钢筋混凝土框架结构典型破坏特征及原因分析

钢筋混凝土框架结构典型破坏特征及原因分析

2008年5月28日下午00点左右，四川省樊川县英秀市附近发生8.0级地震。中心位于31度和103.4度的中国北方和南方。此次地震是新中国成立以来破坏力最强、波及范围最广、救援难度最大的地震,给震中和地震波及区带来了极大的损失,而造成损失最直接的原因之一是房屋建筑的破坏和倒塌。据统计此次地震造成的直接经济损失达8451亿元,其中民房和城市居民住房的损失占27.4%,学校、医院和其他非住宅用房占20.4%。钢筋混凝土框架结构系指由梁柱作为主要承重构件的结构体系,在地震灾区应用较为广泛,此次受灾严重的地区,如都江堰、江油、汉旺、绵竹、什邡等,有大量的钢筋混凝土框架结构在地震中发生了不同程度的破坏,为认识该类结构的抗震性能提供了丰富的第一手资料。通过对钢筋混凝土框架中梁柱典型的破坏形态、填充墙对框架结构抗震性能的影响、楼梯间破坏特点等三方面进行描述和分析,为以后的建筑抗震设计提供一定的建议。1楼梯间时期也有破坏钢筋混凝土框架结构具有建筑平面布置灵活、室内空间大等优点,广泛用于多层厂房、商店、办公楼、医院、教学楼及宾馆等建筑中。汶川地震中框架结构的破坏比较严重。特别是柱的两端容易出现塑性铰,此外还有短柱的破坏情况也很多。由于在结构设计时候一般将填充墙视为非结构性构件,不考虑其对框架结构的作用。但是填充墙实际的表现会对框架结构产生影响。这次地震中楼梯间的破坏比较严重,主要是现行的抗震规范没有对楼梯没有详细的抗震设计,最近一次的建筑抗震规范的修订在计算中应考虑楼梯构件的影响。因为楼梯的梯板等具有斜撑的受力状态,对结构的整体刚度有明显的影响。1.1钢筋混凝土结构的破坏1.1.1框架结构整体表现为塑性铰钢筋混凝土框架在设计时候要具有一定的延性,因此必须对构件进行合理的设计,控制塑性较出现的部位。塑性较出现在梁上较为对框架结构的抗震较为有利,因为在梁的两端出现塑性较数量可以较多而结构不致形成机构。柱出塑性铰后框架易形成机构。但是在汶川地震中框架结构的整体的表现就是普遍在框架柱的上下部出现塑性铰。如图1、2所示,而在梁的两端出现塑性铰的情况较少见。根据现行《建筑结构抗震设计规范》(GB50011-2010)框架结构宜设计成强柱弱梁的形式,因此我们有必要重新思考现行的规范是否能够实现强柱弱梁,地震作用在板、梁、柱中的传递路径是否与设计时所采用的假定一致。因此,如何提高柱的承载力、如何考虑楼板对框架梁强度和刚度的贡献,以真正实现“强柱弱梁”,有待进一步研究。1.1.2短柱抗震设计柱子在地震剪力的作用下出现斜裂缝或X型裂缝,裂缝的宽度往往很大,修复很困难,属于脆性破坏。框架中有错层、夹层时,使柱子的剪跨比变小,形成短柱,刚度增大,吸收的地震剪力较大,当未采取相应的提高抗震能力措施时,便易出现剪切破坏。如图3(a)、(b)所示的都江堰某栋建筑由于错层而形成短柱结果遭受地震严重的破坏。因此在将来的结构设计时对于短柱的抗震设计要重点加强。除了结构错层容易形成短柱外,半高的填充墙也容易形成短柱图4(a)所示破坏具有明显的压、弯、剪破坏特征,图4(b)和(c)具有明显的剪切破坏特点,图4(d)呈现出压剪破坏的特征。1.2筋混凝土梁方面汶川地震中框架梁的震害明显要轻于框架柱的震害。钢筋混凝土梁的破坏主要是梁端的剪切破坏,由于抗剪强度不足,无法承担强烈地震作用引起的附加剪力,梁端附近会出现斜裂缝或交叉的裂缝,如图5所示。1.3框架结构破坏与其他各层柱剪力相比较,框架结构底层柱的剪力较大,因此底层柱容易发生剪切破坏或者弯曲破坏。在映秀镇考察时多处框架结构发生底部垮塌现象。由于框架结构属于柔性结构,虽然自振周期较长但是汶川地震持续的时间长。因此框架结构会发生倒塌。如图6、7所示在映秀镇观察到建筑的倒塌。2填充墙与框架的相互作用汶川地震中填充墙的破坏情况严重,由于现行的抗震设计规范将填充墙视为非结构性构件。通常进行抗震设计时,一般采用考虑填充墙的影响对框架结构的自振周期进行折减。关于填充墙对主体结构刚度的贡献以及他们之间的相互作用,目前没有量化的计算方法。地震作用下,填充墙与框架共同工作,一方面墙体受到框架的约束;另一方面框架受到填充墙所提供的支撑作用。由于填充墙早期的刚度大,吸收了较大的地震作用,而其强度相对较低,所以填充墙的震害重于框架梁柱。填充墙的震害大部分是墙面产生单斜裂缝或者是交叉裂缝。2.1抗侧移及塑性铰分析由于填充墙沿房屋竖向布置不均匀,导致建筑沿竖向刚度不连续,而形成软弱层的情况在地震灾区非常普遍。震后调查发现,许多底层作商业用途或停车场、上部作为住宅的框架结构建筑物的底层遭受了不同程度的破坏。在这些框架结构中广泛的采用页岩空心砖和加气混凝土砌块作为填充墙,上部因用于住宅而使用了较多的填充墙来分隔空间,底层为了追求商业空间和停车空间,填充墙或其他抗侧力构件布置很少。图8(a)所示六层填充墙框架结构位于都江堰,底层为车库,上部五层为住宅,从图中可看出,底层几乎无填充墙,底层抗侧刚度很低。汶川地震使该栋建筑在纵向方向发生了30cm左右的水平侧移,侧移主要集中在底层,其他层基本完好,底层形成明显的软弱层。图8(b)所示,底层所有柱上下两端均出现了塑性铰。图8(c)中作者课题组正在对底层柱的侧移情况进行现场测量。值得注意的是,与之相邻的另外一栋五层框架结构建筑物底层设置了一定数量的抗震墙和填充墙,汶川地震后底层没有产生明显的侧移,如图9所示,图9(a)中前面为图8所示建筑,后面为图9(b)所示建筑,图9(c)为该栋建筑底构。类似的情况在汶川地震灾区非常普遍,图8为另外几栋层框架柱和填充墙的受损情况。从两栋建筑破坏情况可看出,底层布置的填充墙或抗震墙拯救了这栋五层的框架结出现软弱层建筑。图10(a)为一栋底层作商业用途的住宅建筑,底层发生了明显的侧移。图10(b)为一栋在建的多层框架住宅,底层为车库,设置了部分剪力墙,第二层填充墙还没施工,其余上部各层填充墙均已砌筑完成,因此,第二层形成了明显的软弱层,柱子上下端产生了明显了塑性铰。图10(c)位于映秀镇的三层框架结构,因底层发生过大的侧移而完全坍塌。2.2水平地震作用下约束副建筑柱的特性填充墙对框架梁柱破坏形态的影响,除了形成短柱外,由于填充墙与框架的相互作用,填充墙还会对框架梁柱产生附加的内力,而导致一些特殊的破坏形态。图11所示,框架在水平地震作用下发生侧向变形时,填充墙将对一侧框架柱将产生斜向的压力,即类似于斜压杆的作用,因而会加大斜裂缝和梁底之间一段柱所承受的地震剪力,从而导致图11(a)所示的剪切破坏形态,在水平地震作用下单层单跨框架和填充墙的相互作用情况如图11(b)所示。而且填充墙也会将一部分剪力传递给柱。这样就增加了柱破坏的可能性,若在设计时候未加考虑,则框架柱会出现局部破坏,降低了其抗震性能。2.3框架梁的破坏机理由于填充墙和框架的相互作用,填充墙对框架梁也会产生一定的影响。这种破坏不同于构件在重力荷载作用下受弯和受剪破坏情况。框架梁的破坏主要是由于填充墙对框架梁底部产生向上的压力从而使框架梁发生弯剪破坏。如图12所示这次震后调查中在都江堰紫坪铺大坝附近的建筑物中框架梁就属于这种情况。3楼梯间周围主体结构的破坏情况汶川地震中楼梯的表现应该引起足够的重视,楼梯结构和楼梯间周围主体结构的破坏程度普遍大于建筑物的其他部分,框架结构的表现尤为明显,楼梯破坏情况的详细介绍参见文献。楼梯的破坏主要有以下几种形式。3.1楼梯水平剪切破坏中间休息平台梁和平台板的剪切破坏在地震区非常普遍。众所周知,汶川地震前对楼梯的设计按梁板结构进行,不考虑地震作用的影响。实际上,与主体结构刚性连接的楼梯在地震作用下和主体结构一起发生侧向变形,即以支撑的方式在提供侧移刚度方面发挥一定的作用,由此在平台梁和平台板中产生水平剪力而导致图13所示的剪切破坏。图13(a)所示楼梯平台梁和平台板发生水平剪切错动,图13(b)中的平台梁出现交叉剪切裂缝。由此可见,在地震区有必要考虑地震作用的影响来设计楼梯结构构件。3.2施工缝处出现的剪切汶川地震中梯段板施工缝处发生剪切破坏(图14)同样非常普遍,尤其是在一些新建和在建工程中。图14(a)为都江堰一新建工程梯段板施工缝处发生明显的剪切错动,钢筋屈服。图14(b)为都江堰一在建工程由于施工缝处断裂导致楼梯垮塌破坏的情形。楼梯在施工缝处的大量剪切破坏以及由此可能带来的严重后果,应引发土建从业人员对施工缝的位置和施工质量的思考。在2010年最新修订的建筑抗震设计规范中,已明确指出:利用计算机进行结构抗震分析时,计算模型的建立、必要的简化计算与处理,应符合结构的实际工作状况;计算中应考虑楼梯构件的影响。但如何考虑?还有待进一步研究。4框架结构结构的改进汶川地震中钢筋混凝土框架结构的各种震害现象表明,填充墙对框架结构的抗震性能有显著影响。现行规范将填充墙视为非结构性的构件,对于填充墙对主体框架结构抗震性能的影响重视不够,对此,建议进一步开展研究。