汉旺镇建筑结构震害特征及机理分析_secret

1 汉旺镇建筑结构震害特征及机理分析 摘摘 要要 通过对汶川里氏 8 0 级大地震重灾区汉旺镇上不同建筑结构的考察 分析了砌体 结构 底框砌体结构和框架结构的震害特征及机理 引起广大读者的关注 关键词关键词 汉旺镇 重灾区 砌体结构 底框砌体结构 框架结构 震害 1 前言 距离汶川地震震中直线距离约 30 公里的四川绵竹市汉旺镇 位于四川盆地西北部 地处沱江绵远河上游 龙门山脚下冲积扇上 距成都 105 公里 幅员面积 79 55 平方公里 辖区内总人口 56151 人 常住人口 6 万多人 是一个农 工 商 贸 旅游业全面发展的 新兴工贸重镇 工业是汉旺镇经济发展的支柱 辖区内有国有大中型企业和驻镇单位 40 余家 全国三大汽轮机生产企业之一的东方汽轮机厂和全国四大磷矿基地之一的清平磷矿 都在汉旺 2008 年 5 月 12 日 汶川县里氏 8 0 级大地震发生 与震中仅一山之隔的汉旺镇受到 波及 损失惨重 成为重灾区之一 据统计 受灾人口达 6 2 万多人 遇难人数达 4595 人 失踪 267 人 受伤人数 6789 人 其中 2465 人受重伤 全镇范围内倒塌房屋 22700 户 损坏 93980 间 受损面积 327 89 万平方米 全镇约有 60 余座高层建筑 强震后几乎 没有一座建筑完好 经济损失巨大 仅东方汽轮机厂一家经济损失估计在 50 多个亿 如 果单从经济损失计算 一个汉旺镇比北川 汶川整个县的经济损失还要大 图 1 时间定格在 14 时 28 分的汉旺镇钟 楼 2 图 2 汉旺中心幼儿园遗址 图 3 东方汽轮机厂受损厂房 汉旺镇建筑结构类型主要有砖木结构 砌体结构 底框砌体结构 框架结构 多层建 筑为 1 6 层 高层建筑为 11 层 本文结合在汉旺镇遗址实地考察的情况 介绍在此次大 震中汉旺镇建筑的震害特点 特别是比较普遍的砌体结构 底框砌体结构和框架结构 总 结成文如下 2 地震对建筑物破坏机理 当地震发生后 震源断裂产生的能量以波的形式以地壳为传播介质向四周传播 包括 纵波 横波和面波 纵波的波动方向与传播方向一致 是压缩波 速度最快 它使地面发 生上下振动 破坏性较弱 横波的波动方向与传播方向垂直 是剪切波 速度次之 它使 地面发生前后 左右抖动 破坏性较强 而面波则是沿着地表呈翻滚状传播的 是由纵波 与横波在地表相遇后激发产生的混合波 虽然跟在最后 但振幅强 对建筑物的破坏却最 大 建筑物根据其建筑材料的不同和形状的不同 其质量和刚度大小也不同 因此 不同 的建筑物具有不同的自震周期 譬如跨度较小的农村单层砖房 其自振周期一般在 0 1 秒 左右 大跨度桥梁 摩天大厦的自振周期能达到 3 秒以上 建筑物越高 自振周期越长 相同的地震对不同频率的建筑的作用力是不同的 在地震中 如果建筑的自振频率恰好十 分接近地震波的卓越频率 能量较大的频率成分 相对其他建筑结构将其遭受更大的地震 作用力 共振效应 如 1985 年 9 月 19 日墨西哥大地震中 在墨西哥城中心大部分场地 的卓越周期为 1 5 2 秒 这与 10 20 层建筑的自振周期吻合 引发类共振 地震反应强烈 造成这个层数范围的建筑破坏严重 而更高的 30 40 层高层建筑则基本无破坏 3 主要建筑结构震害特征 3 1 砌体结构 以砌体为主制作的结构称之为砌体结构 它包括砖结构 石结构和其它材料的砌块结 构 分为无筋砌体结构和配筋砌体结构 绵竹汉旺镇的砌体结构主要是砖砌无筋结构 此 种结构一般为刚性结构 自震周期短 延性差 较柔性框架结构的抗震性能差 主要地震 破坏主要表现在以下几个方面 3 1 1 纵横墙 墙体是砌体结构中承受地震水平力的主要结构 由砖块 砂浆组砌而成 砖块为脆性 材料 其极限应变很小 抗拉强度也只有混凝土的 1 10 同时墙体在竖向的粘结力很弱 在地震力反复作用下 出现斜拉裂缝和水平剪切裂缝 继而导致墙体破坏倒塌 1 斜拉破坏 由两个方向的斜裂缝组成交叉 X 形裂缝 如图 3 所示 2 水平剪切裂缝 沿墙体的水平灰缝发展 可能出现在楼盖或屋盖的梁板与墙体 之间 也可能发生在砌体中间 如图 4 所示 3 图 3 某五层住宅楼墙体交叉 X 形裂缝 图 4 汉旺客运站内墙体的水平剪切裂缝 3 1 2 房屋墙角 房屋墙角处于建筑的端部 刚度较大 且受房屋整体约束的作用相对较弱 使该处的 抗震能力降低 在地震面波的作用下 产生极大的扭转作用力 墙角的地震反应明显增大 出现裂缝破坏 甚至局部倒塌 如图 5 所示 4 图 5 某六层住宅地震扭转作用造成墙角及墙体水平裂缝 3 1 3 凸出墙面部位 体形规则 均匀 对称的建筑抗震能力强 而不规则的建筑抗震能力较差 在地震扭 转作用下 由于凸出的转角部位截面尺寸突变 刚度变化 地震时容易产生扭转剪切 地 震反应增强 形成应力集中 容易出现裂缝 如图 6 所示 图 6 汉旺镇中国人民保险集团公司办公楼凸出墙面的位出现的剪切裂缝 3 1 4 门 窗洞口 5 对于墙体而言 门 窗洞口是墙体受力的薄弱部位 荷载竖向在此处传递不均 在水 平以及竖向地震作用下 洞口部位应力集中明显 容易使墙压坏或剪坏 从而出现斜裂缝 有些出现 X 形交叉裂缝 如图 7 所示 图 7 汉旺客运站门 窗洞口处斜裂缝 3 1 5 构造柱与圈梁 砌体结构主要依靠构造柱和圈梁增强其整体性 提高抗震能力 但砖砌体和构造柱 圈梁的混凝土变形模量差别很大 虽然三者可以协同工作 增加建筑的延性 但它们不能 同时段进入工作状态 在倒塌及严重损毁的砌体结构调查中发现 构造柱 圈梁配筋不当 设置不合理 较少 甚至不设置构造柱和圈梁 导致建筑严重破坏及垮塌 如图 8 10 所 示 6 图 8 某三层住宅底层山墙构造柱箍筋过少 图 9 某四层住宅山墙未设构造柱 图 10 某六层住宅缺乏圈梁拉结造成破坏 3 1 6 预制楼板 在汉旺镇的砌体结构中 预制空心楼板被大量采用 纵墙是砖混结构中的薄弱环节 它非常容易倒塌 在住宅楼中预制板搭在外纵墙上是常见的做法 此种结构整体性较差 抗震性能弱 在地震发生时 由于预制板之间及预制板与墙体间的拉结强度较低 搁置长 度不够 导致整个结构的坍塌 如图 11 所示 造成重大伤亡 7 图 14 震害较严重的某三层底框砌体 结构 图 11 某四层住宅预制楼板垮塌破坏 3 2 底框砌体结构 在汉旺镇商业街道的两侧 出现比较多的一种特殊建筑结构 即底层框架为大空间的 商铺 如图 12 所示 采用钢筋混凝土柱支撑上部荷载 二层以上为居民的住宅 采用砌 体结构 形成既有梁柱承重又有砖墙承重的混合承重体系 且梁柱板等承重构件的截面尺 寸 配筋 混凝土强度等级等均凭经验进行施工 图 12 底框砌体结构集中于汉旺商业街 图 13 砌体剪切裂缝的商业街底框砌体结构 8 二层以上纵横墙布置较密 不仅重量大 而且侧向刚度大 而底层框架结构为柔性体 系 其侧移刚度比上层小得多 在结构布置上形成下柔上刚的结构形式 在地震力作用下 这种结构的变形主要集中在底层框架 总的情况是柱的震害大于梁 柱顶震害大于柱脚 角柱震害大于内柱 若底层设有足够的抗震墙保证了底层足够的抗震能力 则破坏易发生 于第二层砌体结构处 主要表现在砌体的剪切破坏和倒塌 如图 13 14 所示 1 底层框架震害主要表现在框架柱柱顶或柱脚产生塑性铰或局部压溃 框架柱竖向 钢筋压溃呈 灯笼 状 如图 15 所示 2 有些底框砖混结构的底层近乎全是柱子 没有抗震墙 导致底层刚度相对较弱 产生较大的侧向位移 如图 16 所示 图 15 底层框架柱柱脚 柱顶压溃 图 16 某商铺和饭店底层框架发生侧移 3 3 框架结构 框架结构形式的住宅是指以钢筋混凝土梁 柱作为主要受力构件的住宅 框架结构房 屋的墙体是填充墙 起围护和分隔作用 整个框架结构体系主要承重构件柱 梁都是固接 并且按照抗震设计理念 大震不倒 中震可修 小震不坏 进行设计 汉旺镇中大部分砌 体结构 底框砌体结构震害比较严重 但框架结构主体未见严重震损 主要震害表现为柱 端出现塑性铰和填充墙 门窗的损坏 而框架梁出现破坏较少 震害表明 采用框架结构 具有足够的强度 良好的延性和较强的整体性 经过合理的抗震设计 采用此结构是可以 保证安全的 3 3 1 框架柱 强地震下框架结构底层柱端因吸收较多的水平地震荷载而发生破坏 主要出现在柱端 梁柱节点附近 并且由于地震扭转作用 角柱的破坏重于边柱和中柱 该区域一般破坏形 式为混凝土压碎 剥落 钢筋外鼓 如图 17 所示 柱破坏的主要原因如下 1 箍筋在柱上下两端未加密或直径偏小 造成抗剪能力不足 约束不了主钢筋 极易 9 造成柱头 柱脚主筋呈灯笼状 混凝土酥碎 2 梁端配筋过大 柱承载力偏小成强梁弱柱 框架结构未能做到 强柱弱梁 使柱 端先于梁端出现塑性铰 柱铰机构的形成是导致框架结构整体失稳甚至倒塌的主要原因 规范要求钢筋混凝土框架结构应该设计成梁铰机构 尽量避免柱铰机构尤其是层间侧移机 构的形成 3 混凝土强度等级不足 强震下易酥碎 图 17 框架柱柱端塑性铰 3 3 2 填充墙 框架结构中的填充墙有砖 砌块等脆性材料组成 易产生裂缝 连续性差 延性差 抗剪 抗拉 抗扭强度低 在常规设计中均不考虑砌体填充墙的作用 只起围护及分隔空 间的作用 但填充墙的刚度较大 而框架结构属于柔性结构 在受力早期 填充墙与框架 共同工作 使结构早期刚度增加 吸收较多的地震能量 但填充墙本身的抗剪强度低 在 地震作用下很快出现裂缝 甚至破坏倒塌 如图 18 19 所示 10 图 18 汉旺镇中国银行框架结构中 填充墙的剪切破坏 图 19 绵竹妇幼保健院综合业务楼 山墙填充墙剪切破坏 3 4 楼梯 在地震发生时 楼梯作为低楼层住户的逃生通道 是楼内人员的生命线通道 其抗震 能力不容忽视 在汶川大地震中 破坏严重的楼梯一般多设置在建筑结构的端部 这使得 楼梯在地震扭转作用下受力复杂 致使楼梯成为结构的薄弱部位 梯板作为具有一定刚度 的斜向受力构件 在地震水平力下承担一定的水平荷载 这造成梯板中部弯矩增大 休息 平台构件位移增大 形成破坏 同时 由于楼梯间纵横墙间距较小 空间刚度大 受到的 地震作用较大 因此 楼梯间的横墙与纵墙比其他部位的墙体破坏严重 一般出现斜裂缝 破坏 有些在地震往复作用下直接倒塌 如图 19 所示 二层梯板破坏坠落 某五层住宅楼梯损坏 11 图 20 主体未受明显震害的东方大酒店 某住宅楼梯间墙体剪切斜裂缝破坏 楼梯梯板在休息平台处水平剪断 绵竹妇幼保健院楼梯间二层梯板裂缝和构造柱破坏 图 19 楼梯震害情况 4 结论与建议 本文对汶川地震重灾区汉旺镇的建筑结构进行震害调查 在汉旺镇地震遗址收集了丰 富的震害资料 主要针对汉旺镇砌体结构 底框砌体结构和框架结构进行了分析 得出结 论如下 4 1 砌体结构 1 该结构的抗震性能主要在于墙体 因此设计时必须有足够的墙体数量和足够的墙 体截面积去抵抗地震力 同时加强构造措施如构造柱 圈梁 建议设板底圈梁 单边时设 高低圈梁 锚拉钢筋等 并根据建筑功能要求合理布置结构构件 尽量使刚度中心与质量 中心重合 2 除了圈梁对所有墙体起拉结作用外 纵横墙交会处的构造措施非常重要 横墙应 设马牙槎 还要设置拉结钢筋 拉结钢 筋宜每六皮砖一道 至少两根 6 毫米钢 筋 伸入砖缝长度不少于 500 毫米 4 2 底框砌体结构 虽然在汉旺镇部分采用底框砌体结 构的商铺都出现了较大的震害 但当底 框结构应采用钢筋混凝土抗震墙 加强 底层框架柱端的构造措施 同时协调底 部框架与过