高層建筑結構震害分析

摘 要：匯總了常見高層建筑的震害特點以及復雜高層建筑與高層建筑組合結構的震害情況，并總結了發生各種破壞的原因。根據典型震害分析，得到以下結論：應深入研究能夠實現高層建筑框架結構“強柱弱梁”機制的構造措施和設計方法；應重視高層建筑結構中樓梯間的設計，應確定最優的抗震設防標準；應加強復雜高層建筑結構的抗震性能研究；應加強消能減震技術在高層建筑以及超限高層建筑中的應用；應加強新型組合結構的抗震性能研究。

關鍵詞：高層建筑 震害分析 震害案例 抗震設計

中圖分類號：TU973 文獻標志碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（b）-0124-04

Abstract：It summarizes the seismic hazard of common characteristics of tall-building， the earthquake damage of complicated tall-buildings and the steel reinforced concrete composite structure tall-building. Contemplated the reasons for the various destroy of structural components. According to the typical damage analysis，one can draw a conclusion that： Measures to ensure the strong column-weak beam mechanism should be improved and revised； Should pay attention to the design of stair-half of high-rise civil building，The optimal Earthquake protection standard of engineering structures should be set up； The study on the complex tall-building should be strengthened； The application of dissipation technology in tall building is suggested to be widely promoted； The research on steel reinforced concrete composite structures should be strengthened.

Key Words：Tall-building；Seismic damage analysis；Seismic damage cases；Seismic design

20世紀90年代以來，隨著社會與經濟的蓬勃發展，特別是城市建設的發展，尤其在最近10年，高層建筑在世界各地大量興建，并且得到了飛速發展。目前，由于社會需求的日趨多樣化以及城市用地越來越緊張，促使高層建筑的體型越來越復雜，高度和跨度不斷增加，高層建筑結構抗震設計和分析難度不斷加大。

該文通過搜集大量的國內外高層建筑震害資料，對高層建筑震害原因進行分析歸納，針對常見的高層建筑結構形式震害特點進行總結，為我國高層建筑結構抗震設計提供參考。

1 高層建筑常見結構形式及地震破壞特點

1.1 高層建筑常見結構形式

我國《高層建筑混凝土結構技術規程》規定：10層及10層以上或房屋高度超過28 m的住宅建筑和高度大于24 m的其他民用建筑結構為高層建筑。高層建筑結構以結構體系來分有：框架結構體系、剪力墻結構體系、框架-剪力墻結構體系、框架-筒體結構體系、板柱-剪力墻結構體系、框筒和筒中筒結構體系、多筒結構體系等。以材料來分有鋼結構、鋼筋混凝土結構、配筋砌體結構、鋼-混凝土組合結構。

1.2 高層建筑歷次地震的破壞情況

近60年來國內外發生了多次大地震，每一次大地震都造成大量的人員傷亡、財產損失以及建筑物破壞。以下表1列舉幾次國內外典型的大地震造成的高層建筑破壞情況。

2 各類高層建筑結構形式的震害形式及原因分析

2.1 高層鋼筋混凝土結構震害分析

由于高層建筑的結構特點，目前高層建筑大部分采用鋼筋混凝土材料。相對其他材料建造的建筑而言，鋼筋混凝土結構的建筑具有較好的抗震性能。但如果建筑結構設計不合理，施工質量把控不嚴，鋼筋混凝土結構房屋也會出現嚴重震害。以下總結了鋼筋混凝土結構的大致震害：

2.1.1 變形縫破壞

地震時，在變形縫兩側的結構單元各自的振動特性不同，地震時會產生不同形式的震動，如果防震縫構造不當或寬度不夠，地震時變形縫兩側建筑物相互碰撞，造成墻體、屋面和檐口破壞，裝修塌落。在北京，凡是設置伸縮縫或沉降縫的高層建筑（一般縫寬都很?。┰谔粕降卣饡r都有不同程度的碰撞破壞；在一些設置防震縫的建筑物中，也有輕微的損壞。

變形縫兩側建筑物的震害與結構伸縮縫或沉降縫寬未按抗震要求設置有關，破壞程度與結構地基情況及地震時上部結構的變形大小有關。地基較好，剛度較大的高層結構房屋，變形較小，伸縮縫兩側的建筑碰撞較輕。

2.1.2 結構豎向強度、剛度不均勻產生的破壞

當結構沿高度方向的剛度或強度突然發生突變時，比如結構的豎向體型突變（建筑物頂部內收形成塔樓，樓層外挑內收等）、結構的體系變化（剪力墻結構底部大空間需要，底層或底部若干層剪力墻不落地，產生結構豎向剛度突變；中部部分樓層剪力墻中斷；頂部樓層設置空曠大空間，取消部分內柱或剪力墻等），會在剛度或強度較小的樓層形成薄弱層。在地震力作用下，整個結構的變形都將集中在該樓層，會導致結構在該層發生嚴重破壞甚至結構倒塌。

2.1.3 框架柱破壞

一般框架長柱的地震破壞發生在框架柱的上下端，特別是柱頂。其具體表現形式是，在軸力、彎矩和剪力的復合作用下，柱頂周圍產生水平裂縫或交叉斜裂縫，破壞嚴重時會發生混凝土壓碎，箍筋崩開或拉斷，縱像鋼筋受壓屈曲外鼓成燈籠狀；框架短柱剛度較大，剪跨比較小，地震中分擔的地震剪力較大，易發生脆性剪切破壞；角柱處于雙向偏壓狀態，受力狀態較復雜，其受結構整體扭轉影響較大，受橫梁約束的作用又相對較弱，因此角柱震害一般重于內柱。

2.1.4 框架梁破壞

框架梁的震害一般發生在梁端。在地震和豎向荷載作用下下，梁端承受反復作用的彎矩與剪力，框架梁出現垂直裂縫和交叉斜裂縫。其破壞程度主要取決于梁中鋼筋的配置，當抗剪鋼筋配置不足時發生脆性剪切破壞；當抗彎鋼筋配置不足時發生彎曲破壞；當梁主筋在節點內錨固不足時發生錨固失效破壞。

2.1.5 框架梁柱節點破壞

梁柱節點破壞在地面運動反復作用下，框架節點的受力機理十分復雜，其地震破壞主要表現在：節點核心區抗剪強度不足引起的脆性剪切破壞，破壞時，核心區出現斜向對角的貫通裂縫，節點區內箍筋屈服、外鼓甚至崩斷。當節點區剪壓比較大時，可能在箍筋屈服前，混凝土先被剪壓酥碎成塊而發生破壞。

2.1.6 剪力墻破壞

框架-剪力墻結構中，剪力墻的抗側剛度遠大于框架的抗側剛度。據震害資料顯示，同一地區的框架剪力墻結構的框架與純框架結構在受到地震作用時，前者的震害情況明顯地比后者更輕微，或前者基本完好，所以說剪力墻的抗震性能的優劣直接決定了整個剪力墻結構或者框架剪力墻結構建筑物的抗震性能。底層剪力墻作為結構中最接近地表和基礎的構件一般作為結構的第一道抗震防線，在地震中吸收了絕大部分的能量，從而最早可能被破壞。鋼筋混凝土剪力墻常見的基本破壞形式有：剪力墻開洞的洞口上部一般出現交叉裂縫、剪力墻的墻底下部混凝土出現脆性剪切破壞、結構底層剪力墻底部一般出現較多的斜向裂縫，剪力墻破壞程度與樓層的高度成負相關關系，隨著樓層高度的增加而破壞減輕。

2.1.7 圍護結構和填充墻破壞

地震中，建筑物的圍護結構和框架結構的填充墻發生明顯的震害。建筑物圍護結構一般為砌體結構，地震中會產生裂縫或發生倒塌；填充墻一般產生水平或豎向墻體-框架界面裂縫、斜裂縫、交叉斜裂縫以及墻體由于缺乏可靠的連接而出現錯位甚至倒塌?？蚣芗袅Y構的填充墻整體性較差，在地震中墻體整體的破壞程度取決于填充墻與框架柱之間的拉筋設置密度、拉筋本身的質量以及施工質量。據震害資料可知，地震中，框架剪力墻填充墻的破壞較大，墻體根部的砌塊尤其是空心砌塊一般容易被壓碎，且在地震剪切作用下，墻體易出現斜裂縫。盡管這些部位的破壞一般不影響主體結構的使用，但一般也會造成很大的財產損失，有時會對人員的安全產生威脅。

2.1.8 屋頂突出物破壞

由于鞭梢效應，房屋屋頂局部突出部位在地震時易易遭受比其他部位更嚴重的破壞，如屋頂突出的樓梯間、電梯間、女兒墻、屋頂附屬塔架等。

2.1.9 樓梯破壞

地震發生時，樓梯是高層建筑中人員逃生的唯一通道，但是2008年我國汶川地震中框架結構中的樓梯出現不同程度的破壞現象。對于樓梯輕微破壞情況，樓梯平臺梁板出現剪切裂縫，樓梯板出現多條水平裂縫；震害嚴重時，樓梯板被完全拉斷，樓梯梁在跨中兩端出現明顯破壞，混凝土保護層壓碎、剝落，鋼筋裸露。在以往的結構設計時僅對樓梯進行靜力分析和設計，將樓梯作為荷載加到主體結構上，然后對主體結構進行抗震計算分析，沒有對樓梯考慮抗震計算。

震害表明，正常設計、施工、使用的鋼筋混凝土高層建筑，達到了我國現行抗震規范的設防目標，一般在遭遇多遇地震時基本完好；在遭遇設防烈度地震時，僅出現只需簡單維修就可正常使用的破壞；城市地區的新修房屋有的甚至在遭遇設防烈度地震時，保持基本完好；在遭遇罕遇地震或更大地震的地區（如極震區），嚴重破壞的比例較高，個別倒塌。當結構存在先天抗震缺陷時，如未進行抗震設計或設計不合理，或結構抗震設計合格但未按圖施工，如果施工過程中存在較嚴重弊病使得結構容易出現薄弱環節，結構就容易遭受更嚴重的破壞。

2.2 高層鋼結構的震害分析

同鋼筋混凝土結構相比，鋼結構具有強度高、塑性、韌性好、質量輕以及材質均勻、密閉性好等優點，總體上其抗震性能較好。但是由于連接（焊接、鉚釘連接、螺栓連接）、冷加工等工藝技術以及環境的影響，鋼結構的優點會受到影響。如果鋼結構在設計、施工、維護等方面出現問題，在地震時就會造成建筑物或構件損害或破壞。以下主要分析多次地震中的鋼結構的震害情況。

2.2.1 結構倒塌

造成結構倒塌的主要原因是出現薄弱層。薄弱層的形成與樓層屈服強度系數沿高度分布不均勻，P-△效應較大，豎向壓力較大等有關。

2.2.2 支撐構件破壞

在鋼結構震害中支撐構件的破壞和失穩出現較多。主要原因是支撐構件為結構提供了較大的側向剛度，當地震作用較大時，支撐構件承受的軸向力將增加，如果支撐長度、局部加勁板構造與主體結構的連接構造等出現問題，就會出現構件失穩或破壞。

2.2.3 節點破壞

一般剛性連接的結構構件使用鉚釘或焊接形式連接。由于節點構造復雜、傳力集中，施工難度較大，容易造成節點應力集中、強度不均衡現象。再加上可能出現的焊縫和構造缺陷，更容易出現節點連接破壞。因而梁柱節點可能出現的破壞現象有焊接部位拉脫，鉚接斷裂，加勁板斷裂、屈曲，腹板斷裂、屈曲等。

2.2.4 基礎錨固破壞

鋼結構與基礎的連接錨固破壞主要有螺栓拉斷、連接板斷裂、混凝土錨固失效。主要是由于設計構造、材料質量、施工質量等方面出現問題所致。

2.2.5 構件破壞

鋼結構框架梁的破壞形式主要有腹板屈曲、腹板開裂、翼緣屈曲與梁扭轉屈曲等；框架柱的破壞主要有翼緣屈曲、翼緣撕裂、柱子受拉斷裂、失穩等。柱子拉斷的原因是地震造成的傾覆拉力較大、動應變速率較高、鋼材材性變脆。

鋼結構出現震害的原因主要可歸為結構設計與計算、結構構造、施工質量、材料質量、維護情況等5個方面。為減小局部破壞、避免出現整體倒塌失穩的情況，高層鋼結構抗震設計必須遵循有關的結構設計與施工規定，才能盡可能減小或避免地震造成的生命財產的損失、降低震后修復的費用。

2.3 復雜高層建筑結構震害分析

根據震害資料顯示，在強震作用下，結構不規則將直接或間接導致結構發生破壞甚至倒塌。如1995年日本阪神地震中部分復雜高層建筑的中間層倒塌；1999年臺灣集地震中部分體型特別復雜的高層建筑倒塌；2008年汶川地震中部分高層建筑的結構構件發生嚴重破壞。以下分析2010年智利地震中，立面收進高層建筑結構及連體連廊高層建筑結構的破壞情況。

智利地震中，某一立面收進結構，共21層，立面收進層位于11層。在地震動作用下，其立面收進層發生整層破壞以及立面收進層以上高位連體樓層發生破壞。另一高層連體結構，共31層，地上22層，地下9層，該結構正處于施工階段，兩側塔樓通過連廊聯系在一起。為了消除兩側塔樓相互振動對連體結構的危害，才用了隔震技術、預留間隙以及后張預應力技術。然而智利地震后，該結構連梁與塔樓連接部位出現了通長裂縫帶。

根據上述震害可以看出，在高層建筑結構設計中應加強復雜高層建筑的抗震研究，結構的豎向布置和平面布置應盡量選擇有利于地震的形式，避免豎向剛度不均勻以及平面布置不合理引起的結構扭轉等。

2.4 帶隔震和消能減震高層建筑結構的震害分析

隔震和消能減震技術是近幾十年來應用最多的抗震和減震技術。不同于傳統的依靠結構自身的抵抗能力來抗震策略，隔震和消能減震是在建筑物上部結構和基礎之間設置隔震消能裝置或在結構抗側力構件中設置消能器，吸收部分地震能量，減輕結構地震作用，達到預期抗震設防目標。隔震和消能減震體系能夠減輕結構受到的水平地震作用，減輕建筑物結構和非結構構件的地震損壞，提高人員在地震時的安全性。一般帶隔震和消能減震的建筑物，在震后損壞很小，或者主體構件未發生破壞，經修復可繼續使用，增加了建筑物的經濟性。

在2010年智利地震中，位于智利首都Santiago的Titanium Tower，該高層結構為鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系，該結構地上52層，地上結構高度181 mm，地下7層，樓面為預制板加混凝土整澆層，結構橫向支撐交叉位置設置了消能減震裝置。在此次地震中，Titanium Tower僅在結構橫向40層處出現玻璃幕墻脫落，未見其他任何結構性裂縫及破壞?？梢钥闯?，該高層結構結構體系設計合理，消能減震裝置可以有效的消耗地震動能量，保護主體結構在強震時不發生破壞。

2.5 高層組合結構的震害分析

型鋼混凝土組合結構是以型鋼為鋼骨，在型鋼周圍配置鋼筋并澆注混凝土的埋入式組合結構體系，型鋼混凝土組合結構可以發揮鋼材與混凝土各自的優點，因而具有剛度大、節省鋼材、造價低、抗震性能好、施工方便等一系列優點。目前在工程中應用較多的組合結構為組合板、組合梁、鋼管混凝土柱以及鋼-混凝土結構體系等。

2.5.1 鋼板剪力墻及鋼板-混凝土組合剪力墻高層結構震害

鋼筋混凝土剪力墻結構剛度大，在地震作用下承受較大的水平力，較早產生裂縫，震后不易修復。當鋼筋混凝土剪力墻與鋼框架或組合框架一起使用時，由于鋼筋混凝土剪力墻在水平剪力的作用下延性和耗能能力相對較差，框剪結構體系和層間位移角取值較為嚴格，此時鋼框架或組合框架的優越抗震性能能不能得以充分發揮；同時鋼筋混凝土剪力墻結構因其自重較大，導致地震荷載作用增加，基礎造價和結構造價明顯增加。此外，由于鋼筋混凝土剪力墻的尺寸較大，隨著建筑物的高度增加，剪力墻的墻厚過大，使得建筑物的自重過大。發展出了鋼板剪力墻以及鋼板-混凝土組合剪力墻這些新型的剪力墻結構體系。

至今采用不同種類鋼板剪力墻的建筑已達幾十幢，主要分布于日本和北美等地震高烈度區。在1995年阪神大地震中，日本神戶建成的35層的日本神戶城市大廈（高129.4 mm），經受了此次地震考驗，該高層采用鋼框架-鋼板剪力墻雙重抗側力體系，地下三層和地上二層為鋼筋混凝土剪力墻，地上第二層以上采用加勁板剪力墻。在震后調查發現，該結構除第26層的加勁鋼板發生局部屈曲外，結構整體并未發生明顯破壞，而與其相鄰的八層鋼筋混凝土建筑卻首層完全垮塌。目前已知的采用鋼板-混凝土組合剪力墻結構的建筑較少，全世界范圍內采用組合剪力墻的建筑不超過二十棟，大部分為混合結構，均沒有經過實際地震考驗。所以現有國內外對鋼板混凝土組合剪力墻的已有震害實例基本處于空白狀態。

2.5.2 其他型鋼-混凝土組合結構震害情況

高層建筑的組合構件中，梁可采用型鋼混凝土結構梁或鋼-混凝土組合梁；柱可采用鋼管混凝土柱或型鋼混凝土柱；樓板可采用壓型鋼板與混凝土組合樓板等。在當今高層建筑中，尤其是超高層建筑，型鋼-混凝土組合結構的應用越來越多。在1995年的阪神地震中，一些舊式的鋼骨-鋼筋混凝土結構柱遭到破壞，舊式的鋼骨-鋼筋混凝土結構一般主要以角鋼焊接成格柵式柱，外綁扎鋼筋并澆筑混凝土，因而變形能力較差。而近現代的鋼骨-鋼筋混凝土結構利用寬翼緣H型鋼作為骨架所形成鋼骨混凝土結構，具有很強的變形能力，在此次地震中未見有破壞的例子。

目前國內外已應用型鋼混凝土構建了大量的高層、超高層建筑。從表2的目前國內外最高的十大建筑可以可以看出，超高層建筑大部分為型鋼混凝土組合結構。

3 結論和建議

文中分別介紹了地震中鋼筋混凝土結構高層建筑、鋼結構高層建筑、復雜高層建筑、帶消能減震支撐高層建筑以及型鋼混凝土組合結構高層建筑的基本震害情況，并對其震害原因進行了分析，得到以下建議。

3.1 深入研究能夠實現高層建筑框架結構“強柱弱梁”機制的構造措施和設計方法

歷次震害表明，鋼筋混凝土框架結構的薄弱部位一般為框架柱與填充墻，框架柱端的震害最嚴重，而梁一般很少發生破壞。一般嚴重破壞或倒塌的房屋是因為某層（多見于底層）較多柱端破壞，使得框架結構層間位移角過大，大量震害表明結構屬于“強梁弱柱”。而現行設計理念所倡導的“強柱弱梁”式延性破壞機制極少實現。

3.2 重視樓梯間的抗震設計

按我國目前的設計常規。樓梯無需進行抗震設計，承載力設計時一般都未考慮地震時的附加拉（壓）力。在多次地震中，樓梯梯段板、梯梁和梯柱均不同程度的破壞。因而在高層建筑以后的設計和施工中，應考慮樓梯對主體結構抗震性能的影響。

3.3 確定最優的抗震設防標準

多次地震經驗表明，破壞性地震引起的經濟損失人員傷亡，主要是由于地震時產生的巨大能量使得工程設施、建筑物產生破壞和倒塌，以及地震伴隨的次生災害造成的。而要最大限度的減輕地震災害，高層建筑設計時必須進行科學合理的抗震設防，這是目前人類應對地震災害對策中最積極有效的措施。目前我國的抗震設防原則是“小震不壞，中震可修，大震不倒”，但是對于高層建筑來說，其高昂的造價意味震后重建或者加固的成本過高，而我國目前的抗震設防標準過于籠統，因此可以根據不同地區的地震危險性差異以及建筑功能差異，設定不同的抗震設防標準。

3.4 加強復雜高層建筑結構的抗震性能研究

大量震害資料顯示，復雜而不規則的高層建筑結構體系，在地震作用下容易出現薄弱部位，因結構薄弱部位的彈塑性變形集中而導致結構的嚴重破壞甚至倒塌，造成巨大的經濟損失和嚴重的人員傷亡。在近期的歷次地震中，復雜高層建筑的震害都有發生。提高復雜高層建筑的抗震性能，一方面應改善結構自身的抗震性能，開發高效的高性能抗震部件及高層建筑結構新體系；另一方面，在施工過程中，應嚴格控制關鍵部位的施工質量。

3.5 加強消能減震技術在高層建筑以及超限高層建筑中的應用

結構消能減震技術是在結構的抗側力結構中設置消能部件，這些部位通常由阻尼器、耗能支撐等組成。當結構受到地震作用時，消能部件將產生彈塑性滯回變形，吸收并消耗地震作用在結構中產生的能量，以減少主體結構的地震響應，從而避免結構發生破壞或倒塌，達到效能減震的目的。從歷次震害中可以看出，帶有消能減震裝置的高層建筑，震害一般比較輕。因而利用結構抗震控制的思想，發展適用于高層建筑的消能減震新技術，主動應對地震災害。

3.6 加強新型組合結構的抗震性能研究

鋼-混凝土組合結構體現了鋼結構與混凝土結構的優點，具有強度高、延性好的特點，能承受較大的地震作用，作為最有發展前途的高層建筑結構形式，尤其適用于多發地震區域的高層建筑。但是由于目前現存的鋼-混凝土組合結構高層建筑經歷的地震較少，缺乏有效全面的震害資料。對于鋼-混凝土組合結構的抗震性能研究僅限于計算機模型分析和振動臺試驗，需要在以后的高層建筑中不斷發展和完善。

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