汶川地震建筑震害啟示

王 芳

2008年5·12汶川大地震中,在地震區各個不同時期建造的各類房屋建筑和工程設施經受了考驗。震害調查表明,經過抗震設防,特別是在1990年后設計建造的建筑表現良好,即使在極震區實際烈度高出抗震設防烈度3度～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規范”之前的建筑物多數遭受嚴重破壞,直至倒塌。因此,認真研究震害特征,總結經驗,對于建造更為耐震的建筑結構具有重要意義。本文通過汶川地震建筑震害,對照抗震概念設計的“多道防線”“樓梯間”“強柱弱梁”等要求得到一些啟示。

1 多道抗震防線問題

這是抗震設計非常重要的一個基本概念,結構必須有多道抗震防線,即要有一定數量的冗余度。

單跨框架兩根柱子一根梁,是最簡單的結構形式。用于教學樓可以兩邊通風采光,加個懸挑外廊可以讓孩子們進行戶外活動,所以常見于中小學教室。但是這種結構形式沒有多道防線,一根柱子破壞,框架馬上倒塌。汶川地區中小學很多這種教學樓在地震中破壞嚴重,甚至全部倒塌,可能與此有關;而有些教學樓的外廊改懸挑為柱子支承,單跨框架變為雙跨,情況就好得多。

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。

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。

2 防震縫問題

從汶川地震后拍攝的很多照片中可以看到不少樓房在防震縫處相互碰撞的痕跡。主要原因歸結有三方面:1)設計預留的縫寬不能滿足地震發生時建筑物的搖擺幅度,發生了碰撞。這種情況不一定設計預留縫寬不滿足規范要求,所以設計時建筑平、立面布置應盡可能規則,盡量避免采用防震縫。2)防震縫處的構造處理不當,主體結構留了縫,但外裝飾沒有留縫,并采用了不可壓縮材料,碰撞后面磚脫落。3)在施工中,澆搗混凝土后的防震縫兩側的模板沒有拆除,或留下許多雜物堵塞,結果等于沒留縫。

3 樓梯間問題

對于砌體結構,由于樓梯間的山墻較高,梯段構件側向剛度較大,而且交叉布置,樓梯休息平臺與樓層錯層,地震時最容易破壞。在橫向地震作用下,樓板與休息平臺板之間,水平力形成力偶,使梯段往復受拉,梯段受拉彎破壞,休息平臺梁被剪壞;在縱向地震作用下,由于梯段的側向剛度很大,地震力集中,作用于樓梯間山墻,導致山墻破壞,甚至倒塌。樓梯間作為人員疏散通道,發生緊急情況時,大量人員集中在此,如果在地震時破壞,極有可能造成傷亡,也使救援工作無法順利進行。所以有四個問題值得注意,特別是學校建筑:1)有必要另設室外的疏散樓梯,以便室內樓梯間破壞時有第二個逃生通道,室外疏散樓梯跟主體結構最好脫開,基本是獨立的結構,有自己的支撐體系;2)樓梯間的設計要考慮踏步板的剛度和休息平臺與樓板的錯層;3)樓、電梯間四角,錯層部位橫墻與外縱墻交接處要設置構造柱,樓梯段上下端對應墻體處設四根構造柱;4)頂層樓梯間橫墻和外墻應沿墻高每隔500 mm設2Φ6通長鋼筋;凸出屋面的樓、電梯間,構造柱應伸到頂部,并與頂部圈梁連接,內外墻交接處應沿墻高每隔500 mm設2Φ 6通長拉結鋼筋。實際上樓梯踏步板的剛度非常大,在地震中吸收的能量大,也將首先破壞;休息平臺的錯層極容易引起墻體倒塌。在抗震驗算時應建立適當的力學模型,參與結構整體計算,在構造方面,應特別加強。

4 強柱弱梁問題

由于地震作用的復雜性、現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。因此,規范采用增大柱端彎矩設計值的方法,對“強柱弱梁”設計作了以下規定:二級和三級框架結構應符合:

一級框架結構及9度時應符合:

其中,∑Mc為框架節點上下柱端截面彎矩設計值之和;∑Mb為框架節點左右梁端截面彎矩設計值之和;∑Mbua為框架節點左右梁端截面實配鋼筋所對應的彎矩設計值;ηc為柱端彎矩增大系數。

由于在實際工程設計中,許多因素未在式(1)中得到充分反映或結構設計人員沒有充分考慮,汶川地震中框架結構大多未能實現“強柱弱梁”屈服機制的設計目的,歸結主要有以下幾方面原因:

1)樓板對框架梁的承載力和剛度增大的影響。樓板與框架梁整澆,兩者結合良好,共同工作能力強。梁端承受正彎矩時,樓板和框架梁共同組成T形截面,增加了框架梁的受壓區寬度;梁端承受負彎矩時,樓板內配筋相當于增加了框架梁的負彎矩筋。目前,我國在結構設計中的一些實際做法是,在考慮樓板對框架梁抗彎剛度提高方面,一般將中梁和邊梁的剛度按原框架梁矩形截面剛度乘2.0或1.5。這樣,由結構分析得到梁端彎矩比按矩形截面梁的分析結果有所增大,但相應梁端抗彎縱筋仍全部配置在梁矩形截面內,同時樓板仍按自身受力考慮另外在樓板中配筋,且按式(1)計算“強柱弱梁”時,通常不考慮樓板內與梁平行的鋼筋。2)框架梁跨度和荷載過大使梁截面尺寸增大?？蚣芰嚎缍群秃奢d過大,會使梁截面尺寸增大,因此使框架結構形成強柱弱梁,框架結構的側移變形模式更接近純層剪切型,再加上框架梁為滿足大跨度和大荷載下的承載力要求,往往無法滿足式(1),因此極易形成層屈服機制,造成坍塌。3)梁端超配筋和鋼筋實際強度超強。在強震作用下,框架結構實現“強柱弱梁”的條件是,梁柱節點處柱端實際受彎承載力之和 ∑Mcua大于梁端實際受彎承載力之和 ∑Mbua。對一般情況下的二、三級框架,規范為簡化計算,用設計彎矩代替實際受彎承載力,按式(1)計算“強柱弱梁”。但由于各種因素導致梁端實際抗彎承載力 ∑Mbua大于式(1)的設計彎矩 ∑Mb,造成不能滿足實際“強柱弱梁”的條件。因此,式(1)的應用前提為梁端實配鋼筋不能超配過多。4)柱軸壓比接近限值,柱截面尺寸偏小。汶川地震中,框架結構的柱子大多看上去太細,以至于框架柱極易出鉸,甚至發生折斷。導致這一結果的原因是,由于業主和建筑師總是希望柱子越小越好,因此框架柱截面尺寸往往都是緊扣軸壓比限值,柱子延性差,地震的直接結果是柱頭壓碎和底層柱壓塌、上部樓層墜落。5)柱子最小配箍率偏小。與美國標準ACI相比,我國的混凝土配筋率水平偏低。框架柱節點配箍率:ρminACI/ρminGB≈1.6。市場經濟經常要求設計采用低含鋼率,導致很多建筑都只能滿足規范各項最低標準,將各項最低標準疊加,必然會降低結構安全度,這樣的建筑物要抵抗地震作用是會出現能力不足的可能性。

5 填充墻的問題

汶川地震震害顯示,填充墻破壞比較嚴重,砌筑墻倒塌會傷人,剛度較大的填充墻會加大地震作用,填充墻布置不當還造成了框架主體結構的嚴重破壞。所以震害讓我們深思,填充墻與主體結構之間的連接構造是要強連接還是弱連接,采用強連接,有利的一面在于能夠起到耗能的作用,不利的一面是目前還沒有清楚這兩種剛度之間的關系,墻體剛度較大時可能對主體結構造成破壞,自身破壞也嚴重。如采用弱連接,可以減小填充墻對主體結構及構件的影響,但自身穩定所需的連接構造比較復雜,會增加施工費用和施工難度。

6 結語

一幢抗震性能優良的建筑除了進行必要的結構計算之外,更為重要的是概念設計。對于結構設計人員來說,抗震概念的準確把握要比會用軟件要求高得多。

汶川地震震害分析結果表明,只要嚴格按照規范設計,保障施工質量,房屋建筑就能達到“小震不壞,中震可修,大震不倒”的三水準設防目標。

[1] GB 50011-2001,建筑抗震設計規范(2008版)[S].

[2] 田 華.淺談建筑抗震鑒定加固[J].山西建筑,2008,34(19):56-57.