李學(xué)進(jìn)

2008年5月12日，我國四川省汶川縣發(fā)生8.0級(jí)特大地震，震中烈度11度，當(dāng)?shù)亟ㄖ馐車?yán)重破壞并造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。震后，大量的科研工作者及一線設(shè)計(jì)人員多次深入地震災(zāi)區(qū)，開展震害調(diào)查及震后修復(fù)工作。并結(jié)合地震災(zāi)害情況，對(duì)我國現(xiàn)行的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行了完善，為日后的工程設(shè)計(jì)提供更可靠的安全保障。

從本次震害的整體情況來看，經(jīng)過抗震設(shè)防，特別是在1990年后設(shè)計(jì)建造的建筑整體表現(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，仍有較多建筑雖受到中等至嚴(yán)重破壞，但未倒塌，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)［4］。

1 框架結(jié)構(gòu)典型震害實(shí)例

1)柱的破壞。柱是框架結(jié)構(gòu)的豎向主受力構(gòu)件，柱的破壞將直接導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。設(shè)計(jì)中對(duì)柱進(jìn)行必要加強(qiáng)，使梁柱結(jié)構(gòu)形成強(qiáng)柱弱梁，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須重視的一個(gè)基本概念。從震害情況來看，抗震設(shè)計(jì)要求鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的“梁鉸機(jī)制”沒有出現(xiàn)，而是出現(xiàn)了大量的“柱鉸”。

如圖1所示為映秀鎮(zhèn)漩口中學(xué)教學(xué)樓倒塌后的情形［1］，框架底層柱端已經(jīng)形成彎曲塑性鉸，不能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的要求，反而形成強(qiáng)梁弱柱，使塑性鉸出現(xiàn)在柱上，從而失去豎向承載能力，整個(gè)教學(xué)樓倒塌。如圖2所示為該教學(xué)樓中的某剪切破壞的框架柱，顯然因樓梯平臺(tái)使該框架柱形成短柱，且箍筋不足，在復(fù)雜的地震力作用下，最終使柱受剪破壞。

2)梁的破壞。梁是結(jié)構(gòu)水平承力構(gòu)件，板上的荷載通過梁傳遞給柱，一旦梁破壞，樓板將遭到破壞而退出工作。圖3是位于映秀鎮(zhèn)泯江右岸的某六層框架結(jié)構(gòu)，在地震中遭到嚴(yán)重破壞，未發(fā)生倒塌。圖4顯示其中一根梁的剪切破壞形態(tài)，圖5顯示樓梯間平臺(tái)梁發(fā)生了嚴(yán)重的剪切破壞。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地震對(duì)樓梯間的破壞相對(duì)較重。樓梯間作為地震疏散的通道，一旦發(fā)生破壞，人員疏散幾乎不能實(shí)現(xiàn)。樓梯間在地震時(shí)，受力比較復(fù)雜，作為設(shè)計(jì)人員，必須清楚樓梯間在地震中的重要性，適當(dāng)加強(qiáng)樓梯間的構(gòu)造措施。新版規(guī)范也對(duì)樓梯間構(gòu)造要求進(jìn)一步加強(qiáng)。

3)節(jié)點(diǎn)破壞。經(jīng)過對(duì)震害的分析發(fā)現(xiàn)，在框架結(jié)構(gòu)的破壞形式中，節(jié)點(diǎn)的破壞是非常嚴(yán)重的。圖6，圖7是映秀鎮(zhèn)泯江左岸一未完工的三層框架工程的底層框架節(jié)點(diǎn)破壞形式，顯然節(jié)點(diǎn)箍筋不足是造成嚴(yán)重破壞的重要原因。另外，框架柱沿縱筋方向混凝土嚴(yán)重開裂，為粘結(jié)破壞特征，圖7顯示施工縫有明顯破壞跡象［1］。

4)良好設(shè)計(jì)的房屋。震害調(diào)查結(jié)果顯示，即使在強(qiáng)震區(qū)，只要嚴(yán)格按照抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證抗震構(gòu)造措施，確保施工質(zhì)量的框架結(jié)構(gòu)房屋完全能夠滿足地震區(qū)的抗震設(shè)防要求［5］。圖8為某破壞較輕的底框結(jié)構(gòu)，底層框架及上部兩層磚混結(jié)構(gòu)受損較輕，充分體現(xiàn)了抗震設(shè)計(jì)中概念的重要性。雖然本次震害中，該結(jié)構(gòu)抗震能力表現(xiàn)較好，但我們?nèi)匀徊惶岢捎脡w上下不對(duì)齊的結(jié)構(gòu)。特別是在懸挑梁端采用凸出的墻體，造成上下結(jié)構(gòu)剛度突變，不利于結(jié)構(gòu)抗震。

2 混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的體現(xiàn)

綜上幾例框架的典型破壞分析，充分表明框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中概念的重要性，特別是一些基本的概念應(yīng)該清楚，做到重點(diǎn)部位重點(diǎn)加強(qiáng)，將鋼筋用在關(guān)鍵部位，切實(shí)遵循以下設(shè)計(jì)原則。

2.1 強(qiáng)柱弱梁

強(qiáng)柱弱梁即要求柱端截面的屈服彎矩大于梁端截面的屈服彎矩，使塑性鉸盡可能出現(xiàn)在梁的端部。即滿足:∑Mc＞∑Mb。要實(shí)現(xiàn)以上不等式，在實(shí)際中很難控制，也很難精確計(jì)算。為此，規(guī)范采用增大系數(shù)來調(diào)整:［3］。同時(shí)要求一級(jí)的框架結(jié)構(gòu)和9度的一級(jí)框架可不符合上式要求，但應(yīng)符合下式要求:［3］。其中，∑Mbua為節(jié)點(diǎn)左右梁端截面逆時(shí)針或順時(shí)針方向?qū)嵟涞恼孛婵拐鹗軓澇休d力所對(duì)應(yīng)的彎矩值之和，根據(jù)實(shí)配鋼筋面積(計(jì)入梁受壓筋和相關(guān)樓板鋼筋)和材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定。

而實(shí)際設(shè)計(jì)中對(duì)于抗震等級(jí)為二級(jí)、三級(jí)的構(gòu)件，柱的配筋通常為構(gòu)造配筋，而節(jié)點(diǎn)處梁的上皮鋼筋受拉，配筋往往較大，設(shè)計(jì)中經(jīng)常將梁支座負(fù)筋采用歸并系數(shù)進(jìn)行歸并放大，通常不采用實(shí)配鋼筋所對(duì)應(yīng)的彎矩值來復(fù)核式6.2.1是否滿足，設(shè)計(jì)可能形成的是“強(qiáng)梁弱柱”。本次的震害研究也表明，實(shí)際破壞形式也多為強(qiáng)梁弱柱。

因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在不影響建筑使用功能的情況下，有必要加大柱子斷面和配筋，考慮把一定寬度樓板的配筋作為梁的配筋，而適當(dāng)減小梁的截面尺寸和配筋，歸并系數(shù)取1.0，以減弱梁的剛度，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的關(guān)鍵部位可進(jìn)行適當(dāng)放大。文獻(xiàn)［3］中6.2.2條也對(duì)框架結(jié)構(gòu)的柱端彎矩增大系數(shù)ηc進(jìn)行了調(diào)整，以確保強(qiáng)柱弱梁的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)短柱，若實(shí)難避免，應(yīng)對(duì)形成的短柱進(jìn)行加強(qiáng)措施，提高柱的延性，避免柱的脆性破壞。

2.2 強(qiáng)剪弱彎

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所期望的破壞機(jī)制應(yīng)是梁比柱的塑性屈服早發(fā)生或多發(fā)生，底層柱柱根的塑性鉸較晚形成，各層柱子的屈服順序應(yīng)錯(cuò)開，不要集中在某一層。

要使結(jié)構(gòu)具有延性，必須保證框架梁柱構(gòu)件有足夠的延性，而梁柱構(gòu)件的延性是以其截面塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力來度量的。“強(qiáng)剪弱彎”設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是控制梁柱的破壞形態(tài)，使其發(fā)生延性較好的彎曲破壞，避免脆性的剪切破壞。規(guī)范中從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了規(guī)定，實(shí)現(xiàn)控制構(gòu)件的破壞形態(tài):

1)梁、柱剪跨比限制。GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范6.2.9條給出了詳細(xì)的規(guī)定，以保證構(gòu)件的延性。通常，抗震設(shè)計(jì)時(shí)要求柱凈高與截面長邊尺寸之比宜大于4，框架梁則要求其凈跨ln與截面高度hb之比宜不小于4，基本已能滿足剪跨比限值的要求。2)梁、柱剪壓比限制也在GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范6.2.9條給出。剪壓比的控制，可以使箍筋的數(shù)量不至于太多，同時(shí)，可以有效地防止斜裂縫的出現(xiàn)，減輕混凝土破裂程度。實(shí)質(zhì)上也是對(duì)構(gòu)件最小截面尺寸的要求。3)柱軸壓比限制及體積配箍率。GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范6.3.6條對(duì)08版規(guī)范中軸壓比限值進(jìn)行了調(diào)整，普遍降低0.05，以提高柱的延性。體積配箍率也進(jìn)行了調(diào)整，不再扣除重疊部分的箍筋體積。4)箍筋。GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范6.3.3，6.3.7 條分別對(duì)梁、柱的箍筋要求進(jìn)行了規(guī)定。震害分析表明，在塑性鉸區(qū)配置足夠箍筋的構(gòu)件，在地震中能滿足承載力要求，而配置箍筋較少或不配置箍筋的構(gòu)件，往往發(fā)生嚴(yán)重的破壞，如圖6，圖7所示的節(jié)點(diǎn)破壞。5)縱筋配筋率。GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范6.3.4，6.3.7條分別對(duì)梁、柱的主筋配筋率要求進(jìn)行了規(guī)定，對(duì)柱的主筋配筋要求加強(qiáng)，也體現(xiàn)了“強(qiáng)柱”的思想。

2.3 強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)錨固

結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)域受力復(fù)雜，容易發(fā)生破壞。節(jié)點(diǎn)的可靠與否是關(guān)系梁、柱能否可靠工作的前提，必須做到強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)錨固?？蚣芰褐?jié)點(diǎn)處的箍筋是防止節(jié)點(diǎn)破壞的一道防線，在文獻(xiàn)［3］中6.2.14條已經(jīng)明確提出:一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)框架的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)應(yīng)進(jìn)行抗震驗(yàn)算。相比較早版本的規(guī)范，將三級(jí)框架的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)并入抗震驗(yàn)算的范疇。汶川地震中，許多框架的節(jié)點(diǎn)區(qū)箍筋明顯配置不足，有些間距竟然近250 mm，甚至不配置箍筋，施工質(zhì)量較差。

由于節(jié)點(diǎn)區(qū)的受力情況比較復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)只有保證各節(jié)點(diǎn)不出現(xiàn)脆性剪切破壞，才能使梁、柱充分發(fā)揮其承載能力和變形能力，使梁、柱塑性鉸順序出現(xiàn)完成之前，節(jié)點(diǎn)區(qū)不過早破壞。

3 結(jié)語

1)通過汶川地震的震害分析表明，我國建筑工程界秉承的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)是安全可靠的。只要嚴(yán)格按照抗震設(shè)防目標(biāo)設(shè)計(jì)、施工的房屋是能夠經(jīng)得起大震考驗(yàn)的。新的抗震規(guī)范更注重了從概念上提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全儲(chǔ)備。設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分理解并堅(jiān)決執(zhí)行規(guī)范要求。

2)結(jié)構(gòu)本身應(yīng)具備多道防線，應(yīng)與建筑專業(yè)充分溝通，盡量采用規(guī)則平立面，減少震害。

3)重視節(jié)點(diǎn)核心區(qū)。抗震規(guī)范2010版對(duì)三級(jí)框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配箍特征值做了明確規(guī)定，設(shè)計(jì)人員應(yīng)引起重視。

4)抗震設(shè)防目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)不應(yīng)僅僅局限于設(shè)計(jì)人員，同時(shí)也應(yīng)加強(qiáng)對(duì)施工技術(shù)人員及管理人員的抗震概念宣教，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)設(shè)計(jì)要求、現(xiàn)行施工規(guī)范，杜絕偷工減料等惡性事件發(fā)生，提高工程施工質(zhì)量，確保人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

［1］孫治國，王東升，李宏男，等.汶川地震鋼筋混凝土框架震害及震后修復(fù)建議［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2010，8(4):114-123.

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

［3］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］王亞勇.汶川地震建筑震害啟示——抗震概念設(shè)計(jì)［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2008，29(4):20-25.

［5］李宏男，肖詩云，霍林生.汶川地震震害調(diào)查與啟示［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2008，29(4):10-19.