图尔荪江 汶川地震受到的启示.doc

汶川地震过后关于建筑抗震设计受到的启示 姓名：图尔荪江斯拉吉 学号：1083310402摘 要: 汶川大地震造成大量房屋建筑破坏倒塌 ,通过对砌体结构和工业厂房、 设备及设施的震害调查与分析 ,对我国建筑抗震设计规范 (GB 500112001)的三水准设防和抗震设计基本要求进行探讨 ,分别对比了在遭遇“小震 ” 、 “中震 ” 和“大震 ” 情况下 ,按一定设防烈度设计的房屋建筑的破坏状态 ,判别是否达到了设防目标。结果表明 ,在 1990年以后设计建造的房屋建筑 ,基本都能达到三水准抗震设防目标 ,严重破坏或倒塌的大多是建造年代较早、 设计不满足规范要求或施工质量存在问题的建筑。针对抗震设计规范中有关结构整体性、 传力路径、 地基基础、 抗震缝、 疏散通道、 设备和设施的抗震设计基本要求 ,对照实际震害情况 ,包括过去地震震害情况 ,总结经验教训 ,提出改进意见。对震前经过加固的建筑物在地震中的表现作了介绍 ,证明了结构抗震加固的效果和必要性。关 键 词 :汶川地震; 建筑震害; 三水准抗震设防; 抗震设计基本要求; 抗震加固0. 引言 2008 年 5 月 12 日四川省汶川县发生 8.0 级强烈地震，震中位于汶川县映秀镇，震源深度 14km，属浅源地震，其影响波及到四川、甘肃、陕西等全国绝大部分地区乃至境外。它是我国建国以来发生在人口稠密区破坏性最强的一次地震，地震造成的灾害损失超出了1976年的唐山大地震。 汶川地震主要发生在山区，地震引发了破坏性比较大的崩塌、滚石、滑坡和堰塞湖等次生灾害。受这些地质灾害和次生灾害的影响，公路交通系统中断、路基沉降、路面开裂、挡墙坍塌、桥梁，建筑物倒塌等震害现象非常严重，通往重灾区的交通完全中断，给救灾工作带来极大困难。在目前的技术条件下，人们仍无法准确的预测地震。但是，从多年来国外的抗震救灾的经验来看，通过严谨的灾害调查、分析，积极正视、总结经验教训，及时修正抗震设计方法，建立、完善应急系统，保证生命安全降低灾害损失是完全可行的。 512汶川大地震中,在地震区各个不同时期设计建造的各类房屋建筑和工程设施经受了考验。震害调查表明,经过抗震设防、 特别是在 1990年以后设计建造的建筑表现良好,即使在极震区实际烈度高出设防烈度34度 (地震动强度超出预计的 10倍)的情况下,除了个别建筑物外,大多数建筑受到中等至严重破坏,但不倒塌,达到了“ 小震不坏,中震可修,大震不倒” 的三水准抗震设防目标。本文继文献 1 之后,结合实际震害调查,对三水准设防和抗震设计基本要求的若干问题进行研讨,包括:砌体结构构造柱和圈梁设置、 结构整体性和传力路径、 地基基础抗震设计、 设备支座抗震设计、 抗震缝设置、 建筑疏散通道以及抗震加固效果等。本文不局限于对震害做简单描述,而是结合震害 (包括历史地震震害)进行分析和必要的计算,判别震害原因,希望能得到一些启示,供工程技术人员在进行结构抗震设计时参考。1 震害与抗震设计基本要求之对比1.1砌体结构构造柱和圈梁设置 建筑抗震设计规范 ( GB 500112001 ) 2 第31514条第 1款规定,“ 砌体结构应按规定设置钢筋混凝土圈梁和构造柱、 芯柱,或采用配筋砌体等。 ” 第 71311条和第 71313条作为强制性条文,对构造柱和圈梁的设置,有非常详细的规定。砌体加混凝土构造柱和圈梁的结构形式是 1976年唐山地震以来,我国的工程技术人员发明的抗震技术。对于由脆性材料组成的砌体结构,构造柱、 圈梁除作为约束构件外,既提高了砌体的延性,又加强了结构的整体性,也可视为第二道抗震防线。经历了多次地震检验,证明这种独特的抗震结构形式行之有效而且非常适合我国国情,已在我国地震区得到广泛应用。只要严格按照规范要求设置构造柱和圈梁,完全可以达到三水准抗震设防目标要求。图 1所示为位于设防烈度 7度、 实际烈度 8度 (相当于“ 大震” 水准)的白鹿镇中心小学的一幢砌体结构教学楼,在达到大震水准的地震作用下,墙体裂缝由于受到构造柱和圈梁的约束,大多局限在窗肚墙而不扩展,虽严重破坏,但不倒塌,达到“ 大震不倒” 的设防目标。在映秀镇,实际地震烈度高达 11度,漩口中学的钢筋混凝土框架结构教学楼严重破坏、 甚至倒塌 1 。而在同一地点相邻的多层砌体结构办公楼房屋,由于合理地设置了构造柱和圈梁,在竖向和水平地震作用下,砖墙砌体严重开裂,主体结构裂而不倒 (见图 2)。相反地,如果构造柱和圈梁设置不当,例如在房屋四角和内外砖墙交接处不设构造柱,就可能产生局部破坏或倒塌,如图 3和图 4所示 1.2结构整体性和传力路径问题 抗震规范 2 第 31512规定,结构体系“ 应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径 ” ;第 31513条规定,结构体系“ 宜具有合理的刚度和承载力分布,避免因局部削弱或突变形成薄弱部位产生过大的应力集中或塑性变形集中” 。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。但是在设计中,建筑师为了达到建筑功能上对大空间、 好景观的要求,不惜“ 拔除” 结构构件,或在承重墙开大洞,或在房屋四角开门、 窗洞,设计所谓“ 飘窗 ” 、 “转角阳台 ” 和圆形楼梯间,其结果是破坏了结构整体性及传力路径,最终导致地震破坏。这种震害在国内外的许多地震中几乎都能发现,而在汶川地震中,更比比皆是,需要引起我们的注意。图 5图8表示了各种形式的转角墙体不正交咬砌所导致的破坏。1.3地基基础抗震设计问题抗震规范 2 第 31314规定,“地基和基础设计应符合下列要求: (1)同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上; ( 2)同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基” 。1.4设备支座抗震设计问题 抗震规范 2 第 31711条规定,“非结构构件包括建筑非结构构件和建筑附属机电设备自身及其与结构主体的连接应进行抗震设计 ” ;第 31713条规定,“附着于楼屋面结构上的非结构构件应与主体结构有可靠的连接或锚固,避免地震时倒塌伤人或砸坏重要设备 ” ;第31716条规定,“ 安装在建筑上的附属机械电气设备系统的支座和连接应符合地震时使用功能的要求且不应导致相关部件的损坏” 。但是,阿坝铝厂的冷却风机机组由于采用轨道滚动支座,地震时脱轨滑出和倾覆,造成破坏。由于无法得到当地的强震记录,不能知道地面加速度峰值。可以做个简单的估算:假定限位钢支架将设备水平惯性力传到桩基础,灌注桩受剪断裂 ,管道重量为 420 t,设地面加速度峰值为 ug ,则桩受水平地震力为 桩的总水平受剪承载力为 桩身破坏条件为Q R由此估计地面加速度峰值为相应的实际地震烈度约为 9度强,与该厂所在地的建筑震害和地质破坏现象一致。以此加速度峰值来验算的该厂另外两个设备基础承台 (设备未安装)之间的连系梁的抗剪破坏。连系梁左边设备基础重750 t,右边设备基础重 1000 t,基础梁断面 400mm 600mm,混凝土强度为 C25,计算受剪承载力等于 假设地表地面运动加速度为 418m / s,则基础承台惯性力、 即连系梁所受到的水平剪力等于 可 Q R ,连系梁被剪坏.1.5抗震缝问题见, 抗震规范 2 规定,“ 抗震缝应根据抗震设防烈度、 结构材料种类、 结构类型、 结构单元的高度和高差情况,留有足够的宽度,其两侧的上部结构应完全分开。 ”正确理解本条规定应该是,建筑平、 立面布置应尽可能规则,尽量避免采用抗震缝;如果必须留的话,宽度应该留够。 实际工程中,往往碰到稍微不规则的结构就留缝,留的缝又不够宽;有时在施工中,浇捣混凝土后的抗震缝两侧的模板没有拆除,或留下许多杂物堵塞,结果等于没留,地震时必然撞坏。1.6抗震加固问题 德阳市第一幼儿园为三层外廊式砌体结构,建于1985年, 6度设防,于 2005年花费 60万元进行加固。具体做法是:加大底部二层外廊砖柱 (由 400mm 400mm加大至 800mm 800mm) ,增设小牛腿;拆除第 3层屋盖,增设圈梁,外廊砖柱改为钢筋混凝土柱。地震时,承重砖墙开裂 ,楼面大梁出现裂缝 ,但整体结构不倒,加固效果很好。都江堰市宁江幼儿园,为三层砖混结构房屋,建于上世纪七十年代, 1992年加固采用外包混凝土构造柱、设置钢拉杆进行抗震加固,。甘肃天水某厂建于 1952年的单层砖柱钢木屋架车间, 1976年唐山地震之后,采用外加角钢围套加固承重砖柱。本次地震中,表现良好 。位于甘肃武都某厂车间砖柱采用相同方法加固,遭受 8度中震作用砖柱严重开裂,但由于角钢围套的约束作用,没有倒塌。2 结语 512汶川大地震后,笔者数度进入地震灾区进行震害调查,针对在文献 1 中所提及的“ 小震不坏、 中震量,在大震情况下,多数建筑受到中等至严重破坏,但不倒塌。三水准抗震设计原则体现了基于性能的抗震设防理念,适合我国国情。震害调查还表明,抗震规范 2 在抗震设计基本要求中,关于结构体系的规定,对于结构抗震性能具有重要意义。相对于砌体结构而言,钢筋混凝土结构无疑具有更好的抗震性能,但不意味着砌体结构就不能使用,只要保证结构的整体性,传力路径明确,砌体结构也具有良好的抗震性能。相反地,在结构的受力集中部位和整体连接的关键部位,如果构造不良,必然导致破坏。砌体结构的构造柱和圈梁对于提高结构延性、 防倒塌具有重要作用。前文已经提到,作为疏散通道的楼梯间设计,应给予充分重视。本文再次归纳了一些典型的楼梯间震害,说明了地震力按结构刚度分配的特征,以及楼梯间设置在建筑端部的问题。描述了在我国过去的地震中比较少见的一些地基基础震害,可供地基基础抗震设计参考。设备基础和支座震害所造成的设备失效乃至破坏、 抗震缝设置不合理导致的房屋震害等等,都是值得我们认真总结的。上述震害经验证实了规范有关规定的必要性和重要性。文中最后列举的一些建筑,地震前经过加固,花费不多,但这些建筑在地震中表现良好,避免了人员伤亡和财产损失,实在是难得的经验。参考文献 1 王亚勇. 汶川地震建筑震害启示 抗震概念设计 J . 建筑结构学报 , 2008, 29 ( 4 ) : 202 25