汶川大地震對結構破壞的調查與分析

汶川大地震對結構破壞的調查與分析

0對震害情況的總結在5.12汶川大地震中，房屋和工程設施在不同時期的建設過程中得到了考驗。震害調查表明,經(jīng)過抗震設防、特別是在1990年后設計建造的建筑表現(xiàn)良好,即使在極震區(qū)實際烈度高出抗震設防烈度3~4度(地震動強度超出預計的10倍)的情況下,除了極個別建筑物外,絕大多數(shù)建筑受到中等至嚴重破壞,但不倒塌,達到了“小震不壞,中震可修,大震不倒”的三水準抗震設防目標;而在“89規(guī)范”之前的建筑物多數(shù)遭受嚴重破壞,直至倒塌。因此,認真研究震害特征,總結經(jīng)驗,思考《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011—2001)的規(guī)定與設計、施工中的問題,對于災后恢復重建,建造更為耐震的建筑結構,修訂抗震設計規(guī)范,具有重要意義。面對如此嚴重的破壞,我們應該清醒地認識到,除了實際地震烈度高于預計的設防烈度、特殊的地震動衰減規(guī)律、地震波傳播特征及地形反應等原因之外,針對建筑結構本身的特點,對照規(guī)范規(guī)定和施工中存在的問題,加以客觀的、科學的分析,對解釋和認識震害也是十分必要的。在地震災區(qū)對各類房屋建筑震害的調查發(fā)現(xiàn),在同一地點,有的建筑損壞嚴重、甚至倒塌,有的較輕;在高烈度區(qū),理論上抗震性能較好的鋼筋混凝土結構倒塌了,而抗震性能相對較差的砌體結構卻“裂而不倒”;抗震設計要求鋼筋混凝土結構的“梁鉸機制”沒有出現(xiàn),而是出現(xiàn)了大量的“柱鉸”;高層建筑剪力墻結構連梁的不同破壞形態(tài);抗震縫設置帶來的問題等等。諸如此類現(xiàn)象,值得我們深思。本文不局限于對震害現(xiàn)象進行簡單描述,而以砌體結構、鋼筋混凝土結構、鋼結構等各類建筑以及房屋和設備基礎的震害為例,對照抗震概念設計的“多道防線”、“結構整體性”、“強柱弱梁”等要求,以及非結構構件的震害實例,進行檢討,希望能得到一些啟示,供工程技術人員在進行結構抗震設計時參考。1抗災性研究與破壞的比較1.1從結構體系的角度區(qū)分《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011—2001)對結構體系提出了多道抗震防線的要求,對于在大震作用下結構抗倒塌具有重要意義。這項要求的目的在于,當結構受到超過設防烈度的所謂“大震”作用時,作為第一道防線的某些構件,如框、排架結構的柱間支撐或柱子的翼墻、剪力墻結構的連梁等率先破壞,消耗了地震能量并改變了整體結構的動力特性,從而減低了地震力,保護了作為第二道防線的構件,如框、排架結構的柱子、剪力墻結構的墻體,它們的存在避免了結構倒塌。砌體結構的構造柱、圈梁除作為砌體的約束構件以提高墻體延性之外,也可視為第二道防線,在“大震”作用下,砌體墻可能嚴重破壞,但是由于構造柱和圈梁的存在,結構不會倒塌。圖1所示為位于極震區(qū)的映秀鎮(zhèn)(設防烈度7度,實際烈度11度,遠高于“大震”的水準)采用鋼筋混凝土框架結構的學校建筑,由于教室空間較大(標準教室大小為7m×9m),又缺少縱向柱間支撐,或設置柱子翼墻,結構縱向剛度較弱,在豎向分量大于水平分量的大震作用下,柱子率先破壞而倒塌;而在同一地點相鄰的多層磚混結構住宅房屋,由于合理地設置了構造柱和圈梁,在豎向和水平地震先后作用下,砌體嚴重開裂卻裂而不倒(見圖2)。我國的工業(yè)廠房建筑大多采用框、排架結構加柱間鋼支撐的形式,在地震中,由于支撐屈曲消能保護了柱子,圖3所示為位于安縣(設防烈度7度、實際烈度8度,相當于“大震水準”)某廠房的破壞狀況,整體結構達到“大震不倒”的目標。由于意識到多道防線的重要性,日本的許多學校建筑普遍采用設置鋼或鋼筋混凝土支撐的方式,這樣做并不會影響教室采光和建筑外觀,如圖4所示。1.2梁端彎矩計算及構造優(yōu)化規(guī)范定義的“強柱弱梁”是指,節(jié)點處梁端實際受彎承載力Maby和柱端實際受彎承載力Macy之間滿足不等式∑Macy>∑Maby∑Μcya>∑Μbya由于地震作用的復雜性、現(xiàn)澆樓板的影響和鋼筋屈服時的超強等因素的影響,難以通過精確的計算實現(xiàn)。因此,規(guī)范采用增大柱端彎矩設計值、即提高柱端的彎矩增大系數(shù)ηc的方法,取等式∑Mc=ηc∑Mb∑Μc=ηc∑Μb在計算梁端彎矩和配筋時,考慮部分樓板作用形成T形梁,將框架梁抗彎剛度乘以1.5~2.0的放大系數(shù)后,計算梁的配筋超強,再加上板的鋼筋,使T形梁不但剛度加大,實際承載力大于梁端彎矩,而且與之正交的另一向T形梁對柱子形成約束,在雙向水平地震作用下,柱截面處于復雜的雙向受力狀態(tài);一般情況下,框架柱即使增大了柱端彎矩設計值,計算結果一般只按構造要求配筋;只有9度抗震設防、構件抗震等級為一級時,規(guī)范才要求按照梁的實配鋼筋反算柱端彎矩。因此,對于抗震等級為二、三級的構件,實際的結構設計形成的是“強梁弱柱”。本次地震中,鋼筋混凝土框架結構大量出現(xiàn)的是柱鉸機制而不是梁鉸機制,如圖5所示為漩口中學主教學樓未完全倒塌的側樓底層破壞情況,圖6為漩口鎮(zhèn)某商住樓底層,塑性鉸均出現(xiàn)在框架柱柱頂,而梁與樓板共同工作,沒有任何損壞,可是結構已接近倒塌。因此,設計時有必要加大柱子斷面和配筋,把一定寬度樓板的配筋作為梁的配筋,從而適當減小梁的截面尺寸和配筋。1.3連梁的設置問題剪力墻結構高層建筑中的連梁作為抗震體系的第一道防線,起著“保險絲”的作用,當?shù)卣鹱饔贸^“小震”時,連梁首先開裂和屈服,出現(xiàn)耗能機制,起到保護墻體的作用。規(guī)范規(guī)定,“一、二級抗震墻跨高比不大于2且墻厚不大于200mm的連梁,除普通箍筋外宜另設置斜向交叉構造鋼筋”。這樣做是為了改善連梁的抗剪性能,滿足“強剪弱彎”的要求,并經(jīng)過試驗驗證。但是震害經(jīng)驗表明,這種做法達不到預期效果。在5·12汶川地震中,位于設防烈度和實際烈度均為7度(相當于“中震”水準)的彭州市的一幢剪力墻結構高層建筑的高連梁產(chǎn)生了嚴重的剪切破壞,如圖7所示;而位于設防烈度7度、實際烈度為6~7度(相當于“小到中震”水準)的成都市和設防烈度為8度、實際烈度為6度(相當于“小震”水準)的西安市的二幢框架-剪力墻結構采用的雙連梁卻起了良好的耗能效果,填充磚砌體的破壞保護了連梁和墻體(見圖8和圖9)。1.4結構的延性和整體性規(guī)范第3.5.5條第3款規(guī)定,裝配式結構構件的連接,應能保證結構的整體性。但是,砌體結構本身是一種由脆性材料構成的結構,非常不利于抗震。1976年唐山地震以來,我國的工程技術人員發(fā)明了砌體加混凝土構造柱和圈梁的結構形式,既提高了砌體的延性,又加強了結構的整體性。經(jīng)歷了多次地震檢驗,證明這種獨特的抗震結構形式非常適合國情,已在我國地震區(qū)得到廣泛應用。只要嚴格按照規(guī)范要求設置構造柱和圈梁,完全可以達到三水準抗震設防目標要求。圖10所示為位于設防烈度7度、實際烈度8度(相當于“大震”水準)的白鹿鎮(zhèn)小學的一幢砌體結構教學樓,在達到大震水準的地震作用下,墻體裂縫由于受到構造柱和圈梁的約束,大多局限在窗肚墻而不擴展,雖嚴重破壞,但不倒塌,達到“大震不倒”的設防目標。不幸的是,地震區(qū)大量的砌體結構學校和住宅普遍采用預制空心樓板。由于不按規(guī)范要求設置構造柱和圈梁,或在施工中不按要求將預制空心板與圈梁或樓面大梁可靠拉結,地震中墻體破壞或外閃,導致樓板塌落,造成結構局部或整體倒塌。圖11所示為塌落的預制空心板,可以看到,樓板鋼筋根本不存在拉結。1.5樓梯間抗震設計樓梯間是住宅和學校建筑的出入口,也是地震時人群疏散的唯一通道。震害調查發(fā)現(xiàn),由于設計和施工問題,造成樓梯間的倒塌破壞,直接傷人和堵塞疏散通道,阻礙人員逃生。由于樓梯間的橫墻較高,側向剛度較大,梯段平臺與樓層存在錯層,地震時最容易破壞。因此,對于樓梯間的抗震設計,規(guī)范第7.3.1條要求,樓、電梯間的四角,錯層部位橫墻與外縱墻交接處要設置構造柱;第7.3.8條要求,“裝配式樓梯段應與平臺板的梁可靠連接…;突出屋面的樓、電梯間,構造柱應伸到頂部,并與頂部圈梁連接到…”。圖12所示的綿竹市一幢三層教學樓,由于樓梯間未按規(guī)范要求設置構造柱和圈梁,地震時墻體破壞導致樓梯間倒塌。圖13為樓梯踏步板破壞情況,由于施工縫設在樓梯踏步板三分之一高度處,地震時在該處折斷,墻體大部分破壞倒塌。因此,對于教學樓,有必要另設室外疏散梯,以便室內樓梯間破壞時有第二個逃生通道(見圖14)。1.6主體結構的彈性層間位移角限值非結構構件包括建筑非結構構件和建筑附屬機電設備及其與結構主體的連接。規(guī)范規(guī)定,“圍護墻和隔墻應考慮對結構的不利影響,避免不合理設置而導致主體結構的破壞”,還規(guī)定“幕墻、裝飾貼面與主體結構應有可靠連接,避免地震時脫落傷人”。地震時,鋼筋混凝土框架結構的多孔磚隔墻、輕質吊頂大量破壞,如圖15和圖16所示,盡管沒有危及主體結構,但非結構破壞造成了重大經(jīng)濟損失。令人意外的是玻璃幕墻在地震時并沒有大量脫落傷人,大部分表現(xiàn)良好,盡管地震動強度達到“大震水準”,主體結構已有損壞,隔墻和吊頂也大量破壞,玻璃幕墻卻完好無損?？梢娺@種幕墻設計具有良好的變形能力(見圖17和圖18)?！恫Ａ粔こ碳夹g規(guī)范》(JGJ102—2003)第4.2.6條規(guī)定:“玻璃幕墻平面內變形性能,…;抗震設計時,應按主體結構的彈性層間位移角限值的3倍進行設計?！睂τ诿骺蚰粔Φ牟Ａc槽口的配合尺寸作了規(guī)定(見第9.5.2條和9.5.3條)。主體結構的彈性層間位移角限值的3倍相當于“中震水準”下主體結構保持彈性的最大層間位移角限值,相當于“大震”作用時結構的彈塑性位移值。各類玻璃幕墻中,尤以點支承玻璃幕墻更好一些(圖17);框支承幕墻中,明框幕墻的主要問題是框架本身的變形過大導致玻璃擠碎(圖18),但是,如果框架的變形得到控制,也能保證玻璃的安全(圖19);隱框幕墻由于在伸縮縫處受到撞擊或硅酮結構密封膠承載力降低均可能造成玻璃脫落(圖20)。2結構體系的設計通過對5·12汶川大地震的震害調查,得到以下結論:(1)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011—2001)關于抗震設計基本要求