建筑物框架结构震害分析与设计对策

徐泽军,董龙彬 (荆州市城市规划设计研究院,湖北荆州434021)

地震对建筑结构破坏严重,目前,运用试验手段和仿真技术还不能确切地模拟地震对建筑的破坏作用[1],因而地震区建筑物的破坏状况便成为探索地震破坏作用和结构震害机理最直接和最全面的对象。因此,有必要在充分吸取地震经验和教训的基础上,结合现代技术,在基本理论、计算方法和构造措施等多方面,研究改进建筑的抗震设计技术,以进一步提高房屋建筑的抗震可靠度。

1 框架结构震害分析

1.1 主要承重结构震害分析

1)梁 其震害特点是易发生梁端剪切破坏 (见图1)。产生该现象的原因是配箍不足,钢筋节点锚固失效等。可以采取加密箍筋配置或增大箍筋强度等措施来保证其抗震能力,同时锚固的长度也应符合规范要求。

图1 梁端剪切破坏

2)柱 其破坏类型有弯曲破坏 (见图2)、剪切破坏 (见图3)和粘结破坏 (见图4)等[2]。具体原因分析如下:①弯曲破坏。在水平荷载作用下,产生较大弯矩,破坏通常发生在柱顶或柱底截面。破坏时压区混凝土压碎、主筋压屈。受拉钢筋有时能达到屈服,有时则达不到屈服[3]。②剪切破坏。在荷载作用下,水平弯曲裂缝斜向发展,形成斜裂缝。当箍筋配置较多时,斜裂缝不会迅速开展,而是剪压区混凝土在弯、剪的共同作用下压碎,此时产生剪切受压破坏[4];当剪跨比较小且配箍率较低时,在主筋受拉屈服后,随着反复荷载的作用,会产生一条较宽大的斜裂缝,导致箍筋屈服、柱子剪坏,此时产生剪切受拉破坏;剪切斜拉破坏一般发生在短柱中,斜裂缝往往沿柱子对角出现,箍筋达到屈服甚至被拉断,柱子被剪坏。③粘结开裂破坏。其破坏类型有2种,即由于钢筋锚固不足被拔出而破坏,另外柱子出现弯曲裂缝或剪切裂缝后,在反复荷载作用下,沿主筋出现粘结裂缝,使混凝土沿主筋酥裂脱落导致柱子破坏。

柱的抗震性能主要依赖于其延性,而影响框架柱延性的重要参数有剪跨比、轴压比和剪压比,因而进行柱的抗震设计时必须重点考虑上述参数。例如设计短柱时应注意以下几方面:①截面验算。轴压比限值应比一般柱降低0.05,截面组合的剪力设计值应满足规范要求[5]。②构造要求。抗震等级为一级时每侧纵向钢筋配筋率不宜大于1.2%;箍筋沿柱子全高加密,间距不应大于100mm,宜采用复合螺旋箍或井字复合箍,其体积配箍率在6～8°时不应小于1.2%,9°时不应小于1.5%;梁柱节点核芯区的体积配箍率不应小于上下柱端的较大值[5]。③超短柱。若剪跨比小于1.5,应采取专门措施,如采取增设交叉斜筋、外包钢板箍、设置型或将抗震薄弱层转移到相邻的一般楼层等。

图2 弯曲破坏

图4 粘结开裂破坏

3)节点 其破坏类型主要有节点区剪切破坏 (见图5)、节点区箍筋滑落 (见图6)和节点区锚固失效等。产生上述现象的原因是节点区破坏大多为抗剪不足、配箍不足和钢筋锚固失效等。在设计时可采取箍筋加密或箍筋构造技术 (如连续箍筋)等措施。

图5 节点剪切破坏

图6 节点区箍筋滑落

4)楼梯 其破坏类型主要有楼梯平台柱的短柱剪切破坏(见图7)、楼梯间墙体破坏 (见图8)、平台梁破坏 (见图9)、楼梯段断裂 (见图10)和楼梯端部的破坏 (见图11)等。产生上述现象的原因是在框架结构中,由于支撑效应使楼梯板承受较大的轴向力,地震时楼梯段处于交替的拉弯和压弯受力状态,当楼梯段的拉应力达到或超过混凝土材料的极限抗拉强度时,就会发生受拉破坏。楼梯间的平台梁由于上下梯段的剪刀作用而产生剪切、扭转破坏。另外,有些楼梯采用冷轧扭钢筋,其延性不够,在地震作用下钢筋脆断。

图7 梯平台柱破坏

图8 梯间墙体破坏

图9 梯段梁的破坏

在结构抗震设计中,历来把楼梯梯段作为非抗侧力结构处理。汶川地震中,发生了许多楼梯间破坏导致人员伤亡的事故,因而在楼梯设计时应注意以下几方面:①在进行结构整体计算分析时,建立的计算模型等应符合结构的实际工作状况,同时应考虑楼梯构件的影响[5]。②增设楼梯间的构造柱,即楼梯间4角、楼梯斜梯段上下端对应的墙体处和楼梯间对应的另一侧内横墙与外纵墙交接处 (二者取一)应设置构造柱。③顶层楼梯间墙体应沿墙高每隔500mm设2∅6通长钢筋和∅4分布短钢筋平面内点焊组成的拉结网片或∅4点焊网片;7～9°时其他各层楼梯间墙体应在休息平台或楼层半高处设置60mm厚、纵向钢筋不应少于2∅10的钢筋混凝土带或配筋砖带,配筋砖带不少于3皮,每皮的配筋不少于2∅6,砂浆强度等级不应低于M7.5且不低于同层墙体的砂浆强度等级[6]。

1.2 非承重结构震害分析

1)填充墙或围护结构 其破坏形式主要表现为出现斜向或交叉斜向剪切裂缝 (见图12)、水平或竖向墙体-框架界面裂缝和填充墙局部破坏或填充墙倒塌等。产生上述现象的原因是填充墙的砌块和砂浆的抗拉强度不高,其界面的粘结强度较低,使得砌体墙在地震作用下很容易开裂,严重时还会出现错位甚至倒塌[5]。在设计填充墙或围护结构时应注意以下几方面:①改进填充墙的构造措施。可以设置拉结钢筋、构造柱、水平系梁等,这样能够有效增强填充墙与主体结构的协调变形能力,避免填充墙的严重破坏。②强化基于性能的抗震设计。根据填充墙变形能力和经济承受能力,合理确定建筑抗震性能设计目标 (特别是变形设计目标),从而减轻填充墙等非结构构件在不同地震水平下的破坏程度。③钢筋混凝土结构中的砌体填充墙宜与柱脱开或采用柔性连接。填充墙应沿框架柱全高每隔500～600mm设2∅6拉筋,拉筋伸入墙内的长度,在6～7°时宜沿墙全长贯通,8～9°时应全长贯通。楼梯间和人流通道的填充墙应采用钢丝网砂浆面层加强。砌体的砂浆强度等级不应低于M5;实心块体的强度等级不宜低于MU2.5,空心块体的强度等级不宜低于MU3.5;墙顶应与框架梁密切结合。

图10 梯段板断裂

图11 梯段端部破坏

图12 交叉斜向剪切裂缝

2)出屋面结构 出屋面结构主要指电梯机房、水箱间、女儿墙、烟囱、设备间和其他设施等[6]。震害表明,出屋面结构在地震中破坏较为严重 (见图13～15)。产生上述现象的原因是屋面突出结构相对于下部主体结构有明显的刚度突变,在地震作用下,建筑物顶部受高阶振动影响,地震反应较大,造成屋面突出结构产生很大的受力集中和变形集中,极易造成较大的震害[7]。在设计出屋面结构时,依据文献 [8],应按规定乘以增大系数或作为质点直接参与计算,且突出屋顶的楼、电梯间的构造柱应伸到顶部并与顶部圈梁连接,所有墙体应沿墙高每隔500mm设2∅6通长钢筋和∅4分布短筋平面内点焊组成的拉结网片或∅4点焊网片。

图13 出屋面梯间墙体破坏

图14 出屋面梯间墙体破坏

图15 出屋面钟楼坠落

2 结 语

框架结构是工业与民用建筑常用的结构形式。在研究框架结构震害特点的基础上,对造成震害的原因进行分析,并结合 《建筑抗震设计规范》 (GB50011-2010)的修订,提出避免或减小震害的设计对策。笔者认为,框架结构的抗震设计首先必须重视结构体系与选型,然后再研究抗震构造措施,最后才能进行具体的抗震计算问题。在上述过程中,应始终贯彻 “强柱弱梁,强剪弱弯,强节点弱构件”的框架结构抗震设计理念[9]。此外,基于结构整体性的抗震设计 (如基于结构鲁棒性和防连续倒塌的抗震设计、基于结构控制 (隔震技术)的抗震设计和基于结构性能的抗震设计等)亟待进一步研究。

[1]任庆英,易红.汶川地震震害调查及对今后工程抗震的建议[J].建筑结构,2008,38(9):133-134.

[2]李乔,赵世春.汶川大地震工程震害分析 [M].成都:西南交通大学出版社,2008.

[3]周献祥.结构设计笔记 [M].北京:知识产权出版社,2008.

[4]杨杰.框架结构计算分析与设计实例 [M].北京:知识产权出版社,2008.

[5]GB50011-2001.建筑抗震设计规范[S].

[6]叶列平,曲哲,陆新征,等.建筑结构的抗倒塌能力-汶川地震建筑震害的教训[J].建筑结构学报,2008,29(4):42-50.

[7]杨佑发,袁政强,敬登虎.高层建筑结构抗震设计中鞭梢效应的分析 [J].世界地震工程,2004,20(1):85-89.

[8]GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].

[9]叶列平,曲哲,马千里,等.从汶川地震中框架结构震害谈“强柱弱梁”屈服机制的实现 [J].建筑结构,2008,38(1):52-59.