徐建平 嚴(yán)建烽

摘要:地震區(qū)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)防與不設(shè)防,震后結(jié)果大不一樣。要使工程建設(shè)真正達(dá)到能夠減輕以至避免地震災(zāi)害,把握好抗震設(shè)計(jì)關(guān)是減輕地震災(zāi)害的根本措施。文章根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和對(duì)有關(guān)資料的總結(jié),對(duì)多層及高層鋼筋混凝土房屋的抗震設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了研究和探討。

關(guān)鍵詞:多層建筑;高層建筑;混凝土房屋;抗震設(shè)計(jì);抗震設(shè)防

中圖分類號(hào):TU311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)20-0140-02

地震是人類在繁衍生息、社會(huì)發(fā)展過(guò)程中遇到的一種可怕的自然災(zāi)害。強(qiáng)烈地震常常以其猝不及防的突發(fā)性和巨大的破壞力給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人類生存安全和社會(huì)穩(wěn)定、社會(huì)功能帶來(lái)嚴(yán)重的危害。據(jù)統(tǒng)計(jì),歷史上各種自然災(zāi)害曾毀滅了世界各地52個(gè)城市,其中因地震而毀滅的城市有27個(gè)。地震之外的其它各種災(zāi)害,如水災(zāi)、火災(zāi)、火山噴發(fā)、風(fēng)災(zāi)、沙災(zāi)、旱災(zāi)等毀滅的城市為25座。因此,地震占災(zāi)害總數(shù)的52%。可見(jiàn)地震災(zāi)害確系“群害之首”。研究表明,在地震中造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失最主要的因素就是房屋倒塌及其引發(fā)的次生災(zāi)害(約占95%)。無(wú)數(shù)次的震害告訴我們,抗震設(shè)防是防御和減輕地震災(zāi)害最有效、最根本的措施。

另一方面,我國(guó)作為發(fā)展中國(guó)家,人口稠密,建筑物抗震能力低。因此,我國(guó)的地震災(zāi)害可謂全球之最。上個(gè)世紀(jì),全球因地震而死亡的人數(shù)為110萬(wàn)人,其中我國(guó)就占55萬(wàn)人之多,為全球的一半。因此,粗略地說(shuō),我國(guó)的國(guó)土面積占全球的1/14,人口占1/4,地震占1/3,地震災(zāi)害占1/2。因此,建筑物的抗震設(shè)防問(wèn)題是我國(guó)減輕自然災(zāi)害、保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)持續(xù)發(fā)展,特別是保障人民群眾生命安全的一個(gè)重要問(wèn)題。

一、震害多發(fā)點(diǎn)

地震作用具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和復(fù)雜性,要求在強(qiáng)烈地震作用下結(jié)構(gòu)仍保持在彈性狀態(tài),不發(fā)生破壞是很不實(shí)際的;既經(jīng)濟(jì)又安全的抗震設(shè)計(jì)是允許在強(qiáng)烈地震作用下破壞嚴(yán)重,但不倒塌。因此,依靠彈塑性變形消耗地震的能量是抗震設(shè)計(jì)的特點(diǎn),提高結(jié)構(gòu)的變形、耗能能力和整體抗震能力,防止高于設(shè)防烈度的“大震”不倒是抗震設(shè)計(jì)要達(dá)到的目標(biāo)。

(一)結(jié)構(gòu)層間屈服強(qiáng)度有明顯的薄弱樓層

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在整體設(shè)計(jì)上存在較大的不均勻性,使得這些結(jié)構(gòu)存在著層間屈服強(qiáng)度特別薄弱的樓層。在強(qiáng)烈地震作用下,結(jié)構(gòu)的薄弱層率先屈服,彈塑性變形急劇發(fā)展,并形成彈塑性變形集中的現(xiàn)象。如1976年唐山大地震中,13層蒸吸塔框架,由于該結(jié)構(gòu)樓層屈服強(qiáng)度分布不均勻,造成第6層和第11層的彈塑性變形集中,導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)6層以上全部倒塌。

(二)柱端與節(jié)點(diǎn)的破壞較為突出

框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件震害一般是梁輕柱重,柱頂重于柱底,尤其是角杜和邊柱易發(fā)生破壞。除剪跨比小的短柱易發(fā)生柱中剪切破壞外,一般柱是柱端的彎曲破壞,輕者發(fā)生水平或斜向斷裂;重者混凝土壓酥,主筋外露、壓屈和箍筋崩脫。當(dāng)節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)無(wú)箍筋約束時(shí),節(jié)點(diǎn)與柱端破壞合并加重。當(dāng)柱側(cè)有強(qiáng)度高的砌體填充墻緊密嵌砌時(shí),柱頂剪切破壞嚴(yán)重,破壞部位還可能轉(zhuǎn)移至窗洞上下處,甚至出現(xiàn)短柱的剪切破壞。

(三)砌體填充墻的破壞較為普遍

砌體填充墻剛度大而變形能力差,首先承受地震作用而遭受破壞,在8度和8度以上地震作用下,填充墻的裂縫明顯加重,甚至部分倒塌,震害規(guī)律一般是上輕下重,空心砌體墻重于實(shí)心砌體墻,砌塊墻重于磚墻。

二、抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

較合理的框架地震破壞機(jī)制,應(yīng)該是節(jié)點(diǎn)基本不破壞,梁比柱屈服可能早發(fā)生、多發(fā)生,同一層中各柱兩端的屈服歷程越長(zhǎng)越好,底層柱底的塑性鉸宜最晚形成。即:框架的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)使梁、柱端的塑性鉸出現(xiàn)盡可能分散,充分發(fā)揮整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震能力。

(一)抗震計(jì)算中的延性保證

從用樓層水平地震剪力與層間位移關(guān)系來(lái)描述樓層破壞的全過(guò)程可反映出,在抗震設(shè)防的第二、三水準(zhǔn)時(shí),框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件已進(jìn)入彈塑性階段,構(gòu)件在保持一定承載力條件下主要以彈塑性變形來(lái)耗散地震能量,所以框架結(jié)構(gòu)需有足夠的變形能力才不致抗震失效。試驗(yàn)研究表明,“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”、“強(qiáng)柱弱梁、“強(qiáng)底層柱底”和“強(qiáng)剪弱彎”的框架結(jié)構(gòu)有較大的內(nèi)力重分布和能量消耗能力,極限層間位移大,抗震性能較好。規(guī)范通過(guò)構(gòu)件承載力調(diào)整辦法在一定程度上可以體現(xiàn)上述的強(qiáng)弱要求,且考慮了設(shè)計(jì)者的使用方便,采用地震組合內(nèi)力的抗震承載力驗(yàn)算表達(dá)式,只是要對(duì)地震組合內(nèi)力的設(shè)計(jì)值按有關(guān)公式進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

綜合大量實(shí)驗(yàn)研究成果,影響不同受力特征節(jié)點(diǎn)延性性質(zhì)的主要綜合因素有:相對(duì)作用剪力、相對(duì)配筋率、貫穿節(jié)點(diǎn)的梁柱縱筋的粘結(jié)情況。

(二)構(gòu)造措施上的延性保證

四川大地震實(shí)踐證明,當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)在大地震中要求保持足夠的承載能力來(lái)吸收進(jìn)入塑性階段而產(chǎn)生的巨大能量,因?yàn)榇藭r(shí)的結(jié)構(gòu)在震中進(jìn)入到一個(gè)塑性階段,容易產(chǎn)生變形。所以,根據(jù)這種特點(diǎn)和抗震的要求,多發(fā)地震的國(guó)家鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)均要求按延性框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),所以建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須保證結(jié)構(gòu)局部薄弱區(qū)的承載力與剛度,保證了建筑構(gòu)造的整體性,延性的增加也就提高了變形能力,這樣可以減少地震的破壞性,提高了建筑的抗震能力。

在結(jié)構(gòu)布置上,按擴(kuò)大了的柱端抗彎承載力進(jìn)行設(shè)計(jì),理論上可將柱屈服的可能性減少,保證“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)原則。但因各種原因,如梁的實(shí)際抗彎承載力可能增大,高振型使柱中反彎點(diǎn)的轉(zhuǎn)移等綜合因素影響,要使柱中完全避免塑性鉸是困難的,同時(shí)為實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)剪弱彎”的要求,保證塑性鉸區(qū)域的局部延性,也必須通過(guò)一定的構(gòu)造措施來(lái)保證結(jié)構(gòu)的延性,具體做法如下:

1.限制軸壓比與縱筋最大配筋率合理的受力過(guò)程可明顯提高構(gòu)件延性,為實(shí)現(xiàn)受拉鋼筋的屈服先與受壓區(qū)混凝土壓碎的破壞形態(tài),以提高塑性鉸區(qū)域的轉(zhuǎn)動(dòng)能力,規(guī)范限制軸壓比與縱筋最大配筋率,同時(shí)對(duì)混凝土受壓區(qū)高度也提出相應(yīng)要求。

2.限制約束配筋和配筋形式。加密塑性鉸區(qū)內(nèi)的箍筋間距是很重要的一點(diǎn),為保證“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”、“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)底層柱底”和“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)原則及塑性鉸區(qū)域的局部延性,有必要加密塑性鉸區(qū)內(nèi)的箍筋間距,這不但可提高柱端抗剪能力,還可約束核心區(qū)內(nèi)混凝土,對(duì)縱向鋼筋提供側(cè)向支承,防止大變形下縱筋壓曲,從而改善塑性鉸區(qū)域的局部延性。規(guī)范對(duì)約束區(qū)縱筋的最小直徑、最大間距、塑性鉸區(qū)域的最小長(zhǎng)度等做出了詳細(xì)的規(guī)定,并對(duì)箍筋肢距及箍筋形式提出了相應(yīng)要求。

隨著工程應(yīng)用中箍筋強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度不斷提高,對(duì)塑性鉸區(qū)域內(nèi)箍筋布置的要求是抗震構(gòu)造措施的一個(gè)重要方面,這一情況將導(dǎo)致高強(qiáng)度混凝土中約束箍筋配筋率的減少而降低結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可靠度,建議以配筋特征值代替原體積配筋率,同時(shí)鑒于約束配筋對(duì)柱端塑性鉸區(qū)的良好約束作用,建議適當(dāng)增大配筋量。

3.限制材料。拒絕豆腐渣工程的第一關(guān)就是把握好材料質(zhì)量,材料延性對(duì)確保構(gòu)件(結(jié)構(gòu))延性極為重要,為此規(guī)范對(duì)材料也提出了相應(yīng)的限制,如保證鋼筋強(qiáng)屈比、延伸率及混凝土強(qiáng)度等級(jí)等,同時(shí)對(duì)施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的鋼筋代換也提出了相應(yīng)的限制。

三、結(jié)語(yǔ)

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是我國(guó)大量存在的建筑結(jié)構(gòu)形式之一,歷年震害資料表明:鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的柱端與節(jié)點(diǎn)的破壞較為嚴(yán)重,其抗震設(shè)計(jì)中必須滿足“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”、“強(qiáng)底層柱底”等延性設(shè)計(jì)原則和有關(guān)規(guī)定。在多層及高層鋼筋混凝土房屋抗震設(shè)計(jì)的實(shí)踐中,由于設(shè)計(jì)人員對(duì)規(guī)范的理解和掌握尺度上,以及因地因人在結(jié)構(gòu)選型、布置以及計(jì)算方法上相互差異較多而對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)生較多的爭(zhēng)議,抗震設(shè)計(jì)方法值得深入研究。

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作者簡(jiǎn)價(jià):徐建平(1971-),男,浙江上虞人,浙江舜杰建筑集團(tuán)股份有限公司工程師,研究方向:多層及高層鋼筋混凝土房屋抗震設(shè)計(jì)。