一定数量的抗震墙, 以防刚度差异过大，地震作用下两种结构衔接处应力集中发生破坏。图3 底框架结构主要震害4.单层工业厂房单层工业厂房在此次地震中破坏比较严重, 在绵竹市汉旺镇东方汽轮机厂调查到比较典型的破坏现象如图4所示, 其中, ( a)为柱头及屋架联结的破坏；( b) 屋架破坏；( c) 天窗架破坏；( d) 纵向地震作用下山墙、山尖外闪或局部塌落, 抗风柱断裂；( e ) 外围护砖墙开裂外闪； ( f) 支撑破坏。图4 东方汽轮机厂里的厂房震害上述震害出现的原因主要为: ( 1)柱头在强大的横向水平地震作用与竖向重力荷载及竖向地震作用的共同作用下, 节点联结不足时导致连接破坏; 当节点连接强度足够时, 由于柱头处于剪压复合受力状态, 柱头混凝土易出现斜裂缝, 被挤压而破坏。( 2)在纵向地震作用下, 屋架两端内力最大, 中部杆件经常是零杆或内力很小, 设计的截面较弱, 受到较大纵向地震作用时,因承载力不足而破坏。( 3)门形天窗架突出于屋面, 天窗屋盖重量大, 重心高, 刚度突变,地震时受高振型影响使地震作用明显加大, 造成天窗架立柱折断, 或天窗架与屋架的联结节点破坏, 天窗架下塌。( 4)一般山墙面积大, 与主体结构连接少, 山尖部位高, 动力反应大, 抗风柱配筋不足且处于抗震不利位置, 他们在地震中往往破坏较早、较重。( 5)外围护结构破坏主要是构造处理不到位, 围护结构沿柱高设置的拉筋没有拉接好。( 6)厂房的纵向刚度主要取决于支撑系统, 在纵向地震作用下支撑内力很大。一般情况下支撑仅靠构造设置, 达不到抗震的数量要求, 杆件刚度偏弱且承载力低, 节点构造单薄, 地震时易发生杆件压屈。5. 钢结构震区钢结构房屋比较少,总体上来说钢结构表现优异，如图5所示,其中,(b)大跨结构;(c)龙门山镇一个门式钢架;(d) 龙门山镇一个广告牌；他们基本没有破坏。已经调查到的钢结构房屋中, 仅有一座钢结构加油站失稳垮塌,如图5(a)所示。主要原因是柱脚锚固不足,难以抵抗水平地震引起的弯矩和剪力。由此更加说明了, 钢结构轻质高强具有良好延性, 属于较理想的弹塑性结构,具有抵抗强烈地震的变形能力。图5 钢结构在地震中的表现二、通过合理设计提高抗震能力1.充分重视建筑概念设计在汶川地震中, 各类结构形式的建筑物都有不同程度的破坏。其中砌体结构破坏最多, 特别是村镇民房, 基本没有设置圈梁和构造柱。框架结构总体表现较好, 基本做到了大震不倒。底框结构底部没有设置抗震墙的底层和过渡层破坏较多, 按新规范设计的表现较好。单层工业厂房结构复杂多变, 震害现象比较复杂。钢结构在地震中的表现优异。通过对以上各类结构的震害分析, 可以看出, 是由于抗震构造做得不足, 导致结构整体性较差。在今后的设计中, 应充分重视建筑概念设计, 尤其是抗震构造设计。（1）结构体系合理 建筑抗震设计规范第3.5.2条3.5.3条规定，不论是钢筋混凝土结构还是砌体结构，均要求结构体系完整，传力路径明确，但在设计中，为满足建筑师的创新突破，结构设计以拆柱子、开大洞、砌体结构中大量钢筋混凝土构件承重、转角开门窗、楼梯间凹凸于建筑转角等作为代价，结果破坏了结构整体性及传力路径，在地震中率先破坏导至结构失稳坍塌；钢筋混凝土框架结构中，围护墙和隔墙（不包括轻质隔墙）不合理布置，可使结构形成刚度和承载力突变的薄弱部位而引起倒塌，（上下楼层的数量相差很大导致上刚下柔；墙不到柱顶，形成短柱剪切破坏）。（2）设置多道抗震防线此次地震发现，在高烈度区理论上抗震性能较好的钢筋混凝土结构有倒塌的，而抗震相对较差的的砌体却也有裂而不倒的；甚至个别私人建造的砖木结构的住宅都完好无损；同一地点，同是砌体教学楼，有的损坏严重，甚至倒塌，有的却表现良好。这就是多道抗震防线起了作用。 建筑抗震设计规范第3.5.3条对结构体系提出了多道抗震防线的要求，对于在大震作用下结构抗倒塌具有重要意义。 砌体结构的构造柱、圈梁虽然不能提高结构的抗震承载力，但作为砌体的约束构件，可以提高墙体的延性。在大震作用下，作为“第二防线”延长建筑物变形时间，约束紧箍建筑物裂而不倒，保证居住者有足够的逃生时间。 框架结构，尤其是教学楼这种大空间结构，如果合理设置柱间支撑或柱子翼墙（不影响空间采光和美观），增加结构纵向刚度；剪力墙结构合理设置连梁，让其作为结构的“第一道防线”在大震来临时，率先破坏，消耗地震能量并改变整体结构的动力特性，降低地震力，来保护主体结构的安全。 多层框架设计时可考虑将楼梯间墙体设置成剪力墙，大跨度的公共建筑适当在墙体位置处增设剪力墙，形成抗震的多道防线。 （3）有意识作到“强柱弱梁” 规范第6.2条钢筋混凝土框架的设计计算应遵循“强柱弱梁”的原则。但在这次地震中，应该要求的“梁铰机制”在毁坏的钢筋混凝土框架建筑没有出现，反而出现了大量的“柱铰”。 在实际设计中，考虑到部分楼板作用形成T形梁，将框架梁的抗弯刚度放大到1.5-2.0后，梁的实际承载力大于梁端弯矩；一般情况下，框架柱即使增大了柱端弯矩设计值，计算结果只能按构造要求配筋；只有当构件抗震等级为9度一级时，规范才要求按照梁的实配钢筋反算柱端弯矩。因此对于占建筑大比重的抗震等级为二、三级的构件，实际的结构设计再精确，形成的还是“强梁弱柱”。 因此，设计时要意识的减小框架梁的断面和配筋，尤其是层数低跨度大的框架结构，有必要加大框架柱截面和配筋。合理确定梁的放大系数，计算后切记不要人为再放大框架梁的配筋。 2. 抗震构造的合理设置是提高抗震能力的有效途径 汶川地震中，有许多建筑因构造的不规范、不合理，甚至是因为构造缺失造成整体的跨塌：预制楼板不拉结，砌体结构不设构造柱、圈梁，地震时墙体外闪而楼板瘫塌、楼梯板施工缝留在最大弯矩处；楼梯与主体结构连接薄弱，地震时先于主体破坏，堵塞逃生通道；抗震缝宽度不够，或因施工堵塞，不同结构的相邻建筑物在地震中碰撞而相互挤坏；框架结构节点钢筋锚固不足，箍筋不加密或不够长度，造成节点先行破坏；填充墙不到顶形成短柱时没有全高加密，造成柱剪切破坏。 砌体结构应严格按规范设构造柱、圈梁。尤其是楼梯、电梯间的四角，楼梯段上下端对应墙体；错层部位、不规则部位纵横墙交接处；较大洞口两侧；较小墙垛处；外墙四角均设构造柱砌体结构受力集中部位应构造可靠，加强混凝土大梁与墙体的连接，7-9度时不得采用独立砖柱，大跨度梁应采用组合砌体，即在支撑部位仅设置构造柱是不够的，是需要进行沿楼面大梁平面内、平面外的静力和抗震承载力验算。 框架结构节点钢筋须满足锚固要求，梁柱箍筋按规范加密，注意箍筋与纵筋的比例；填充墙不到顶形成短柱时，框架柱应全高加密，从构造上保证强剪弱弯、强节点强锚固；保证大震来临时，梁的塑性铰能发挥作用，避免柱及节点破坏形成几何可变体系而倒塌。 女儿墙等非结构构件应与结构主体可靠连接，且应具有良好的变形能力，尤其是建筑物出入口上部的挑檐、女儿墙、玻璃幕，吊顶避免地震时脱落伤人；严禁采用无锚固的预制混凝土挑檐。 当设计必须采用预制装配式楼板时，则应做好预制板间拉接锚固，设置板边圈梁，板缝现浇配筋带，并设置板端现浇配筋腱鞘，可有效提高楼盖的整体性。 3.生命通道楼梯间的安全 由于楼梯段侧向刚度较大、山墙较高、休息平台与楼层存在错层，地震是最容易破坏。作为逃生通道，楼梯间的抗震设计应予以充分重视。 （1） 楼梯间的混凝土梯段、梁、板应参与计算，并考虑对楼梯间山墙造成的不利影响。 （2）在教学楼、医院等人群密集的建筑有必要在室外另设疏散楼梯，以便室内楼梯间破坏时有第二个逃生通道。 （3） 楼梯间构造合理，形成应急疏散的安全岛。 严格按规范设置构造柱，拉结钢筋，钢筋混凝土带，可靠连接或锚固。 （4） 不应采用墙中悬挑是踏步或踏步竖肋插入墙体的楼梯，不应采用无筋砖砌栏板。 （5） 楼梯间不宜设置在房屋的端部或转角处，更不宜设置突出建筑物的转角圆形楼梯间，这都是宜引起地震时集中变形破