【《各构件类的震害分析和破坏机理分析》4200字】

各构件类的震害分析和破坏机理分析单层钢筋混凝土排架柱厂房是由钢筋混凝土柱与预制钢筋混凝土屋架（或钢屋架）组装而成的预制装配式结构。在全国的工业生产中应用非常广泛。这种结构在我国经受了多次地震的考验，积累了丰富的抗震经验和大量的震害资料。例如，在1976年的唐山地震[47]中，就有许多该类结构震害的出现。单层钢筋混凝土排架柱厂房在多次的地震中的一般震害现象[6、20、34、59、64、78]为：在7度区，厂房的主体结构和支撑系统基本完好，没有破坏，发生震害的是砖围护墙体的局部开裂或外闪；在8度区，主体结构（排架柱、屋架）开始出现开裂破坏，甚至是严重开裂。天窗架的立柱也发生开裂。屋盖系统和柱间支撑中的杆件有很多出现了压曲或拉脱现象。砖围护墙体比7度区的开裂严重，部分甚至发生倒塌，山墙顶部多数外闪倒塌；在9度区，震害就更加严重，主体结构的开裂更为严重，屋盖系统破坏，甚至倒塌。屋盖系统和柱间支撑的支撑大部分发生屈曲，节点拉脱更为普遍。砖围护墙体大面积倒塌。根据单层钢筋混凝土排架柱厂房的结构特点及震害现象，我们将该类结构划分为四大构件类：1）厂房柱；2）屋面及屋盖支撑系统；3）墙体、连系梁、圈梁和构造柱；4）非结构构件、附属建筑和小品。下面分别介绍各构件类的主要震害及破坏机理。在本章及第三章，我们首次提出将这两种厂房结构各构件的震害分为轻微破坏、中等破坏、严重破坏三种，并分析破坏原因。1.1厂房柱柱子是整个厂房的主要抗侧力构件，因而在强度和刚度设计时让其具有一定的抗侧力能力。完全因为柱子的破坏而导致厂房倒塌的震害基本没有，往往是柱子的抗震薄弱部位导致柱子产生各种开裂到破坏的震害。1.1.1柱身1.上柱根部和吊车梁顶面标高处出现水平开裂轻微破坏：上柱根部和吊车梁顶面标高处基本是完好的，或出现一些没有贯穿的肉眼可见的细微裂缝，见图2-5（a）；中等破坏:裂缝出现贯穿现象，裂缝宽度稍有发展，但未出现钢筋外露、柱子混凝土保护层脱落等现象，见图2-5（b）；严重破坏：裂缝宽度进一步加大，混凝土保护层脱落，柱子内层有明显裂缝，钢筋出现外露、扭曲等现象，见图2-5（c）。此类震害产生的原因是，上柱根部在刚度和应力转换的突变处，上柱的截面面积和配筋相对下柱都比较小，作用在柱顶的横向水平地震力使上柱成为大偏压受力，而上柱的抗弯抗压此时难以满足要求，所以就会在上柱根部出现水平开裂。吊车梁顶面出现的水平开裂，则是因为吊车梁与上柱之间的缝隙处在灌注混凝土或塞满砖头、石块后，上柱根部的刚度突变位置上移到吊车梁顶所致。《建筑抗震设计规范（2016版）》[81]（以下简称为《抗规》）第9.1.20条规定：牛腿顶面至吊车梁顶面以及吊车梁顶面300mm的范围内均设置为箍筋加密区。1—上柱根部水平裂缝2—吊车梁顶面水平裂缝1—上柱根部水平裂缝2—吊车梁顶面水平裂缝(a)轻微破坏(b)中等破坏(c)严重破坏图2-5上柱根部和吊车梁顶面水平开裂2.下柱根部在靠近地面处开裂；严重者受压区混凝土破碎剥落，纵筋压曲变形这种震害一般发生于单跨的边柱、多跨的边柱和中柱，且发生在8度及以上的地震区。破坏形式有两种：=1\*GB3①横向破坏，这是因为柱子的横向抗震强度不足。当地震作用加强且反复作用时，就会出现压区混凝土破碎剥落，纵筋压曲破坏；=2\*GB3②纵向破坏。这种破坏一般会发生在离地面50cm的地方，通常出现的都是水平裂缝，且主要发生在未设柱间支撑的厂房。轻微破坏：下柱根部出现贯穿的肉眼可见的细微裂缝，裂缝基本发生在柱子表面，内部基本没有出现，见图2-6（a）；中等破坏:细微的贯穿裂缝宽度稍有发展，但未出现钢筋外露、柱子混凝土保护层脱落等现象，见图2-6（b）；严重破坏：裂缝宽度进一步加大，混凝土保护层脱落，柱子内层有明显裂缝，钢筋出现外露、扭曲等现象，见图2-6（c）。原因是，没有柱间支撑，全部的纵向地震作用转由柱子承受，导致柱子在靠近地面处受力最大，而柱子在抗纵向压弯的承载能力较弱，就会出现水平开裂。有部分设置柱间支撑的厂房也会出现此类震害，那是因为柱子本身的抗震强度能力弱，严重时柱根部混凝土剥落，纵筋外露甚至压曲。《抗规》[81]第9.1.20条有规定：柱根的箍筋加密区取下柱柱底至室内地坪以上500mm。(a)轻微破坏(b)中等破坏(c)严重破坏图2-6下柱根部贯穿裂缝3.不等高厂房中柱支撑低跨屋盖牛腿以上柱截面水平开裂不等高厂房高低跨交界处中柱支撑低跨屋盖的牛腿以上的柱截面开裂或严重剪断[82]。轻微破坏：不等高厂房中柱支撑低跨屋盖牛腿以上柱截面出现肉眼可见的细微裂缝，裂缝基本发生在柱子表面，或柱子基本完好，见图2-7（a）；中等破坏:细微裂缝宽度稍有发展且出现贯穿现象，但未出现钢筋外露、柱子混凝土保护层脱落等现象，见图2-7（b）；严重破坏：裂缝宽度进一步加大，贯穿裂缝数量较中等破坏时增多。混凝土保护层脱落，柱子内层有明显裂缝，钢筋出现外露、扭曲等现象，见图2-7（c）。发生此类震害的原因是：此类厂房的屋盖不在一个标高，地震时容易出现高阶震型，使高跨的上柱地震作用加大，进而导致高跨上柱根部的水平开裂。《抗规》[81]第9.1.20条规定：承载低跨屋盖的牛腿顶面上、下各300mm范围为箍筋加密区范围。1-高跨屋盖2-低跨屋盖3-1-高跨屋盖2-低跨屋盖3-交接处中柱(a)轻微破坏(b)中等破坏(c)严重破坏图2-7不等高厂房高低跨交接处中柱高跨上柱水平开裂4.平腹杆双肢柱和薄壁开孔预制腹板工字形柱严重开裂破坏这类震害一般在高烈度区比较普遍，像8度、9度。产生的裂缝特征是：平腹杆是各个平腹杆与两侧柱肢相交的两端出现竖向剪切裂缝；薄壁开孔预制腹板工字形柱是上下孔腹板间出现交叉剪切裂缝。轻微破坏：平腹杆双肢柱和薄壁开孔预制腹板工字形柱基本完好，或平腹杆双肢柱的平腹杆与两侧柱肢相交的两端出现肉眼可见的竖向细微裂缝，薄壁开孔预制腹板工字形柱的上下孔腹板间出现交叉剪切裂缝，裂缝基本发生在柱子表面，且裂缝基本没有贯通现象，见图2-8（a）；中等破坏:竖向和交叉剪切裂缝宽度有所发展，裂缝进一步出现贯通现象，裂缝宽度较轻微破坏变化明显，但未出现钢筋外露、柱子混凝土保护层脱落等现象，见图2-8（b）；严重破坏：竖向和交叉剪切裂缝宽度进一步加大，贯穿裂缝数量较中等破坏时增多。混凝土保护层脱落，柱子内层有明显裂缝，钢筋出现外露、扭曲等现象，见图2-8（c）。出现这两种震害的原因是：这两种柱子的抗侧力刚度和强度相对其他柱子差，不利于抗震。《抗规》[81]第9.1.4条规定：高烈度地区如8、9度时，尽量选用斜腹杆双肢柱、矩形、工字形截面柱，而不选用其他截面类型柱。(a)轻微破坏(b)中等破坏(c)严重破坏图2-8平腹杆两端剪裂破坏1.1.2柱头和柱牛腿1.上柱柱头的开裂和破坏在高烈度区，部分上柱柱头出现斜向开裂破坏，严重时混凝土酥落，主筋压曲。轻微破坏：上柱柱头基本完好，或出现肉眼可见的细微裂缝，裂缝基本发生在柱子表面，且柱头处裂缝长度较短，未出现贯穿现象，见图2-9（a）；中等破坏:细微裂缝宽度稍有发展且出现贯穿现象，裂缝不但沿长度方向有所拓展，且向柱子内部也有发展，但未出现钢筋外露、柱子混凝土保护层脱落等现象，见图2-9（b）；严重破坏：裂缝宽度进一步加大，贯穿裂缝数量较中等破坏时增多。混凝土保护层脱落，柱子内层有明显裂缝，钢筋出现外露、扭曲等现象，见图2-9（c）。出现此类震害的原因是：柱头部位的受力一般比较复杂，压、弯、剪同时作用的情况比较常见，而柱头在设计时一般只考虑了轴向受力，配置的箍筋较少。另外，柱头处混凝土本身的抗剪强度较低，也难以承受这种复合受力。屋架端头支座的钢板与柱头预埋件焊接比较接近刚性，变形能力较差，也是发生该类震害的一个重要原因。《抗规》[81]第9.1.20条有规定：柱头的箍筋加密区为，柱顶以下500mm并不小于柱截面长边尺寸；《抗规》[81]第9.1.25条对屋架与柱顶的连接、柱顶预埋件的锚筋等都有相关规定，这些规定也是进一步减轻上柱柱头在地震中发生的损坏。(a)轻微破坏(b)中等破坏(c)严重破坏图2-9上柱柱头发生破坏2.不等高厂房支撑低跨屋盖的中柱牛腿开裂这也是不等高厂房的典型震害，在8度、9度区比较常见。轻微破坏：不等高厂房支撑低跨屋盖的中柱牛腿基本完好，或出现肉眼可见的斜向细微裂缝，见图2-10（a）；中等破坏:细微裂缝宽度有发展且出现向牛腿深处贯穿现象，但未出现钢筋外露、柱子混凝土保护层脱落等现象，见图2-10（b）；严重破坏：裂缝宽度进一步加大，贯穿裂缝增多。混凝土保护层脱落，钢筋出现外露、扭曲等现象，见图2-10（c）。出现这类震害的原因：高低跨的厂房屋盖不在同一个标高上，强震时会出现相反方向的振动，使牛腿遭受水平拉力作用。这种拉力在89版之前的《抗规》（78版）[8]是不考虑的，因而基于89版之前的《抗规》设计的牛腿会出现开裂或更严重的破坏。89版及以后的《抗规》[79-81]对不等高厂房支撑低跨屋盖的牛腿中纵向受拉钢筋截面面积的计算就有了明确的规定。因此，基于89版及以后的《抗规》设计的牛腿，这方面的破坏情况就比较少了。1-高跨屋盖2-低跨屋盖3-1-高跨屋盖2-低跨屋盖3-交接处中柱(a)轻微破坏(b)中等破坏(c)严重破坏图2-10不等高厂房支撑低跨屋盖的中柱牛腿开裂破坏1.1.3柱间支撑柱间支撑是厂房抗纵向地震作用的主要抗侧力构件。支撑屈曲耗散了地震能量,保护了主体结构[30]。柱间支撑破坏一般发生在8度及以上烈度区，7度及以下较少。破坏的现象为，支撑杆在平面内或平外面压曲、支撑与柱子连接节点拉脱。轻微破坏：支撑完好或出现轻微的拉伸变形，但不影响支撑的承载能力；中等破坏：支撑发生一定的变形，主要为杆件的屈曲，但支撑仍然可以承受地震力；严重破坏：支撑发生断裂或节点发生破坏，此时支撑基本丧失继续抵抗地震的能力。压曲破坏主要是由于杆件截面的长细比过大导致的。压杆的极限强度很低，长细比越大，压曲出现得越早，变形也越大。连接节点的破坏，主要是因为节点的承载能力过低，埋件的锚固和节点板的焊缝强度满足不了支撑杆地震时的受力需求，而导致节点埋板变形、焊缝拉脱。《抗规》[81]第9.1.23条对柱间支撑的形式、交角、节点板设置等均有明确规定。1.1.4柱间支撑与柱连接处柱子的开裂这一类的震害现象一般为，混凝土剪裂、压酥、拉裂、锚筋拔出等；更有甚者，柱子被剪断。轻微破坏：连接处柱子基本完好，或出现肉眼可见的细微裂缝，裂缝未出现贯穿现象，见图2-11（a）；中等破坏:裂缝宽度有发展且出现贯穿现象，裂缝向柱子深部有所扩展，但未出现钢筋外露、柱子混凝土保护层脱落等现象，见图2-11（b）；严重破坏：裂缝进一步变宽，贯穿裂缝数量较中等破坏时增多。混凝土