徐澤軍,董龍彬 (荊州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,湖北荊州434021)

地震對建筑結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,目前,運(yùn)用試驗(yàn)手段和仿真技術(shù)還不能確切地模擬地震對建筑的破壞作用[1],因而地震區(qū)建筑物的破壞狀況便成為探索地震破壞作用和結(jié)構(gòu)震害機(jī)理最直接和最全面的對象。因此,有必要在充分吸取地震經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)代技術(shù),在基本理論、計(jì)算方法和構(gòu)造措施等多方面,研究改進(jìn)建筑的抗震設(shè)計(jì)技術(shù),以進(jìn)一步提高房屋建筑的抗震可靠度。

1 框架結(jié)構(gòu)震害分析

1.1 主要承重結(jié)構(gòu)震害分析

1)梁 其震害特點(diǎn)是易發(fā)生梁端剪切破壞 (見圖1)。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是配箍不足,鋼筋節(jié)點(diǎn)錨固失效等。可以采取加密箍筋配置或增大箍筋強(qiáng)度等措施來保證其抗震能力,同時(shí)錨固的長度也應(yīng)符合規(guī)范要求。

圖1 梁端剪切破壞

2)柱 其破壞類型有彎曲破壞 (見圖2)、剪切破壞 (見圖3)和粘結(jié)破壞 (見圖4)等[2]。具體原因分析如下:①彎曲破壞。在水平荷載作用下,產(chǎn)生較大彎矩,破壞通常發(fā)生在柱頂或柱底截面。破壞時(shí)壓區(qū)混凝土壓碎、主筋壓屈。受拉鋼筋有時(shí)能達(dá)到屈服,有時(shí)則達(dá)不到屈服[3]。②剪切破壞。在荷載作用下,水平彎曲裂縫斜向發(fā)展,形成斜裂縫。當(dāng)箍筋配置較多時(shí),斜裂縫不會迅速開展,而是剪壓區(qū)混凝土在彎、剪的共同作用下壓碎,此時(shí)產(chǎn)生剪切受壓破壞[4];當(dāng)剪跨比較小且配箍率較低時(shí),在主筋受拉屈服后,隨著反復(fù)荷載的作用,會產(chǎn)生一條較寬大的斜裂縫,導(dǎo)致箍筋屈服、柱子剪壞,此時(shí)產(chǎn)生剪切受拉破壞;剪切斜拉破壞一般發(fā)生在短柱中,斜裂縫往往沿柱子對角出現(xiàn),箍筋達(dá)到屈服甚至被拉斷,柱子被剪壞。③粘結(jié)開裂破壞。其破壞類型有2種,即由于鋼筋錨固不足被拔出而破壞,另外柱子出現(xiàn)彎曲裂縫或剪切裂縫后,在反復(fù)荷載作用下,沿主筋出現(xiàn)粘結(jié)裂縫,使混凝土沿主筋酥裂脫落導(dǎo)致柱子破壞。

柱的抗震性能主要依賴于其延性,而影響框架柱延性的重要參數(shù)有剪跨比、軸壓比和剪壓比,因而進(jìn)行柱的抗震設(shè)計(jì)時(shí)必須重點(diǎn)考慮上述參數(shù)。例如設(shè)計(jì)短柱時(shí)應(yīng)注意以下幾方面:①截面驗(yàn)算。軸壓比限值應(yīng)比一般柱降低0.05,截面組合的剪力設(shè)計(jì)值應(yīng)滿足規(guī)范要求[5]。②構(gòu)造要求?？拐鸬燃墳橐患墪r(shí)每側(cè)縱向鋼筋配筋率不宜大于1.2%;箍筋沿柱子全高加密,間距不應(yīng)大于100mm,宜采用復(fù)合螺旋箍或井字復(fù)合箍,其體積配箍率在6～8°時(shí)不應(yīng)小于1.2%,9°時(shí)不應(yīng)小于1.5%;梁柱節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)的體積配箍率不應(yīng)小于上下柱端的較大值[5]。③超短柱。若剪跨比小于1.5,應(yīng)采取專門措施,如采取增設(shè)交叉斜筋、外包鋼板箍、設(shè)置型或?qū)⒖拐鸨∪鯇愚D(zhuǎn)移到相鄰的一般樓層等。

圖2 彎曲破壞

圖4 粘結(jié)開裂破壞

3)節(jié)點(diǎn) 其破壞類型主要有節(jié)點(diǎn)區(qū)剪切破壞 (見圖5)、節(jié)點(diǎn)區(qū)箍筋滑落 (見圖6)和節(jié)點(diǎn)區(qū)錨固失效等。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是節(jié)點(diǎn)區(qū)破壞大多為抗剪不足、配箍不足和鋼筋錨固失效等。在設(shè)計(jì)時(shí)可采取箍筋加密或箍筋構(gòu)造技術(shù) (如連續(xù)箍筋)等措施。

圖5 節(jié)點(diǎn)剪切破壞

圖6 節(jié)點(diǎn)區(qū)箍筋滑落

4)樓梯 其破壞類型主要有樓梯平臺柱的短柱剪切破壞(見圖7)、樓梯間墻體破壞 (見圖8)、平臺梁破壞 (見圖9)、樓梯段斷裂 (見圖10)和樓梯端部的破壞 (見圖11)等。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是在框架結(jié)構(gòu)中,由于支撐效應(yīng)使樓梯板承受較大的軸向力,地震時(shí)樓梯段處于交替的拉彎和壓彎受力狀態(tài),當(dāng)樓梯段的拉應(yīng)力達(dá)到或超過混凝土材料的極限抗拉強(qiáng)度時(shí),就會發(fā)生受拉破壞。樓梯間的平臺梁由于上下梯段的剪刀作用而產(chǎn)生剪切、扭轉(zhuǎn)破壞。另外,有些樓梯采用冷軋扭鋼筋,其延性不夠,在地震作用下鋼筋脆斷。

圖7 梯平臺柱破壞

圖8 梯間墻體破壞

圖9 梯段梁的破壞

在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中,歷來把樓梯梯段作為非抗側(cè)力結(jié)構(gòu)處理。汶川地震中,發(fā)生了許多樓梯間破壞導(dǎo)致人員傷亡的事故,因而在樓梯設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾方面:①在進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析時(shí),建立的計(jì)算模型等應(yīng)符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況,同時(shí)應(yīng)考慮樓梯構(gòu)件的影響[5]。②增設(shè)樓梯間的構(gòu)造柱,即樓梯間4角、樓梯斜梯段上下端對應(yīng)的墻體處和樓梯間對應(yīng)的另一側(cè)內(nèi)橫墻與外縱墻交接處 (二者取一)應(yīng)設(shè)置構(gòu)造柱。③頂層樓梯間墻體應(yīng)沿墻高每隔500mm設(shè)2?6通長鋼筋和?4分布短鋼筋平面內(nèi)點(diǎn)焊組成的拉結(jié)網(wǎng)片或?4點(diǎn)焊網(wǎng)片;7～9°時(shí)其他各層樓梯間墻體應(yīng)在休息平臺或樓層半高處設(shè)置60mm厚、縱向鋼筋不應(yīng)少于2?10的鋼筋混凝土帶或配筋磚帶,配筋磚帶不少于3皮,每皮的配筋不少于2?6,砂漿強(qiáng)度等級不應(yīng)低于M7.5且不低于同層墻體的砂漿強(qiáng)度等級[6]。

1.2 非承重結(jié)構(gòu)震害分析

1)填充墻或圍護(hù)結(jié)構(gòu) 其破壞形式主要表現(xiàn)為出現(xiàn)斜向或交叉斜向剪切裂縫 (見圖12)、水平或豎向墻體-框架界面裂縫和填充墻局部破壞或填充墻倒塌等。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是填充墻的砌塊和砂漿的抗拉強(qiáng)度不高,其界面的粘結(jié)強(qiáng)度較低,使得砌體墻在地震作用下很容易開裂,嚴(yán)重時(shí)還會出現(xiàn)錯(cuò)位甚至倒塌[5]。在設(shè)計(jì)填充墻或圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)注意以下幾方面:①改進(jìn)填充墻的構(gòu)造措施。可以設(shè)置拉結(jié)鋼筋、構(gòu)造柱、水平系梁等,這樣能夠有效增強(qiáng)填充墻與主體結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)變形能力,避免填充墻的嚴(yán)重破壞。②強(qiáng)化基于性能的抗震設(shè)計(jì)。根據(jù)填充墻變形能力和經(jīng)濟(jì)承受能力,合理確定建筑抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo) (特別是變形設(shè)計(jì)目標(biāo)),從而減輕填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同地震水平下的破壞程度。③鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的砌體填充墻宜與柱脫開或采用柔性連接。填充墻應(yīng)沿框架柱全高每隔500～600mm設(shè)2?6拉筋,拉筋伸入墻內(nèi)的長度,在6～7°時(shí)宜沿墻全長貫通,8～9°時(shí)應(yīng)全長貫通。樓梯間和人流通道的填充墻應(yīng)采用鋼絲網(wǎng)砂漿面層加強(qiáng)。砌體的砂漿強(qiáng)度等級不應(yīng)低于M5;實(shí)心塊體的強(qiáng)度等級不宜低于MU2.5,空心塊體的強(qiáng)度等級不宜低于MU3.5;墻頂應(yīng)與框架梁密切結(jié)合。

圖10 梯段板斷裂

圖11 梯段端部破壞

圖12 交叉斜向剪切裂縫

2)出屋面結(jié)構(gòu) 出屋面結(jié)構(gòu)主要指電梯機(jī)房、水箱間、女兒墻、煙囪、設(shè)備間和其他設(shè)施等[6]。震害表明,出屋面結(jié)構(gòu)在地震中破壞較為嚴(yán)重 (見圖13～15)。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是屋面突出結(jié)構(gòu)相對于下部主體結(jié)構(gòu)有明顯的剛度突變,在地震作用下,建筑物頂部受高階振動影響,地震反應(yīng)較大,造成屋面突出結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的受力集中和變形集中,極易造成較大的震害[7]。在設(shè)計(jì)出屋面結(jié)構(gòu)時(shí),依據(jù)文獻(xiàn) [8],應(yīng)按規(guī)定乘以增大系數(shù)或作為質(zhì)點(diǎn)直接參與計(jì)算,且突出屋頂?shù)臉?、電梯間的構(gòu)造柱應(yīng)伸到頂部并與頂部圈梁連接,所有墻體應(yīng)沿墻高每隔500mm設(shè)2?6通長鋼筋和?4分布短筋平面內(nèi)點(diǎn)焊組成的拉結(jié)網(wǎng)片或?4點(diǎn)焊網(wǎng)片。

圖13 出屋面梯間墻體破壞

圖14 出屋面梯間墻體破壞

圖15 出屋面鐘樓墜落

2 結(jié) 語

框架結(jié)構(gòu)是工業(yè)與民用建筑常用的結(jié)構(gòu)形式。在研究框架結(jié)構(gòu)震害特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,對造成震害的原因進(jìn)行分析,并結(jié)合 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 (GB50011-2010)的修訂,提出避免或減小震害的設(shè)計(jì)對策。筆者認(rèn)為,框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)首先必須重視結(jié)構(gòu)體系與選型,然后再研究抗震構(gòu)造措施,最后才能進(jìn)行具體的抗震計(jì)算問題。在上述過程中,應(yīng)始終貫徹 “強(qiáng)柱弱梁,強(qiáng)剪弱彎,強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理念[9]。此外,基于結(jié)構(gòu)整體性的抗震設(shè)計(jì) (如基于結(jié)構(gòu)魯棒性和防連續(xù)倒塌的抗震設(shè)計(jì)、基于結(jié)構(gòu)控制 (隔震技術(shù))的抗震設(shè)計(jì)和基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)等)亟待進(jìn)一步研究。

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[8]GB50011-2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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