汶川地震中西安高层建筑震害调查及分析

陈 平,吴 博

(西安建筑科技大学 土木工程学院,陕西 西安710055)

0 引 言

2008年5月12日,我国四川省汶川县发生里氏8.0级地震,震中烈度11度,周边多个省市受灾。此次地震是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最大的一次地震,地震的强度、烈度都超过了1976年的唐山大地震。离汶川750 km的西安地区在这次地震中震感强烈,大部分高层建筑遭到程度不同的损坏。本文以位于西安市北郊未央大道旁的赛高国际为例,结合震害调查结果,运用ETABS有限元软件对震害比较严重的高层建筑进行了抗震能力分析与评估。

1 工程概况

该工程为高层商住楼,地下2层,地上28层,地下室为停车场及设备用房,地上1至4层为商场,5层为设备层,6层以上为住宅,其中地下室部分为统一整体,地上部分分为5个独立的结构单元:A、B、C、D四栋塔楼和一座裙房E(见图1),其中A、D两栋塔楼总高度相同,为94.850 m,均采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系;另 B、C两栋塔楼总高度相同,为90.050 m,均采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构体系;裙房4层,总高度为19.100 m,采用现浇钢筋混凝土框架结构体系。

图1 赛高国际大厦平面

5.12地震后,《西安市房屋安全鉴定中心文件》定论为本建筑主体结构无明显异常变化。因其地处闹市区及抗震缝外露,仍给业主及社会带来较大不安和恐慌。

2 震害调查及分析

2.1 震害调查

根据西安建筑科技大学建筑勘测研究所2008-05-21提供的“赛高大厦沉降观测报告”:赛高大厦在现观测阶段,沉降均匀、相邻沉降点差异沉降小。最大沉降量-7.8 mm,最小沉降量-3.1 mm,平均沉降量-5.7 mm,差异沉降量-4.7 mm。总体沉降平稳,地基无异常表现,该楼的地基是安全的。

通过现场调查,震情主要表现为:

(1)A座与B座以及C座与D座之间抗震缝外表面装饰用瓷砖脱落(见图2、图3);

(2)A座北立面2～3层一装饰柱外瓷砖开裂(见图4);

(3)C、D座南端顶部靠近抗震缝处墙体相撞破坏;

(4)D座塔楼北立面非结构填充墙有不同程度裂缝(见图5)。

图2 A、B塔楼间

图3 C、D塔楼间

图4 装饰柱

图5 D座填充墙

2.2 调查结果分析

(1)汶川5.12地震对于西安地区的影响是典型的远震型低频振动,相对高柔、自振周期较长的高层建筑地震作用也更加明显。

(2)地震发生时抗震缝两侧的结构产生侧移,由于地震的复杂性及两侧结构类型不同从而造成结构侧移不协调,最终使得抗震缝外表装饰层受到反复挤压而破坏。

(3)在框架中填嵌的砖填充墙由于其受剪能力低,变形能力小,在地震往复作用下易发生剪切破坏,形成典型的交叉斜裂缝。框架,框架-剪力墙以及框架-筒体结构的底部更易产生此类裂缝,本结构D座下部填充墙破坏即属此类。

(4)C、D座南部顶层抗震缝处,C座楼面泛水(现浇)外伸,造成抗震缝宽度不足,地震时C座泛水将D座外填充墙撞倒,造成损坏[1]。

(5)位于A座北立面底部裙房西北角部的装饰柱由于其截面较小从而造成受剪能力相对较低,地震发生时在剪力较大的柱上下端造成破坏。

3 ETABS有限元分析

针对震害调查分析结果,本文采用有限元分析软件ETABS对结构进行地震作用下的反应谱分析及弹性时程分析,以对其抗震性能进行验证和评估。ETABS是由CSI公司开发研制的房屋建筑结构分析与设计软件,以有限元技术为基础,针对多层及高层建筑结构的特点,从工程师的角度开发和设计的楼房结构的线性及非线性静动力分析和设计专用系统,集成了荷载计算、静动力分析、线性和非线性计算等所有计算分析为一体,并将中国规范纳入其中,其权威性和可靠性已得到了业界的一致肯定。

本工程因各塔楼及裙房间有落至基础的抗震缝,实际为5个相互独立的结构,故可分别单独建模,现以D座框筒结构进行分析。模型按结构的实际尺寸和受力状态建立。梁、柱采用杆单元,墙采用壳单元,楼板采用膜单元。按目前结构计算的惯例,不考虑地下室和基础对上部结构的作用,将±0.000以下部分视为固结于地面。因而,在ETABS中结构力学模型的底部支座选用固定支座[2],模型见图6。

图6 ETABS模型

3.1 结构动力特性分析

为满足规范要求的计算振型数时应使振型参与质量不小于总质量的90%。为此,用ETABS计算了结构前18阶振型以分析高阶振型对结构的影响。X向平动、Y向平动、绕Z轴旋转的振型质量参与系数分别达到99%、99%、94%,满足规范要求。

分析结果:第1,2,3阶振型分别是以 X向平动,绕 Z轴旋转,Y向平动为主,第二振型即以扭转为主说明地震时扭转效应对结构破坏影响较大。结构以扭转为主的自振周期Tt为2.862 s,第一平动周期 T1为3.412 s,两者比值为0.84(见表1),略小于《高层建筑混凝土结构技术规程》[3]第4.3.5条对A级高度高层建筑的周期比0.9的限值,满足规范要求。

表1 结构前三阶振型自振周期及其振型质量参与系数

3.2 地震反应分析

本文对结构分别进行了单向地震作用和双向地震作用分析,按照《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.3.3条规定,在计算单向地震作用时,考虑偶然偏心的影响,每层质心沿垂直于地震作用方向的偏移值为ei=±0.05Li。

在进行时程分析法时,根据《建筑抗震设计规范》[4]第5.1.2条规定,应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线,其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符,本结构位于三类场地,8度抗震,最终选取了Courthouse波,EL centro(NS)波和一条Mmw-3人工波,并根据《建筑抗震设计规范》表5.1.2-2,多遇地震加速度曲线最大值为70 cm/s2,罕遇地震最大值为400 cm/s2,进行了加速度峰值的调整。

为便于分析,将时程分析法计算所得结构底部剪力及层间位移角与振型分解反应谱法(CQC法)求得的结构底部剪力及层间位移角进行了比较,结果见表2、表3。

表2 结构底部剪力(kN)

表3 最大楼层位移和层间位移角

(1)结构楼层最大位移与平均位移的比值最大值为1.27,根据《建筑抗震设计规范》第3.4.2条,属于扭转不规则结构,需加强相关构造措施,该值小于1.5,尚符合规范要求。

(2)上述各条地震波作用下结构底部剪力值均大于振型分解反应谱法计算剪力的65%,且平均底部剪力值大于振型分解反应谱法计算结果的80%。满足《建筑抗震设计规范》中5.1.2条中的规定。从振型分解反应谱法及时程分析的计算结果来看,反应谱法分析和时程分析中结构的反应特征是基本一致的。

(3)根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第4.6.3规定,楼层最大层间位移角不宜大于1/800,本结构的最大层间位移角为1/812,发生在19层,满足规范要求,但已届极限。

4 结 语

赛高国际表现的问题具有一定的普遍性,震害调查及分析说明:

(1)汶川地震对于西安地区的影响是典型的远震型低频振动,相对高柔和自振周期较长的高层建筑地震作用更加明显符合客观规律[5]。

(2)尽管西安高层建筑在汶川5.12地震中未见有结构性损坏。但也给住户造成一定的经济损失,带来诸多生活不便。分析结果显示,调查结构的平面扭转效应较为明显,反映出结构剪力墙布置偏少且不均匀。因此,在结构设计中强调满足规范各项指标固然必要,但同样应该重视概念设计的重要性,从宏观上,总体上和原则上去决策和确定建筑结构设计中的一些最基本、最本质也是最关键的问题。

(3)赛高大厦的损坏主要集中在结构抗震缝、填充墙、外装饰层和装饰柱等非结构构件,主体结构抗震性能满足规范要求。因此宜适当加强填充墙与主体结构之间的拉接,抗震缝处原有外贴瓷砖做法也宜取消。

[1] 门进杰,史庆轩,陈曦虎.汶川地震对远震区高层建筑造成的震害及设计建议[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2008,40(5):648-653.

[2] 中国建筑标准设计研究院.ETABS中文使用指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[3] JGJ 3-2002.高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[4] GB 50011-2001.建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[5] 丰定国,王社良.抗震结构设计[M].武汉:武汉理工大学出版社,2003.