王 芳

2008年5·12汶川大地震中,在地震區(qū)各個(gè)不同時(shí)期建造的各類(lèi)房屋建筑和工程設(shè)施經(jīng)受了考驗(yàn)。震害調(diào)查表明,經(jīng)過(guò)抗震設(shè)防,特別是在1990年后設(shè)計(jì)建造的建筑表現(xiàn)良好,即使在極震區(qū)實(shí)際烈度高出抗震設(shè)防烈度3度～4度(地震動(dòng)強(qiáng)度超出預(yù)計(jì)的10倍)的情況下,除了極個(gè)別建筑物外,絕大多數(shù)建筑受到中等至嚴(yán)重破壞,但不倒塌,達(dá)到了“小震不壞,中震可修,大震不倒”的三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo);而在“89規(guī)范”之前的建筑物多數(shù)遭受?chē)?yán)重破壞,直至倒塌。因此,認(rèn)真研究震害特征,總結(jié)經(jīng)驗(yàn),對(duì)于建造更為耐震的建筑結(jié)構(gòu)具有重要意義。本文通過(guò)汶川地震建筑震害,對(duì)照抗震概念設(shè)計(jì)的“多道防線(xiàn)”“樓梯間”“強(qiáng)柱弱梁”等要求得到一些啟示。

1 多道抗震防線(xiàn)問(wèn)題

這是抗震設(shè)計(jì)非常重要的一個(gè)基本概念,結(jié)構(gòu)必須有多道抗震防線(xiàn),即要有一定數(shù)量的冗余度。

單跨框架兩根柱子一根梁,是最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式。用于教學(xué)樓可以?xún)蛇呁L(fēng)采光,加個(gè)懸挑外廊可以讓孩子們進(jìn)行戶(hù)外活動(dòng),所以常見(jiàn)于中小學(xué)教室。但是這種結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有多道防線(xiàn),一根柱子破壞,框架馬上倒塌。汶川地區(qū)中小學(xué)很多這種教學(xué)樓在地震中破壞嚴(yán)重,甚至全部倒塌,可能與此有關(guān);而有些教學(xué)樓的外廊改懸挑為柱子支承,單跨框架變?yōu)殡p跨,情況就好得多。

砌體結(jié)構(gòu)的構(gòu)造柱、圈梁除作為砌體的約束構(gòu)件以提高墻體延性之外,也可視為第二道防線(xiàn),在“大震”作用下,砌體墻可能?chē)?yán)重破壞,但是由于構(gòu)造柱和圈梁的存在,結(jié)構(gòu)不會(huì)倒塌。

由于意識(shí)到多道防線(xiàn)的重要性,日本的許多學(xué)校建筑普遍采用設(shè)置鋼或鋼筋混凝土支撐的方式,這樣做并不會(huì)影響教室采光和建筑外觀(guān)。

2 防震縫問(wèn)題

從汶川地震后拍攝的很多照片中可以看到不少樓房在防震縫處相互碰撞的痕跡。主要原因歸結(jié)有三方面:1)設(shè)計(jì)預(yù)留的縫寬不能滿(mǎn)足地震發(fā)生時(shí)建筑物的搖擺幅度,發(fā)生了碰撞。這種情況不一定設(shè)計(jì)預(yù)留縫寬不滿(mǎn)足規(guī)范要求,所以設(shè)計(jì)時(shí)建筑平、立面布置應(yīng)盡可能規(guī)則,盡量避免采用防震縫。2)防震縫處的構(gòu)造處理不當(dāng),主體結(jié)構(gòu)留了縫,但外裝飾沒(méi)有留縫,并采用了不可壓縮材料,碰撞后面磚脫落。3)在施工中,澆搗混凝土后的防震縫兩側(cè)的模板沒(méi)有拆除,或留下許多雜物堵塞,結(jié)果等于沒(méi)留縫。

3 樓梯間問(wèn)題

對(duì)于砌體結(jié)構(gòu),由于樓梯間的山墻較高,梯段構(gòu)件側(cè)向剛度較大,而且交叉布置,樓梯休息平臺(tái)與樓層錯(cuò)層,地震時(shí)最容易破壞。在橫向地震作用下,樓板與休息平臺(tái)板之間,水平力形成力偶,使梯段往復(fù)受拉,梯段受拉彎破壞,休息平臺(tái)梁被剪壞;在縱向地震作用下,由于梯段的側(cè)向剛度很大,地震力集中,作用于樓梯間山墻,導(dǎo)致山墻破壞,甚至倒塌。樓梯間作為人員疏散通道,發(fā)生緊急情況時(shí),大量人員集中在此,如果在地震時(shí)破壞,極有可能造成傷亡,也使救援工作無(wú)法順利進(jìn)行。所以有四個(gè)問(wèn)題值得注意,特別是學(xué)校建筑:1)有必要另設(shè)室外的疏散樓梯,以便室內(nèi)樓梯間破壞時(shí)有第二個(gè)逃生通道,室外疏散樓梯跟主體結(jié)構(gòu)最好脫開(kāi),基本是獨(dú)立的結(jié)構(gòu),有自己的支撐體系;2)樓梯間的設(shè)計(jì)要考慮踏步板的剛度和休息平臺(tái)與樓板的錯(cuò)層;3)樓、電梯間四角,錯(cuò)層部位橫墻與外縱墻交接處要設(shè)置構(gòu)造柱,樓梯段上下端對(duì)應(yīng)墻體處設(shè)四根構(gòu)造柱;4)頂層樓梯間橫墻和外墻應(yīng)沿墻高每隔500 mm設(shè)2Φ6通長(zhǎng)鋼筋;凸出屋面的樓、電梯間,構(gòu)造柱應(yīng)伸到頂部,并與頂部圈梁連接,內(nèi)外墻交接處應(yīng)沿墻高每隔500 mm設(shè)2Φ 6通長(zhǎng)拉結(jié)鋼筋。實(shí)際上樓梯踏步板的剛度非常大,在地震中吸收的能量大,也將首先破壞;休息平臺(tái)的錯(cuò)層極容易引起墻體倒塌。在抗震驗(yàn)算時(shí)應(yīng)建立適當(dāng)?shù)牧W(xué)模型,參與結(jié)構(gòu)整體計(jì)算,在構(gòu)造方面,應(yīng)特別加強(qiáng)。

4 強(qiáng)柱弱梁?jiǎn)栴}

由于地震作用的復(fù)雜性、現(xiàn)澆樓板的影響和鋼筋屈服時(shí)的超強(qiáng)等因素的影響,難以通過(guò)精確的計(jì)算實(shí)現(xiàn)。因此,規(guī)范采用增大柱端彎矩設(shè)計(jì)值的方法,對(duì)“強(qiáng)柱弱梁”設(shè)計(jì)作了以下規(guī)定:二級(jí)和三級(jí)框架結(jié)構(gòu)應(yīng)符合:

一級(jí)框架結(jié)構(gòu)及9度時(shí)應(yīng)符合:

其中,∑Mc為框架節(jié)點(diǎn)上下柱端截面彎矩設(shè)計(jì)值之和;∑Mb為框架節(jié)點(diǎn)左右梁端截面彎矩設(shè)計(jì)值之和;∑Mbua為框架節(jié)點(diǎn)左右梁端截面實(shí)配鋼筋所對(duì)應(yīng)的彎矩設(shè)計(jì)值;ηc為柱端彎矩增大系數(shù)。

由于在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,許多因素未在式(1)中得到充分反映或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員沒(méi)有充分考慮,汶川地震中框架結(jié)構(gòu)大多未能實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”屈服機(jī)制的設(shè)計(jì)目的,歸結(jié)主要有以下幾方面原因:

1)樓板對(duì)框架梁的承載力和剛度增大的影響。樓板與框架梁整澆,兩者結(jié)合良好,共同工作能力強(qiáng)。梁端承受正彎矩時(shí),樓板和框架梁共同組成T形截面,增加了框架梁的受壓區(qū)寬度;梁端承受負(fù)彎矩時(shí),樓板內(nèi)配筋相當(dāng)于增加了框架梁的負(fù)彎矩筋。目前,我國(guó)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些實(shí)際做法是,在考慮樓板對(duì)框架梁抗彎剛度提高方面,一般將中梁和邊梁的剛度按原框架梁矩形截面剛度乘2.0或1.5。這樣,由結(jié)構(gòu)分析得到梁端彎矩比按矩形截面梁的分析結(jié)果有所增大,但相應(yīng)梁端抗彎縱筋仍全部配置在梁矩形截面內(nèi),同時(shí)樓板仍按自身受力考慮另外在樓板中配筋,且按式(1)計(jì)算“強(qiáng)柱弱梁”時(shí),通常不考慮樓板內(nèi)與梁平行的鋼筋。2)框架梁跨度和荷載過(guò)大使梁截面尺寸增大?？蚣芰嚎缍群秃奢d過(guò)大,會(huì)使梁截面尺寸增大,因此使框架結(jié)構(gòu)形成強(qiáng)柱弱梁,框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形模式更接近純層剪切型,再加上框架梁為滿(mǎn)足大跨度和大荷載下的承載力要求,往往無(wú)法滿(mǎn)足式(1),因此極易形成層屈服機(jī)制,造成坍塌。3)梁端超配筋和鋼筋實(shí)際強(qiáng)度超強(qiáng)。在強(qiáng)震作用下,框架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的條件是,梁柱節(jié)點(diǎn)處柱端實(shí)際受彎承載力之和 ∑Mcua大于梁端實(shí)際受彎承載力之和 ∑Mbua。對(duì)一般情況下的二、三級(jí)框架,規(guī)范為簡(jiǎn)化計(jì)算,用設(shè)計(jì)彎矩代替實(shí)際受彎承載力,按式(1)計(jì)算“強(qiáng)柱弱梁”。但由于各種因素導(dǎo)致梁端實(shí)際抗彎承載力 ∑Mbua大于式(1)的設(shè)計(jì)彎矩 ∑Mb,造成不能滿(mǎn)足實(shí)際“強(qiáng)柱弱梁”的條件。因此,式(1)的應(yīng)用前提為梁端實(shí)配鋼筋不能超配過(guò)多。4)柱軸壓比接近限值,柱截面尺寸偏小。汶川地震中,框架結(jié)構(gòu)的柱子大多看上去太細(xì),以至于框架柱極易出鉸,甚至發(fā)生折斷。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因是,由于業(yè)主和建筑師總是希望柱子越小越好,因此框架柱截面尺寸往往都是緊扣軸壓比限值,柱子延性差,地震的直接結(jié)果是柱頭壓碎和底層柱壓塌、上部樓層墜落。5)柱子最小配箍率偏小。與美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ACI相比,我國(guó)的混凝土配筋率水平偏低?？蚣苤?jié)點(diǎn)配箍率:ρminACI/ρminGB≈1.6。市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)經(jīng)常要求設(shè)計(jì)采用低含鋼率,導(dǎo)致很多建筑都只能滿(mǎn)足規(guī)范各項(xiàng)最低標(biāo)準(zhǔn),將各項(xiàng)最低標(biāo)準(zhǔn)疊加,必然會(huì)降低結(jié)構(gòu)安全度,這樣的建筑物要抵抗地震作用是會(huì)出現(xiàn)能力不足的可能性。

5 填充墻的問(wèn)題

汶川地震震害顯示,填充墻破壞比較嚴(yán)重,砌筑墻倒塌會(huì)傷人,剛度較大的填充墻會(huì)加大地震作用,填充墻布置不當(dāng)還造成了框架主體結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。所以震害讓我們深思,填充墻與主體結(jié)構(gòu)之間的連接構(gòu)造是要強(qiáng)連接還是弱連接,采用強(qiáng)連接,有利的一面在于能夠起到耗能的作用,不利的一面是目前還沒(méi)有清楚這兩種剛度之間的關(guān)系,墻體剛度較大時(shí)可能對(duì)主體結(jié)構(gòu)造成破壞,自身破壞也嚴(yán)重。如采用弱連接,可以減小填充墻對(duì)主體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的影響,但自身穩(wěn)定所需的連接構(gòu)造比較復(fù)雜,會(huì)增加施工費(fèi)用和施工難度。

6 結(jié)語(yǔ)

一幢抗震性能優(yōu)良的建筑除了進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)計(jì)算之外,更為重要的是概念設(shè)計(jì)。對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),抗震概念的準(zhǔn)確把握要比會(huì)用軟件要求高得多。

汶川地震震害分析結(jié)果表明,只要嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)計(jì),保障施工質(zhì)量,房屋建筑就能達(dá)到“小震不壞,中震可修,大震不倒”的三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)。

[1] GB 50011-2001,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2008版)[S].

[2] 田 華.淺談建筑抗震鑒定加固[J].山西建筑,2008,34(19):56-57.