中小型地震对某收费站综合楼结构影响分析

杨 建 科

(山西钢铁建设(集团)有限公司，山西 太原　030003)

0　引言

近年来我国境内各级地震频繁发生，尤其是在2008年汶川地震之后，人们对地震的关注度空前提高。房屋倒塌是地震造成人员伤亡和财产损失的最主要的原因，因此增强建筑物结构的牢固性和抗震合理性，提高房屋建筑的抗破坏、抗倒塌能力，避免特大地震下房屋建筑整体垮塌及快速倒塌，是建筑结构抗震的核心课题，从而达到我国“小震不坏、中震可修、大震不倒”的房屋建筑抗震设防目标。

1　框架结构特点及主要震害特征

钢筋混凝土框架结构是由柱系构件与梁系构件通过刚性节点连接，形成的整体受力骨架，能够较好的承受竖向荷载，但其整体抗侧刚度较小，属柔性结构，抗侧能力储备弱于竖向承载能力，在地震横波的作用下，建筑物发生水平晃动，其震害一般重于框架—剪力墙结构和剪力墙结构。

框架结构的主要震害特征：

1)填充墙开裂、破坏、倒塌；2)框架柱剪切破坏；3)梁柱节点破坏；4)局部填充墙形成短柱剪切破坏；5)填充墙沿高度不连续造成结构实际层刚度突变，导致薄弱楼层破坏或倒塌；6)填充墙平面布置不均匀造成结构刚度偏心，导致结构扭转产生震害；7)同层框架柱抗侧刚度不等造成的破坏；8)柱端形成塑性铰，先于梁系构件形成破坏。

2　工程概况

某收费站综合楼为一栋长56.2 m，宽14.8 m，建筑总高度18.65 m，主体4层局部5层，平面呈矩形布局的钢筋混凝土框架单体建筑。2016年12月18日11时08分距该建筑约23 km处发生4.3级地震，震源深度5 km，建筑物所在区域震感明显。震后发现该建筑物轴线定位编号为B/4,C/4处的1层～4层钢筋混凝土框架柱抹灰层出现了多道斜向裂缝。

3　震害检测

根据震后出现的破坏情况，对轴线定位编号为B/4，C/4处的1层～4层共8根钢筋混凝土框架柱实体损坏情况进行检测。

3.1　检测内容

1)建筑结构体系调查；

2)受检柱构件损伤情况检测；

3)受检柱构件的钢筋定位、保护层及混凝土强度检测；

4)受检柱构件的变形检测。

3.2　建筑结构体系调查

某收费站综合楼为独栋单体建筑，主体结构形式为钢筋混凝土框架，楼屋盖均为现浇钢筋混凝土梁板体系，加气混凝土砌块填充墙体，基础形式为承台式独立基础，基础间设有双向基础连梁，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.02g，基础及柱网平面见图1。

3.3　构件损伤检测

3.3.1柱构件抹灰层损伤情况调查

根据构件抹灰层砂浆损伤情况，对裂缝进行编号、测量、统计，裂缝纵向最大尺寸1 570 mm，横向最大尺寸410 mm，最大宽度5.8 mm。其中轴线为裂缝发生集中区，见图2，图3。经现场观察、测量，发现所检柱构件抹灰层裂缝特点如下：

1)裂缝均为左低右高，呈45°～60°斜向开裂，开裂形式相同，走向趋同且指向明确。

2)裂缝周边砂浆抹灰层为空鼓、脱层状态。

3)单层柱构件中段抹灰层裂缝损伤大于两端。

4)底层柱构件抹灰层开裂情况较轻，中、高层柱抹灰层开裂严重。

3.3.2柱构件实体损伤检测

将抹灰层裂缝密集、开裂严重的区域作为结构实体检测重点，剔除柱构件表面受损抹灰层，按照抹灰层裂缝情况，在混凝土表面的相应位置进行编号。

现场采用20倍放大镜进行观察，柱构件实体未发生柱端部出胶、钢筋变形等典型震害现象，所暴露构件的混凝土表面未发现分层、裂缝、裂纹等损伤缺陷(如图4所示)。

3.4　受检柱构件的钢筋定位、保护层及混凝土强度检测

采用PS200钢筋扫描仪对柱类构件配筋状况及钢筋保护层厚度进行检测，受检测部位可测得的钢筋数量及间距满足设计文件要求，钢筋保护层厚度检验合格率为92.6%，检测结果符合GB 50204—2015混凝土结构施工质量验收规范附录E.0.5规定，符合设计文件要求。

3.5　受检柱构件变形检测

采用R-422NM全站仪对柱构件垂直度进行检测，该工程所检钢筋混凝土框架柱构件垂直度均未超出GB 50292—2015民用建筑可靠性鉴定标准中表7.3.10的限值要求(Hi/150=3 550/150=23.7 mm)；依据检测结果分析，所检构件未发生规律性倾斜，所产生位移应为施工偏差所致，见图5。

4　框架柱构件抹灰层裂缝成因

经对收费站综合楼轴线定位编号为B/4，C/4处的1层～4层钢筋混凝土框架柱进行现场检测，分析认为其抹灰层裂缝成因如下：

1)该建筑物所处位置距离4.3级浅源地震震中不足23 km，属强震感区，地震所产生能量衰减量小，足以引起建筑物构件弹性变形，该建筑物柱构件抹灰层开裂现象为地震发生后集中出现，事件关联性强。

2)地震横波的作用下，建筑物发生水平晃动，由梁、柱构件所构成的框架结构抗侧刚度较小，属柔性结构，水平力作用下，所产生的弯矩和整体的侧移显著增加，在一定范围内会产生弹性变形。

3)当建筑结构的刚度中心和质量中心不重合时，在水平荷载作用下，建筑物不能保持结构整体水平运动，而产生扭转变形。扭转效应作用下，钢筋混凝土框架柱所受横向剪切应力超过了抹灰层与混凝土框架柱构件之间的粘结强度，导致抹灰层空鼓剥离，同时也超过了抹灰层材料本身的抗拉强度，即造成抹灰层开裂。该建筑物本固有的刚度中心与质量中心一定时，在地震波短时间内反复作用下，导致抹灰层砂浆表面出现多条大致平行的斜向裂缝产生，且建筑中上部构件为变形集中区，震害受损情况表现最严重，构件抹灰层现场损伤情况与地震震害特征相符。

4)经现场实体检测而得，受检混凝土构件钢筋间距、保护层厚度、混凝土强度及柱构件垂直度检测结果均满足相关标准及设计文件要求，在地震作用下，框架结构发生弹性变形，结构表面抹灰层破坏，而钢筋混凝土框架柱实体并未发生震害损伤。

5　相关评估及建议

该钢筋混凝土框架结构在地震作用下所产生的扭转效应，造成局部柱结构抹灰层破坏，尚未造成柱结构实体损伤，因此判定所检钢筋混凝土柱构件承载力未受地震不利影响。同时反映出受检处的钢筋混凝土柱结构为整栋建筑中抗震薄弱区域，应在结构计算的基础上，增设抗震防线，采取有效的加固措施，抵抗高烈度地震对主体结构的破坏。相关建议如下：

1)满足框剪结构“强柱弱梁”的抗震原则，可采取加大柱截面、外包钢加固、碳纤维加固等方法增加混凝土柱刚度。

2)在混凝土柱结构侧面增加翼墙或设置剪力墙，增强刚度与原结构协同工作；或将局部填充墙砌体材料换为刚度较好的实心砖，承担地震时产生的部分水平荷载，防止承重柱构件的早期破坏。

3)也可采用先进的新型抗震技术，安装消能减震器等方法，增加对柱类承重结构的保护。

6　框架结构设计建议

框架结构在建筑空间使用上有较大的优势，但在地震作用下，同时承受建筑的竖向荷载和水平地震荷载，抗侧刚度不足，抗震防线有限，提高框架结构的抗震性能首先应从设计方案着手，除满足现行抗震规范外，还应注意以下几点：

1)充分考虑墙体因素。

建筑外墙等永久性墙体采用砖砌体等抗侧刚度大的材料，与框架柱结构协同工作，充分利用墙体刚度，使墙体成为第一道抗震防线；在楼梯间、卫生间等部位，局部设置剪力墙，增强抗侧储备，防止垮塌性破坏，还可以形成相对可靠的避难空间；采取构造措施，门、窗等洞口部位的框架柱双侧或多侧设置混凝土翼墙，增强抗变形能力，填充墙与框架间设置水平拉结钢筋，防止墙体倒塌造成伤害。

2)实现强柱弱梁的屈服机制。

适当增大框架柱的截面尺寸，提高框架柱的承载力安全储备，提高框架柱的最小配筋率，柱端加密区箍筋宜按规范要求取偏大值，梁端配筋量与楼板中钢筋一并考虑，采用静力弹塑性方法分析，确认是否能够实现强柱弱梁的屈服机制。

3)防止柱构件的剪切破坏。

应避免同层存在长短柱，当有短柱存在时，采用连续复合箍筋，增强抗剪储备，必要时对短柱采取外包钢管，防止震害破坏。同时应避免半填充墙对柱构件形成局部约束，形成短柱危害。

4)减少扭转效应的发生。

框架结构建筑平面布置要尽可能简单对称，建筑平面不规则的房屋地震横波极易造成建筑扭转效应，结构中受力不连续及薄弱部位受震影响较大，建筑布局时应充分考虑墙体的荷载分布，避免质量中心与刚度中心的偏差过大。

7　结语

本文针对钢筋混凝土框架结构受震案例进行了检测，分析了震害形成的主要原因，对结构的影响进行了评估，并提出了相应的抗震加固建议。近年来我国境内地震频发，尤其是2008年汶川、2010年玉树及今年发生的九寨沟7.0级地震有着深远的影响，带来了惨痛的教训，我们应该对房屋建筑抗震安全问题引起足够的重视，并采取相应的措施，将抗震防灾工作作为长期的重要工作，不断地吸取教训、总结经验，从建筑设计、施工技术、管理水平等方面做好灾前预防工作。