從汶川地震的建筑震害談結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要性

1、2008年第11期總第125期福建建筑Fujian Architecture &Construction No112008Vol 125從汶川地震的建筑震害談結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要性鄭新宇廖河山(廈門市建設(shè)與管理局361003摘要:通過對(duì)汶川5112地震部分災(zāi)區(qū)的初步考察,本文從建筑震害的現(xiàn)象分析入手,強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的重要性,并對(duì)此進(jìn)行了思考,希望引起建筑界同仁的重視,切實(shí)做好建筑物的抗震防災(zāi)工作。關(guān)鍵詞:汶川地震建筑震害概念設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):TU35211文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1004-6135(200811-0034-04The Importance of Conceptua

2、l Seismic Design of Structures B ased on the Damage Analysisof Buildings in the Wenchu an E arthquakeZheng Xinyu Liao Heshan(Xiamen Construction and Administration Bureau 361003Abstract :Based on the analysis of damaged buildings in Wenchuan earthquake ,the importance of the conceptual seismic desig

3、n ofstructures is emphasized ,and the method of the conceptual seismic design is discussed 1This paper will be beneficial for engineers to design reasonable buildings to prevent earthquake disaster 1K eyw ords :Wenchuan Earthquake Damage of Buildings Conceptual Design 作者簡(jiǎn)介:鄭新宇,1970年5月出生,土木工程專業(yè)。收稿日期:

4、2008-10-221引言2008年5月12日下午14時(shí)28分,四川省汶川地區(qū)發(fā)生八級(jí)大地震,瞬間讓無數(shù)家庭破碎,山河變色,草木同悲,至今已造成87000多人死亡和失蹤。9月底我們到四川省彭州、都江堰、汶川等地考察,雖然大地震已過去四個(gè)多月,但所見依然是觸目驚心,滿目瘡痍,不禁感嘆:老天如此無情,如此作孽蒼生!對(duì)自然和生命的敬畏油然而生。如何與自然和諧共存?如何從血與生命的教訓(xùn)中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)?這正是我們建筑工程界應(yīng)該反思的問題。本文根據(jù)我們所見到的一些震害現(xiàn)象,強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的重要性。2震害現(xiàn)象和原因分析這次汶川遭遇8級(jí)大地震,由于我們所考察的災(zāi)區(qū)距離震中很近,而映秀鎮(zhèn)就在震中區(qū)范圍內(nèi),依

5、照經(jīng)驗(yàn)公式:I =0192+1163M 3149logR(1I 0=0124+1129M(2式中I 、I 0分別為地震烈度和震中烈度,M 為震級(jí),R 為震源距離。其地震烈度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原來當(dāng)?shù)亟ㄖ锏目拐鹪O(shè)防烈度,甚至高于罕遇地震烈度,這是導(dǎo)致災(zāi)區(qū)許多建筑毀于一旦,震害特別嚴(yán)重的根本原因。但是在地震災(zāi)區(qū),如都江堰,我們也見到許多建筑物基本完好無損或僅有輕微破壞;見到相鄰一些建筑物,場(chǎng)地地質(zhì)條件基本相同,而其震害現(xiàn)象卻相差很大,這到底是什么原因呢?我們有必要透過宏觀震害現(xiàn)象,找到導(dǎo)致這種現(xiàn)象的內(nèi)在原因。211建筑場(chǎng)地汶川縣映秀鎮(zhèn)位于龍門山構(gòu)造帶內(nèi)映秀北川斷裂帶上,屬抗震危險(xiǎn)地段,而危險(xiǎn)地段在地震時(shí)

6、很可能發(fā)生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流及地表位錯(cuò)等次生地質(zhì)災(zāi)害。映秀鎮(zhèn)在這場(chǎng)天災(zāi)中基本化為廢墟(圖1、2,又一次印證了建筑選址的重要性,同時(shí)也提出了一個(gè)問題,這些地區(qū)是否適宜建設(shè)人口相對(duì)集中的城鎮(zhèn)?但不管如何,我們?cè)谶x擇建筑場(chǎng)地時(shí),都應(yīng)根據(jù)工程需要,嚴(yán)格按照抗震設(shè)防烈度和工程地質(zhì)的有關(guān)資料做出綜合評(píng)價(jià),選擇合適的建筑場(chǎng)地。對(duì)不利地段,應(yīng)提出避開要求;當(dāng)無法避開時(shí)應(yīng)采取有效措施。新修訂的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范強(qiáng)制性條文第31311條,對(duì)危險(xiǎn)地段,將丙類建筑由“不宜”提到了“不應(yīng)”的要求,體現(xiàn)了對(duì)生命的尊重。圖1映秀鎮(zhèn)地理位置(震后212建筑平面和立面 建筑體型不規(guī)則,平面凸出凹進(jìn),立面上高低錯(cuò)落的時(shí)

7、尚建筑,美是美矣,但在本次地震中破壞嚴(yán)重(圖3,因?yàn)榈卣饡r(shí)建筑會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)和應(yīng)力集中而形成薄弱部位,易于破壞。而房圖2映秀鎮(zhèn)建筑遺址屋體型簡(jiǎn)單整齊規(guī)則,雖然其貌不揚(yáng)但震害較輕。此外,突出建筑屋面的小塔樓等構(gòu)筑物會(huì)產(chǎn)生“鞭梢效應(yīng)”的現(xiàn)象(圖4,其平面尺寸和樓層抗推剛度均比主樓結(jié)構(gòu)要小得多,在地震作用下發(fā)生振動(dòng)加速度放大效應(yīng),導(dǎo)致小塔樓被破壞。有些高層建筑還會(huì)因樓層剛度的突然減少而產(chǎn)生塑性變形集中效應(yīng),進(jìn)一步加大上部樓層在地震作用下產(chǎn)生的側(cè)移,因此不規(guī)則的建筑方案應(yīng)按規(guī)定采取加強(qiáng)措施,特別不規(guī)則的建筑方案應(yīng)進(jìn)行專門研究和論證,采取特別的加強(qiáng)措施,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的建筑方案 。213結(jié)構(gòu)體

8、系和結(jié)構(gòu)類型結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)類型的選擇應(yīng)根據(jù)建筑的重要性、設(shè)防烈度、建筑高度、場(chǎng)地及材料和施工等各類因素,經(jīng)過經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件的綜合比較來選擇。不同的結(jié)構(gòu)體系和不同的結(jié)構(gòu)類型有不同的抗震要求,如框架-抗震墻結(jié)構(gòu)中的框架,其抗震要求就可低于框架結(jié)構(gòu)中的框架。不管何種建筑結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)類型,均應(yīng)符合以下要求:(1具有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和合理的地震作用傳遞途徑;(2具有多道抗震防線,避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個(gè)體系喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力(圖5;(3應(yīng)具備必要的強(qiáng)度、良好的變形能力和耗能能力;(4具有合理的剛度和強(qiáng)度分布,避免因局部削弱或突變形成薄弱部位,產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中或塑性變形集中;對(duì)

9、可能出現(xiàn)的薄弱部位,應(yīng)采取措施提高抗震能力。特別在選擇抗震結(jié)構(gòu)的構(gòu)件時(shí),應(yīng)符合要求如:(1砌體結(jié)構(gòu)應(yīng)按規(guī)定設(shè)置鋼筋混凝土圈梁和構(gòu)造柱、芯柱,或采用配筋砌體等(圖6。(2混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)控制截面尺寸和縱向受力鋼筋與箍筋的設(shè)置,防止剪切破壞先于彎曲破壞、混凝土的壓潰先于鋼筋的屈服、鋼筋的錨固先于構(gòu)件破壞(圖7。(3多、高層的混凝土樓、屋蓋宜優(yōu)先采用現(xiàn)澆混凝土板。當(dāng)采用混凝土預(yù)制裝配式樓、屋蓋時(shí),應(yīng)從樓蓋體系和構(gòu)造上采取 措施確保各預(yù)制板之間連接的整體性(圖8。214非承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件和主體結(jié)構(gòu)的關(guān)系正確處理好非承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,可以預(yù)防附加震害,避免坍塌傷及無辜或損毀一些重要的設(shè)施,因

10、此,非承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)有可靠的連接和必要的錨固(圖9。新修訂的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范強(qiáng)制性條文第31714條規(guī)定:框架結(jié)構(gòu)的圍護(hù)墻和隔墻,應(yīng)考慮其設(shè)置對(duì)結(jié)構(gòu)抗震的不利影響,避免不合理設(shè)置而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的破壞(圖10 。圖9圍護(hù)墻與主體沒有連接和錨固215建筑材料和和施工質(zhì)量抗震結(jié)構(gòu)對(duì)材料和施工質(zhì)量的要求特別高,在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)引起高度的重視。如:砌體結(jié)構(gòu)材料性能指標(biāo)應(yīng)符合的規(guī)定是:(1燒結(jié)普通磚和燒結(jié)多孔磚的強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于MU10,其砌筑砂漿強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于M5;(2混凝土小型空心砌塊的強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于MU715,其砌筑砂漿強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于M715(圖11。特別是在鋼筋的選材上,性能指標(biāo)要符

11、合一定要求,如:普通鋼筋宜優(yōu)先采用延性、韌性和焊接性較好的鋼筋;普通鋼筋的強(qiáng)度等級(jí), 縱向受力鋼筋宜選用符合抗震性能圖10隔墻與主體沒有可靠的拉結(jié)指標(biāo)的HRB400級(jí)熱軋鋼筋,也可采用符合抗震性能指標(biāo)的HRB335級(jí)熱軋鋼筋,箍筋宜選用符合抗震性能指標(biāo)的HRB335、HRB400級(jí)熱軋鋼筋,箍筋不推薦使用HPB235級(jí)熱軋鋼筋。再完美的設(shè)計(jì)如果施工質(zhì)量缺失,設(shè)計(jì)文件也不過是堆廢紙!因此抗震結(jié)構(gòu)對(duì)施工質(zhì)量同建筑材料一樣有特別的要求,應(yīng)在設(shè)計(jì)文件上予以注明。在施工質(zhì)量的要求方面如:(1構(gòu)造柱、芯柱和底層框架磚房的填充墻框架的施工,應(yīng)先砌墻后澆柱混凝土。(2砌體結(jié)構(gòu)的縱橫墻交接處應(yīng)采用馬牙搓砌法或采

12、取拉結(jié)措施。(圖12 (下轉(zhuǎn)第45頁(yè)2008年第11期總第125期陳緒軍等FRP 片材加固鋼筋混凝土梁的研究進(jìn)展4531212FRP 加固梁裂縫計(jì)算公式目前,對(duì)FRP 加固梁的裂縫計(jì)算方法基本上都是根據(jù)傳統(tǒng)的鋼筋混凝土裂縫計(jì)算理論而建立。莊江波16在考慮了鋼筋應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力不均勻系數(shù)的基礎(chǔ)上,按鋼筋混凝土梁的裂縫寬度計(jì)算方法,給出了CFRP 加固混凝土梁的平均裂縫間距l(xiāng) mf 、平均裂縫寬度w m 、最大裂縫寬度w max 計(jì)算公式:l mf =l m1+(9m =0185s E sl mf (10max =s E sl mf (11式中l(wèi) m 為未加固混凝土梁平均裂縫間距,為加固影響系數(shù),為

13、鋼筋應(yīng)力不均勻系數(shù),為受彎構(gòu)件受力特征系數(shù)。從所查閱到的文獻(xiàn)看,僅有少量文獻(xiàn)對(duì)FRP 加固鋼筋混凝土梁的裂縫、剛度進(jìn)行專門的研究。絕大多數(shù)文獻(xiàn)都是在極限承載能力研究的同時(shí)附帶研究剛度與裂縫問題,對(duì)于加固梁剛度、裂縫的計(jì)算目前也尚沒有成熟的研究成果,因此,對(duì)FRP 加固梁的正常使用性能的研究還有待進(jìn)一步深入。4結(jié)語(yǔ)本文簡(jiǎn)要地論述了FRP 加固鋼筋混凝土梁的最新研究成果,主要對(duì)FRP 加固鋼筋混凝土梁的抗彎、抗剪、裂縫、剛度進(jìn)行了總結(jié)與分析。目前,FRP 加固鋼筋混凝土梁承載能力的成果已經(jīng)相當(dāng)豐富,但是采用可靠度方法確定鋼筋混凝土梁的抗彎、抗剪加固性能的研究目前國(guó)內(nèi)尚屬空白;構(gòu)件的剛度、裂縫是影響

14、構(gòu)件正常使用的一項(xiàng)重要指標(biāo),但國(guó)內(nèi)外關(guān)于正常使用性能的試驗(yàn)和理論研究都還不充分,因而開展這方面的研究,建立完善、適用的剛度、裂縫計(jì)算模型是十分必要的。參考文獻(xiàn)1楊勇新,李慶偉,岳清瑞1預(yù)應(yīng)力FRP 片材加固混凝土結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀J 1工業(yè)建筑(增刊,2004,(325.2魏凝1芳綸纖維布加固鋼筋混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)研究與理論分析碩士學(xué)位論文D 1西安:西安理工大學(xué),2007.3黃慧明1粘貼碳纖維片材加固鋼筋混凝土梁的正截面承載力試驗(yàn)研究碩士學(xué)位論文D 1長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2001.4中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1G B 50367-2006,混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范S15黃奕輝,蔡志鴻1玻璃纖維增強(qiáng)塑料加固

15、砼梁的抗剪試驗(yàn)J 1華僑大學(xué)學(xué)報(bào),2002(23(3:267-271.6Triantafillou T 1C 1,Plevris N 1,Strengthening of RC beams with epoxy 2bonded fibre 2composite materials ,Mater Struct 119921251201-21117吳剛,安琳,呂志濤1碳纖維布用于鋼筋混凝土梁抗剪加固的試驗(yàn)研究J 1建筑結(jié)構(gòu),2000(30(716-2018譚壯,葉列平1纖維復(fù)合材料布加固混凝土梁受剪性能的試驗(yàn)研究J 1土木工程學(xué)報(bào),2003(36(1112-1819曹雙寅,滕錦光,陳建飛,邱洪興1

16、外貼纖維加固梁斜截面纖維應(yīng)變分布的試驗(yàn)研究J 1土木工程學(xué)報(bào),2003(36(11:6-11.10陸新征1FRP -混凝土界面行為研究博士學(xué)位論文D 1北京:清華大學(xué),2004111Chen J 1F 1,Teng J 1G ,Anchorage strength models for FRP and steel plates bonded to concrete 1,Journal of Struc 2tural Engineering ,ASCE 120011127(71784-791112華明1CFRP 加固矩形截面鋼筋混凝土梁剛度、裂縫研究碩士學(xué)位論文D 1南京:東南大學(xué),200611

17、3嚴(yán)志亮1CFRP 加固鋼筋混凝土構(gòu)件力學(xué)及耐久性能試驗(yàn)研究碩士學(xué)位論文D 1深圳:深圳大學(xué),2007114Ceroni F ,Manf redi G ,and Pecce M ,“Crack widths in RC beams strengthened with carbon fabrics ”,Proc 1,5th Int 1Symp 1On FRP Reinforcement for Concrete Struct 1,Cambridge ,917-926115楊勇新,岳清瑞1碳纖維布加固鋼筋混凝土梁截面剛度的計(jì)算J 1工業(yè)建筑,2001,31(9:1-4116莊江波,葉列平,鮑軼洲,

18、伍楊波1CFRP 布加固混凝土梁的裂縫分析與計(jì)算J 1東南大學(xué)學(xué)報(bào),2006(36(1:86-911(上接第36頁(yè)3幾點(diǎn)思考地震是一種隨機(jī)性振動(dòng),它有著難以把握的復(fù)雜性和不確定性。人類以目前的科技水平尚不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè),也無法準(zhǔn)確計(jì)算建筑物在遭遇地震時(shí)的動(dòng)力特性和參數(shù)。在結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布方面由于結(jié)構(gòu)的空間作用、非彈性性質(zhì)、材料時(shí)效、阻尼變化等各種因素也存在不確定性,造成建筑抗震設(shè)計(jì)理論尚不完善,因此單靠計(jì)算很難確保房屋具有足夠的抗震可靠度。所以建筑抗震設(shè)計(jì)要達(dá)到抗震設(shè)防的“三水準(zhǔn)”目標(biāo),即通常所說的“小震不壞,中震可修,大震不倒”,以目前的科技水平和經(jīng)濟(jì)條件,強(qiáng)調(diào)旨在提高建筑總體抗震能力的概念設(shè)計(jì),應(yīng)該是一種最有效和最經(jīng)濟(jì)合理的抗震設(shè)計(jì)方法。進(jìn)行建筑抗震設(shè)計(jì)應(yīng)重視地質(zhì)資料、房屋形狀、結(jié)構(gòu)體系、剛度分布、構(gòu)件延性等幾個(gè)方面,從根本上消除結(jié)構(gòu)中的抗震薄弱環(huán)節(jié),再輔以必要的計(jì)算和構(gòu)造措施提高建筑物的抗震性能和可