我国《建筑抗震设计规范》中的震害调查与分析

我国《建筑抗震设计规范》中的震害调查与分析

0电阻率抗震设计基本要求在5.12汶川大地震中，房屋和工程设施在不同时期的建设过程中得到了考验。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3～4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比较振动破坏和抗强设计的基本要求1.1我国独特的抗震结构形式在我国实行了“三鹿茸”《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)第3.5.4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7.3.1条和第7.3.3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。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结构体系完整,路径复杂,容易导致地震破坏抗震规范第3.5.2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3.5.3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9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同一功能不能部分采用天然地基抗震规范第3.3.4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”。图10和图11所示为距北川极震区直线距离仅为10km的安县某工厂,3个车间分别采用钻孔灌注桩和振动碎石地基两种性质不同的基础,所造成的结果是采用振动碎石地基的厂房(图10左侧)在地震前就已发生沉降,地震(达到大震作用)时沉降差达到300mm,主体排架结构遭到严重破坏,局部倒塌。1.4装置基础承台抗剪破坏抗震规范第3.7.1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3.7.3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3.7.6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。如图12和图13所示。安县某厂一大型管道通过滑移支座放置在钢支架上,管道端部设置限位钢支架,限位支架与钢筋混凝土基础承台固定,承台以下设两根600钻孔灌注桩,桩身混凝土强度等级为C25。地震时,安装在滑移支座上的大型设备滑移15cm,撞击限位支架(见图14和图15),并造成灌注桩断裂,见图16。基础承台梁剪坏(图17)。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(见图16),管道重量为420t,设地面加速度峰值为¨uu¨g,则桩受水平地震力为Q=m¨ug=4.2×105¨ugQ=mu¨g=4.2×105u¨g桩的总水平受剪承载力为R=2fcvAc=4ftAc=4×1.78×3.14×600×600÷4=2.0×106ΝR=2fcvAc=4ftAc=4×1.78×3.14×600×600÷4=2.0×106N桩身破坏条件为Q>RQ>R由此估计地面加速度峰值为¨ug>4.8m/s2=0.49g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图15所示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750t,右边设备基础重1000t,基础梁断面400mm×600mm,混凝土强度为C25,计算受剪承载力等于R=fcvAb=2ftAb=2×1.78×400×600=8.544×105Ν假设地表地面运动加速度为4.8m/s2,则基础承台惯性力、即连系梁所受到的水平剪力等于Q=m¨ug=1.0×106×4.8=4.8×106Ν可见,Q>R,连系梁被剪坏。1.5设计建筑平、立面布置时,设计施工会因结构是否需留缝抗震规范规定,“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。图18和图19为2007年6月3日云南宁洱6.4级地震公安局大楼抗震缝碰撞(7/8),缝宽达15cm。本次地震中,绝大多数抗震缝均造成碰撞破坏,如图20所示,的确值得深思。1.6纵向地震反应在楼梯间文献已就砌体结构楼梯间震害作过分析,但随着笔者在地震灾区考察的深入,又发现了更多此类震害,在此对典型的震害做进一步分析。由于楼梯间的山墙较高,梯段构件侧向刚度较大,而且交叉布置,楼梯休息平台与楼层错层,地震时最容易破坏。在横向地震作用下,楼板与休息平台板之间,水平力形成力偶,使梯段往复受拉,梯段受拉弯破坏,休息平台梁被剪坏;在纵向地震作用下,由于梯段的侧向刚度很大,地震力集中,作用于楼梯间山墙,导致山墙破坏,甚至倒塌。图21和图22为楼梯踏步板破坏情况,由于施工缝设在楼梯踏步板三分之一高度处,地震时在该处折断。图23所示的绵竹市一幢三层教学楼,由于楼梯间未按规范要求设置构造柱和圈梁,地震时墙体破坏导致楼梯间倒塌,而两侧教学主楼未倒。相反的震害现象发生在都江堰聚源中学教学楼,大楼中部为钢筋混凝土结构楼梯间,大楼两侧为砖混结构教室,东侧建于1988年,西侧建于1993年。地震时两侧砖混结构教室一塌到底,仅留下中部钢筋混凝土框架楼梯间,如图24所示。抗震规范还要求,不宜在建筑端部设置楼梯间,这是因为建筑两端的地震扭转效应明显,极易产生破坏。图25和图26所示为设于建筑端部楼梯间倒塌的案例。1.7钢筋混凝土柱加固方案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。如图27和图28所示。地震时,承重砖墙开裂(图29),楼面大梁出现裂缝(图30),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,如图31和图32所示。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(图33a)。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(图33b)。2结构体系与震害5·12汶川大地震后,笔者数度进入地震灾区进行震害调查,针对在文献中所提及的“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准设防目标,发现有更多的例子证明,只要严格按照抗震设计规范设计和保证施工质量,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