建筑物框架結構震害分析與設計對策

徐澤軍,董龍彬 (荊州市城市規劃設計研究院,湖北荊州434021)

地震對建筑結構破壞嚴重,目前,運用試驗手段和仿真技術還不能確切地模擬地震對建筑的破壞作用[1],因而地震區建筑物的破壞狀況便成為探索地震破壞作用和結構震害機理最直接和最全面的對象。因此,有必要在充分吸取地震經驗和教訓的基礎上,結合現代技術,在基本理論、計算方法和構造措施等多方面,研究改進建筑的抗震設計技術,以進一步提高房屋建筑的抗震可靠度。

1 框架結構震害分析

1.1 主要承重結構震害分析

1)梁 其震害特點是易發生梁端剪切破壞 (見圖1)。產生該現象的原因是配箍不足,鋼筋節點錨固失效等。可以采取加密箍筋配置或增大箍筋強度等措施來保證其抗震能力,同時錨固的長度也應符合規范要求。

圖1 梁端剪切破壞

2)柱 其破壞類型有彎曲破壞 (見圖2)、剪切破壞 (見圖3)和粘結破壞 (見圖4)等[2]。具體原因分析如下:①彎曲破壞。在水平荷載作用下,產生較大彎矩,破壞通常發生在柱頂或柱底截面。破壞時壓區混凝土壓碎、主筋壓屈。受拉鋼筋有時能達到屈服,有時則達不到屈服[3]。②剪切破壞。在荷載作用下,水平彎曲裂縫斜向發展,形成斜裂縫。當箍筋配置較多時,斜裂縫不會迅速開展,而是剪壓區混凝土在彎、剪的共同作用下壓碎,此時產生剪切受壓破壞[4];當剪跨比較小且配箍率較低時,在主筋受拉屈服后,隨著反復荷載的作用,會產生一條較寬大的斜裂縫,導致箍筋屈服、柱子剪壞,此時產生剪切受拉破壞;剪切斜拉破壞一般發生在短柱中,斜裂縫往往沿柱子對角出現,箍筋達到屈服甚至被拉斷,柱子被剪壞。③粘結開裂破壞。其破壞類型有2種,即由于鋼筋錨固不足被拔出而破壞,另外柱子出現彎曲裂縫或剪切裂縫后,在反復荷載作用下,沿主筋出現粘結裂縫,使混凝土沿主筋酥裂脫落導致柱子破壞。

柱的抗震性能主要依賴于其延性,而影響框架柱延性的重要參數有剪跨比、軸壓比和剪壓比,因而進行柱的抗震設計時必須重點考慮上述參數。例如設計短柱時應注意以下幾方面:①截面驗算。軸壓比限值應比一般柱降低0.05,截面組合的剪力設計值應滿足規范要求[5]。②構造要求。抗震等級為一級時每側縱向鋼筋配筋率不宜大于1.2%;箍筋沿柱子全高加密,間距不應大于100mm,宜采用復合螺旋箍或井字復合箍,其體積配箍率在6～8°時不應小于1.2%,9°時不應小于1.5%;梁柱節點核芯區的體積配箍率不應小于上下柱端的較大值[5]。③超短柱。若剪跨比小于1.5,應采取專門措施,如采取增設交叉斜筋、外包鋼板箍、設置型或將抗震薄弱層轉移到相鄰的一般樓層等。

圖2 彎曲破壞

圖4 粘結開裂破壞

3)節點 其破壞類型主要有節點區剪切破壞 (見圖5)、節點區箍筋滑落 (見圖6)和節點區錨固失效等。產生上述現象的原因是節點區破壞大多為抗剪不足、配箍不足和鋼筋錨固失效等。在設計時可采取箍筋加密或箍筋構造技術 (如連續箍筋)等措施。

圖5 節點剪切破壞

圖6 節點區箍筋滑落

4)樓梯 其破壞類型主要有樓梯平臺柱的短柱剪切破壞(見圖7)、樓梯間墻體破壞 (見圖8)、平臺梁破壞 (見圖9)、樓梯段斷裂 (見圖10)和樓梯端部的破壞 (見圖11)等。產生上述現象的原因是在框架結構中,由于支撐效應使樓梯板承受較大的軸向力,地震時樓梯段處于交替的拉彎和壓彎受力狀態,當樓梯段的拉應力達到或超過混凝土材料的極限抗拉強度時,就會發生受拉破壞。樓梯間的平臺梁由于上下梯段的剪刀作用而產生剪切、扭轉破壞。另外,有些樓梯采用冷軋扭鋼筋,其延性不夠,在地震作用下鋼筋脆斷。

圖7 梯平臺柱破壞

圖8 梯間墻體破壞

圖9 梯段梁的破壞

在結構抗震設計中,歷來把樓梯梯段作為非抗側力結構處理。汶川地震中,發生了許多樓梯間破壞導致人員傷亡的事故,因而在樓梯設計時應注意以下幾方面:①在進行結構整體計算分析時,建立的計算模型等應符合結構的實際工作狀況,同時應考慮樓梯構件的影響[5]。②增設樓梯間的構造柱,即樓梯間4角、樓梯斜梯段上下端對應的墻體處和樓梯間對應的另一側內橫墻與外縱墻交接處 (二者取一)應設置構造柱。③頂層樓梯間墻體應沿墻高每隔500mm設2?6通長鋼筋和?4分布短鋼筋平面內點焊組成的拉結網片或?4點焊網片;7～9°時其他各層樓梯間墻體應在休息平臺或樓層半高處設置60mm厚、縱向鋼筋不應少于2?10的鋼筋混凝土帶或配筋磚帶,配筋磚帶不少于3皮,每皮的配筋不少于2?6,砂漿強度等級不應低于M7.5且不低于同層墻體的砂漿強度等級[6]。

1.2 非承重結構震害分析

1)填充墻或圍護結構 其破壞形式主要表現為出現斜向或交叉斜向剪切裂縫 (見圖12)、水平或豎向墻體-框架界面裂縫和填充墻局部破壞或填充墻倒塌等。產生上述現象的原因是填充墻的砌塊和砂漿的抗拉強度不高,其界面的粘結強度較低,使得砌體墻在地震作用下很容易開裂,嚴重時還會出現錯位甚至倒塌[5]。在設計填充墻或圍護結構時應注意以下幾方面:①改進填充墻的構造措施。可以設置拉結鋼筋、構造柱、水平系梁等,這樣能夠有效增強填充墻與主體結構的協調變形能力,避免填充墻的嚴重破壞。②強化基于性能的抗震設計。根據填充墻變形能力和經濟承受能力,合理確定建筑抗震性能設計目標 (特別是變形設計目標),從而減輕填充墻等非結構構件在不同地震水平下的破壞程度。③鋼筋混凝土結構中的砌體填充墻宜與柱脫開或采用柔性連接。填充墻應沿框架柱全高每隔500～600mm設2?6拉筋,拉筋伸入墻內的長度,在6～7°時宜沿墻全長貫通,8～9°時應全長貫通。樓梯間和人流通道的填充墻應采用鋼絲網砂漿面層加強。砌體的砂漿強度等級不應低于M5;實心塊體的強度等級不宜低于MU2.5,空心塊體的強度等級不宜低于MU3.5;墻頂應與框架梁密切結合。

圖10 梯段板斷裂

圖11 梯段端部破壞

圖12 交叉斜向剪切裂縫

2)出屋面結構 出屋面結構主要指電梯機房、水箱間、女兒墻、煙囪、設備間和其他設施等[6]。震害表明,出屋面結構在地震中破壞較為嚴重 (見圖13～15)。產生上述現象的原因是屋面突出結構相對于下部主體結構有明顯的剛度突變,在地震作用下,建筑物頂部受高階振動影響,地震反應較大,造成屋面突出結構產生很大的受力集中和變形集中,極易造成較大的震害[7]。在設計出屋面結構時,依據文獻 [8],應按規定乘以增大系數或作為質點直接參與計算,且突出屋頂的樓、電梯間的構造柱應伸到頂部并與頂部圈梁連接,所有墻體應沿墻高每隔500mm設2?6通長鋼筋和?4分布短筋平面內點焊組成的拉結網片或?4點焊網片。

圖13 出屋面梯間墻體破壞

圖14 出屋面梯間墻體破壞

圖15 出屋面鐘樓墜落

2 結 語

框架結構是工業與民用建筑常用的結構形式。在研究框架結構震害特點的基礎上,對造成震害的原因進行分析,并結合 《建筑抗震設計規范》 (GB50011-2010)的修訂,提出避免或減小震害的設計對策。筆者認為,框架結構的抗震設計首先必須重視結構體系與選型,然后再研究抗震構造措施,最后才能進行具體的抗震計算問題。在上述過程中,應始終貫徹 “強柱弱梁,強剪弱彎,強節點弱構件”的框架結構抗震設計理念[9]。此外,基于結構整體性的抗震設計 (如基于結構魯棒性和防連續倒塌的抗震設計、基于結構控制 (隔震技術)的抗震設計和基于結構性能的抗震設計等)亟待進一步研究。

[1]任慶英,易紅.汶川地震震害調查及對今后工程抗震的建議[J].建筑結構,2008,38(9):133-134.

[2]李喬,趙世春.汶川大地震工程震害分析 [M].成都:西南交通大學出版社,2008.

[3]周獻祥.結構設計筆記 [M].北京:知識產權出版社,2008.

[4]楊杰.框架結構計算分析與設計實例 [M].北京:知識產權出版社,2008.

[5]GB50011-2001.建筑抗震設計規范[S].

[6]葉列平,曲哲,陸新征,等.建筑結構的抗倒塌能力-汶川地震建筑震害的教訓[J].建筑結構學報,2008,29(4):42-50.

[7]楊佑發,袁政強,敬登虎.高層建筑結構抗震設計中鞭梢效應的分析 [J].世界地震工程,2004,20(1):85-89.

[8]GB50011-2010.建筑抗震設計規范[S].

[9]葉列平,曲哲,馬千里,等.從汶川地震中框架結構震害談“強柱弱梁”屈服機制的實現 [J].建筑結構,2008,38(1):52-59.