地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響

【摘 要】房屋建筑是人們活動(dòng)和生活的主要場(chǎng)所， 加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)勢(shì)在必行， 體現(xiàn)以預(yù)防為主的設(shè)計(jì)思想， 達(dá)到“小震不壞， 中震可修，大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。建設(shè)工程只有在抗震設(shè)防、抗震設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量這三方面都符合要求， 才能確保建筑工程具備合理的抗御地震的能力。

【關(guān)鍵詞】地震預(yù)報(bào)；地震破壞現(xiàn)狀；施工；設(shè)計(jì)強(qiáng)化措施

1 建筑在設(shè)計(jì)中值得注意的問題

要實(shí)現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)就得要在房屋的勘察設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行預(yù)控。首先就要考慮提高結(jié)構(gòu)的延性問題。

1.1 震害中部分現(xiàn)象列舉

從5·12汶川特大地震中的幾個(gè)重災(zāi)區(qū)的建筑物破壞現(xiàn)象來(lái)看， 主要有以下幾種情況: 承重墻交叉斜裂縫; 豎向構(gòu)筑物外閃折斷; 樓梯塔樓、煙囪頂部折斷或倒塌( 鞭稍效應(yīng)) ; 建筑物頂層塌落; 建筑物底層完全破壞; 底層框架柱破壞; 柱子出現(xiàn)鉸; 剪力墻連梁出現(xiàn)交叉斜裂縫破壞; 框架柱邊柱混凝土破壞; 樓梯水平斷裂和梯梁斷裂; 框架結(jié)構(gòu)填充墻上部斜磚位置框架柱破壞; 底層有門面房的建筑出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)破壞等等。

從上述現(xiàn)象來(lái)看， 基本上都是規(guī)范規(guī)定應(yīng)該加強(qiáng)設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施的地方。也有一些新的破壞現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)， 如樓梯水平斷裂和梯梁斷裂、框架結(jié)構(gòu)填充墻上部斜磚位置框架柱破壞等( 其破壞原理將在后面論述) ， 從這些現(xiàn)象都可以看出加強(qiáng)結(jié)構(gòu)延性的重要性。

1.2 設(shè)計(jì)中延性設(shè)計(jì)應(yīng)該強(qiáng)化的地方

1.2.1 對(duì)連梁交叉斜裂縫現(xiàn)象的延性考慮

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50010—2002) 在11.7.8 說明了多肢剪力墻的承載力和延性與洞口連梁的承載力和延性有很大關(guān)系。為了避免連梁產(chǎn)生受剪破壞后導(dǎo)致剪力墻延性降低， 規(guī)定跨高比大于2.5 的連系梁， 除應(yīng)滿足正截面抗震承載力要求外， 還必須滿足抗震受剪承載力的要求。對(duì)跨高比不大于2.5 的連系梁， 因目前試驗(yàn)研究成果不夠充分， 其構(gòu)造要求更應(yīng)該加強(qiáng)， 試驗(yàn)表明， 在剪力墻洞口連梁中配置斜向交叉鋼筋對(duì)提高連梁的抗震性能效果較為明顯。對(duì)一、二級(jí)抗震等級(jí)的簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)， 當(dāng)連梁跨高比不大于2.0 ， 連梁截面寬度不小于400m 時(shí)， 宜設(shè)置斜向交叉暗柱配筋， 全部剪力由暗柱承擔(dān); 對(duì)一、二級(jí)抗震等級(jí)的一般剪力墻， 當(dāng)連梁跨高比不大于2.0 時(shí)， 也可配置斜向交叉構(gòu)造鋼筋， 以改善連梁的抗剪性能。

地震中剪力墻連梁出現(xiàn)交叉斜裂縫破壞現(xiàn)象， 充分說明在抗震設(shè)計(jì)中強(qiáng)化設(shè)置斜向交叉暗柱配筋或在斜向交叉配置斜向交叉構(gòu)造鋼筋的重要性。另外， 由于剪力墻連梁對(duì)剪切變形十分敏感， 其名義剪應(yīng)力限制又比較嚴(yán)， 在很多情況下計(jì)算時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)超筋情況， 此時(shí)應(yīng)該按高規(guī)( 《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》簡(jiǎn)稱高規(guī)) 7.2.25條給出了一些處理方法， 提出塑性調(diào)幅連梁塑性調(diào)幅可采用兩種方法: 一是按照高規(guī)5.2.1 條的方法， 在內(nèi)力計(jì)算前就將連梁剛度進(jìn)行折減; 二是在內(nèi)力計(jì)算之后， 將連梁彎矩和剪力組合值乘以折減系數(shù)。兩種方法的效果都是減小連梁內(nèi)力和配筋。無(wú)論用什么方法， 連梁調(diào)幅后的彎矩、剪力設(shè)計(jì)值不應(yīng)低于使用狀況下的值， 也不宜低于比設(shè)防烈度低一度的地震作用組合所得的彎矩設(shè)計(jì)值， 其目的是避免在正常使用條件下或較小的地震作用下連梁上出現(xiàn)裂縫。

1.2.2 對(duì)柱子塑性鉸延遲出現(xiàn)或不發(fā)生的強(qiáng)化

由于按我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的柱彎矩增大措施， 只能適度推遲柱端塑性鉸的出現(xiàn)， 不能避免出現(xiàn)柱端塑性鉸， 因此對(duì)柱端也應(yīng)提出“強(qiáng)剪弱彎”要求， 以保證在柱端塑性鉸達(dá)到預(yù)期的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)之前， 柱端塑性鉸區(qū)不出現(xiàn)剪切破壞。

同結(jié)構(gòu)類型的框架柱、框支柱在地震作用組合下位移延性的要求， 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50010—2002 ) 在11.4.16規(guī)定了不同結(jié)構(gòu)體系的柱軸壓比限值要求。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 軸壓比直接影響柱截面尺寸?？蛑Ъ袅Y(jié)構(gòu)中的框支柱則必須提高延性要求， 其軸壓比應(yīng)加嚴(yán)。雖然近年來(lái)， 國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)研究表明， 通過增加柱的配箍率、采用復(fù)合箍筋、螺旋箍筋、連續(xù)復(fù)合矩形螺旋箍筋以及在截面中設(shè)置矩形核心柱， 加強(qiáng)了箍筋對(duì)混凝土的約束作用， 提高了柱核心混凝土的抗壓強(qiáng)度， 增大了其極限壓應(yīng)變， 從而改善了柱的延性， 這些都能增加柱的位移延性。但是筆者認(rèn)為對(duì)于低裂度區(qū)的軸壓比限制設(shè)計(jì)者還是應(yīng)該從嚴(yán)控制， 而且在實(shí)際工程應(yīng)用中將軸壓比降低12% 時(shí)， 墻柱截面變化并不明顯， 建設(shè)造價(jià)變化也不大。例如將500×500的柱改為550×550的柱， 其工程變化不大， 但變更后的軸壓比為之前的82% ， 這樣延性的提高卻非常明顯。尤其是在大震的豎向地震力作用下， 往往地震力超過了重力范圍， 然而在設(shè)計(jì)中尤其是在低裂度設(shè)計(jì)中往往重力成為了控制因素， 這就在一定程度上不能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁原則， 在底框結(jié)構(gòu)中更是如此。在歷來(lái)震害中表明: 往往是低裂度設(shè)防區(qū)或不設(shè)防區(qū)的災(zāi)害更加嚴(yán)重， 所以筆者再次提出對(duì)于低裂度區(qū)的軸壓比限制， 設(shè)計(jì)者應(yīng)該從嚴(yán)甚至適當(dāng)降低軸壓比的控制值以提高延性。

1.3 框架結(jié)構(gòu)填充墻上部斜磚位置框架柱破壞淺析

從傳統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)理論來(lái)看， 往往認(rèn)為框架結(jié)構(gòu)中填充墻不會(huì)傳遞剪力或者傳遞很小， 從5·12汶川地震破壞的現(xiàn)象來(lái)看， 筆者認(rèn)為填充墻仍然有很好的整體性， 具備較好的傳遞剪力的能力。就框架結(jié)構(gòu)填充墻上部斜磚位置框架柱破壞來(lái)看， 由于上部的斜磚較為松散( 本是為了防止結(jié)構(gòu)上層荷載向下傳遞的一種構(gòu)造措施) ， 而其余填充墻卻是在框架柱拉接筋作用下砌筑而成。在橫向地震作用下， 頂部的斜磚由于松散，不具備剪力的傳遞， 其余填充墻卻較好傳遞了剪力使得該處柱節(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切破壞。因此筆者認(rèn)為， 在以后的設(shè)計(jì)中還應(yīng)思考填充墻與柱子柔性連接和施工的可操作性以及造價(jià)增加等問題。

1.4 框架結(jié)構(gòu)樓梯水平斷裂和梯梁斷裂破壞淺析及解決方案

在框架結(jié)構(gòu)中， 樓梯在地震作用下水平斷裂和梯梁斷裂現(xiàn)象也許是以前根本沒有重視的問題， 就其原因而論， 筆者認(rèn)為是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中， 由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件在建模計(jì)算時(shí)是不能考慮的， 在整個(gè)結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)也就沒有考慮其協(xié)調(diào)受力和變形， 往往設(shè)計(jì)者會(huì)對(duì)樓梯采用單獨(dú)構(gòu)件設(shè)計(jì)于是忽略了地震作用， 甚至有的是憑經(jīng)驗(yàn)構(gòu)造畫圖解決樓梯結(jié)構(gòu)。筆者在以前的設(shè)計(jì)中也是將樓梯部分安裝配式構(gòu)件把荷載導(dǎo)入。然而在地震時(shí)， 樓梯作為低樓層住戶的逃生通道， 是樓內(nèi)人員的生命線通道， 更是不能忽視。因此建議設(shè)計(jì)者在以后的設(shè)計(jì)中對(duì)樓梯板筋的配置時(shí)因考慮水平拉力作用， 增加板筋配置， 可以考慮雙層配置; 對(duì)梯梁也應(yīng)加密箍筋配置。

2 建筑在施工中值得注意的問題

施工嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)和規(guī)范規(guī)程施工是首要的， 還應(yīng)從施工技術(shù)上多思考， 處理好一些建筑施工質(zhì)量通病， 增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震能力。本文僅從柱子出現(xiàn)鉸的現(xiàn)象進(jìn)行切入。

2.1 震害現(xiàn)象及存在的問題

在大震中， 柱的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)鉸使得柱子失穩(wěn)， 出現(xiàn)房屋倒塌。在地震破壞后可以看到有的建筑物柱子上端節(jié)點(diǎn)( 梁下部) 存在混凝土破碎后呈顆粒狀并且粗骨料少的現(xiàn)象， 柱子下端節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)粗骨料集中現(xiàn)象。

2.2 淺析震害現(xiàn)象柱鉸存在緣由和危害

就施工的緣由而論， 首先， 在混凝土澆筑質(zhì)量上， 由于梁柱節(jié)點(diǎn)的鋼筋網(wǎng)較密， 在混凝土的振搗過程中粗骨料沒能較好進(jìn)入柱體， 這就會(huì)導(dǎo)致柱頂混凝土質(zhì)量得不到保證， 如果柱節(jié)點(diǎn)混凝土振搗不密實(shí)就非常容易出現(xiàn)柱子在復(fù)雜地震作用下出現(xiàn)鉸; 其次， 是由于澆筑混凝土的骨料級(jí)配不好導(dǎo)致， 在配制混凝土的粗骨料選料不當(dāng)導(dǎo)致級(jí)配不好， 在澆筑柱子混凝土的過程中使得柱子底部沉積較多的粗骨料， 加上振搗過程造成的混凝土離析也易使柱子上部出現(xiàn)強(qiáng)度較低的情形;再次， 是由于沒有清理在柱頂設(shè)置施工縫時(shí)出現(xiàn)的浮漿。出現(xiàn)上述情況之一， 都會(huì)導(dǎo)致柱上下端混凝土的強(qiáng)度等級(jí)達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求， 于是在大震作用下出現(xiàn)柱鉸， 使得建筑的層間位移增大產(chǎn)生二階效應(yīng)最終房屋倒塌。

3 結(jié)束語(yǔ)

地震異常與非地震異常、前兆與后效、異常與干擾的難分辨性， 地域的廣闊性都加大了對(duì)于地震預(yù)報(bào)的難度， 作為建設(shè)工作者應(yīng)該科學(xué)地認(rèn)識(shí)地震預(yù)報(bào)問題; 在建設(shè)實(shí)施中應(yīng)該從設(shè)計(jì)方案上回避抗震不利的建筑布局型式， 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中建立合理力學(xué)模型， 加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施; 在施工技術(shù)上合理選材， 構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)施工要與設(shè)計(jì)模型和設(shè)計(jì)思想相統(tǒng)一。