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阅读 3356 次 从汶川地震看提高建筑结构抗倒塌能力的必要性可行性

摘要:汶川地震的发生是对我国自1978年第一部建筑抗震设计规范颁布以来,也是对按各阶段建筑抗震规范设计的建筑物抗震能力的检验。通过震害调查分析目前我国建筑抗震设计规范存在的问题,提出应适当提高低烈度抗震设防建筑“大震不倒”的设防水准,并考虑整体现浇楼板对结构“强柱弱梁”的影响,以及在建筑抗震设计规范中宜增加建筑结构倒塌分析及抗倒塌措施的建议。...

从汶川地震看提高建筑结构抗倒塌能力的必要性和可行性

苏幼坡  张玉敏  王绍杰  徐建新

(河北理工大学,河北省地震工程研究中心,河北唐山063009)

引言

    2008512汶川 8级大地震造成直接经济损失超过8400亿元,人员伤亡和失踪超过8万人,房屋倒塌15578万㎡;这是继l976728日造成直接经济损失l20多亿元,死亡242469万人,房屋倒塌6384m²的唐山78级大地震,32年后的又一次令世人触目惊心的巨大地震灾害。这两次地震造成如此巨大损失的原因之一,是由于它们都发生在低烈度设防区,人们缺乏防震意识,灾区大量的农村住宅和城镇20世纪80年代以前的房屋均没考虑抗震设防,根本经不起如此大的地震。

    我国第一部正式实施的建筑抗震设计规范是1978年颁布的《工业与民用建筑抗震设计规范》(TJ11-78)1989年经修订后改名为《建筑抗震设计规范》(GBJ ll—89)2001年修订颁布了《建筑抗震设计规范》(GB5001l-2001),由此可见我国在建筑设计中正式考虑抗震问题是从1976年唐山大地震后开始的。由于l978年以后我国大陆除汶川地震外,经过抗震设防的城镇没遭遇过9度及以上的地震烈度,汶川地震前经过抗震设防的建筑没有经历过大地震的考验,通过对汶川地震中建筑震害的调查分析,可以为我国建筑抗震设计规范的修订提供经验及教训。

一、提高低烈度抗震设防建筑大震不倒的设防水准

    我国抗震设计规范的设防目标是小震不坏,中震可修,大震不倒小震大致相当于设防烈度减15度,大震大致相当于设防烈度加l度。汶川地震后建筑震害调查表明,经过抗震设防、特别是在1990年以后设计建造的建筑表现良好,即使在极震区实际烈度高出设防烈度34度的情况下,大多数建筑受到中等至严重破坏,但不倒塌,实现了大震不倒的设防目标。表11952年以来发生在我国大陆地区造成死亡人数超过千人的地震灾害的震中烈度统计,其共同特点是,震中实际烈度远远超过当地的设防烈度3度及以上,说明在67度低烈度设防区发生巨震”(高于设防烈度2度以上)的危险眭确实存在。

1 1952年以来中国大陆死亡千人以上的震中烈度统计

    表2是唐山地震时不同烈度区中多层砖房的震害统计。此数据是基于对唐山地区2285幢没有经过抗震设防的多层砖房的震害调查得出的。从表2可见,在10度、ll度区中仍有32%和l82%多层砖房  没倒塌;9度区中只有251%的房屋倒塌;小于9度未见多层砖房倒塌。虽然汶川地震刚过去6个月,还未  见不同烈度下房屋震害的统计数据,但据文献7度设防实际烈度9度的都江堰市20世纪80年代经正规设计的建筑,但未考虑或未完善考虑抗震要求的砖混房屋震害调查,多层砖房的倒塌率为5%。

    上述震害调查说明,经过正规设计及建造的建筑,即使不考虑抗震设防,也可经历8度地震作用而不倒塌;对于低烈度区遵循建筑抗震设计规范要求,经过正规设计及建造的建筑,完全可以达到9度不倒。

2唐山地区不同烈度区中多层砖房的震害

    由于目前的科学技术水平还不可能解决地震短临震预报的问题;作为地震中长期预报的重要形式同时作为我国工程抗震设防的主要依据的地震动参数区划图,也存在相当大的不确定性;抗震设防目标中的大震不倒采用统一的设防烈度加1度的设防水准;我国的67度低烈度抗震设防区,实际地震灾害危险性要较高烈度抗震设防区高,这从50多年来我国地震灾害的实际状况不难看出。所以应适当提高67度区的大震不倒的设防水准,参考唐山、汶川地震的震害经验,提高到“9度不倒是可行的。

    实现低烈度区9度不倒可以通过增强建筑结构的抗震措施实现,例如对于砌体房屋可通过增加构造柱、圈梁的数量,限制局部构造尺寸等措施实现;对于钢筋混凝土结构,可以通过增加结构及构件的延性、连续性和冗余度,达到提高结构的整体牢固性来实现。

二、整体现浇楼板对结构强柱弱梁的影响

    “强柱弱梁是钢筋混凝土框架结构实现大震不倒的重要结构措施之一,规范[2]定义强柱弱梁是指,节点左右梁端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之和∑Mb与节点上下柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之和∑Mc之间满足不等式

    ∑Mηc∑Mb   

    一级框架结构及9度时尚应符合

∑Mc≥l2∑Mbua

    式中:ηc为柱端弯矩增大系数,一级取l4,二级取12,三级取l1

    根据设防烈度和建筑高度来确定结构的抗震等级,对于框架结构,高度小于30m时,烈度为678度,其抗震等级为四、三、二级。汶川地区设防烈度为7度,所以其一般框架结构为三级结构,ηc=11。对于整体现浇楼板结构,框架梁实际为T形截面梁,当板内的钢筋位于梁的受拉区时会显著增加梁的抗弯承载力,同时由于钢筋屈服后会出现超强,也使梁的承载力提高。

    地震时框架柱处于复杂的双向受力状态,在双向地震力作用下,柱承载力退化显著

    为保证柱有一定的延性,对柱的轴压比规定了上限,三级框架为09。结构设计时一般根据轴压比确定柱的截面尺寸,所以汶川地区的框架柱普遍截面尺寸较小。

    上述因素造成按照强柱弱梁原则设计的结构,在地震中实际成为“强梁弱柱”结构。汶川地震中,钢筋混凝土现浇楼板框架结构大量出现的是柱铰机制而不是梁铰机制,其原因就在于此。图1为漩口中学主教学楼未完全倒塌的侧楼底层破坏情况,塑性铰均出现在框架柱柱顶,而梁与楼板共同工作,没有任何损坏,可是结构已接近倒塌。图2是一预制装配楼板框架结构,塑性铰均位于梁内,结构破坏严重,但没发生倒塌。

 

1  现浇楼板框架结构柱铰机制破坏

 

2预制楼板框架结构梁铰机制破坏

    为验证现浇楼板对强柱弱梁的影响,本文取与文献相同,如图3所示质量、刚度分布皆均匀、规则的3×26层,首层层高45 m,其余各层36 m,三维框架分析模型。该框架设防烈度为8度,设计基本地震加速度02 9,抗震等级为二级,类场地。框架梁、柱截面尺寸如图3所示。梁柱板混凝土强度等级为C30,纵筋为HRB335,板厚100 mm。楼面恒载、活载标准值分别为40 kNm²、20 kNm²;屋面恒载、活载标准值分别为45 kNm²、20 kNm²;楼面框架梁上施加9 kNm的均布荷载,屋面层外围框架梁上施加3 kNm的均布荷载。框架分析及配筋计算采用PKPM系列SATWE软件(2006年版),计算时将框架梁抗弯刚度乘20的放大系数;计算结构配筋后,手工进行考虑板影响的8x方向的节点强柱弱梁验算。梁翼缘计算宽度按《混凝土结构设计规范》(GB 50010--2002)723款规定,取梁宽加l2倍板厚为1500 mm。表3是节点考虑和不考虑板影响的柱端弯矩与梁端弯矩比值∑Mc∑Mb的计算结果比较。从表3可见,考虑现浇板内钢筋对梁端抗弯承载力的贡献后,所有节点均不满足“强柱弱梁”的要求,其中对中柱影响最大。如果再考虑梁、板内钢筋屈服后的超强影响,按照现行建筑抗震设计规范设计的现浇板钢筋混凝土框架结构是达不到“强柱弱梁”的设计目标的,对于此类结构应考虑板内纵筋的影响来进行“强柱弱梁”设计。

 

3空间框架平面图

 

3节点柱梁抗弯承载力比较

   美国混凝土结构设计规范ACl 318,基于1980年后15年的研究成果,自ACl 318--1999开始考虑现浇板对框架结构抗侧能力的贡献,ACl 318—082162款中要求框架柱的抗弯承载力应满足

∑Mnc≥(65)∑Mnb

    ∑Mnc为节点上下柱端截面顺时针或反时针方向的抗弯矩承载力之和,计算时按偏心受压构件考虑,取与计算方向对应侧向力引起的轴力与重力荷载轴力导致最小抗弯承载力的组合设计值。

    ∑Mnb为节点左右梁端截面顺时针或反时针方向组合的抗弯矩承载力之和,计算时取柱边的梁端弯矩,对于与板整体现浇的T形梁,应考虑有效受拉翼缘内板钢筋的作用。有效翼缘宽度bf按下述规定取:  

    (1)小于l4梁的跨度;

    (2)翼缘挑出长度:对于T形梁取8倍板厚与  12梁净间距的较小值;对于L形梁取6倍板厚、l  2梁净问距和112跨度三者的较小值。

    试验研究表明,翼缘位于受拉区的T形梁,翼缘钢筋对梁抗弯承载力的贡献与侧向位移有关,侧向位移越大贡献越大ACl 318-08中翼缘宽度的取值是2%层间位移确定的,在竖向荷载作用下不考虑受拉翼缘钢筋的作用。所以,在进行框架强柱弱  验算时,应按图4计算负弯矩的抗弯承载力,若板内钢筋As,s1,As,s2也,在柱边处有可靠锚固,应将其作为受拉筋计算截面的抗弯承载力。

 

4节点负弯矩区计算截面

三、建筑结构倒塌分析

    通过对唐山、汶川地震的建筑震害调查和对亲历者的采访,建筑结构在地震作用下的倒塌过程大体可分为两类,一类是建筑在竖向及水平地震作用和竖向荷载共同作用下,在地面运动的过程中发生倒塌;另一类是地震过程中部分竖向承重构件破坏,地震后由于破坏构件上部结构不能继续承受竖向荷载,而发生倒塌。从倒塌的形式看可分为整体倒塌和局部破坏引起的连续倒塌两类。例如像现浇楼板这类整体性强的结构,其薄弱层全部竖向承重构件破坏,从而整个楼层发生塌垮,而其余楼层则基本不倒塌,如图5所示,或上部楼层也跟随倒塌,1995年日本坂神地震中一些高层建筑也发生此类塌垮;另一类是整体性较差的结构(例如预制装配式楼板),首层局部承重墙或柱破坏后,引起上部结构发生竖向连续倒塌,如图6所示,此类倒塌可称为局部竖向倒塌。对于楼层塌垮,可以通过提高楼层的抗侧能力,调整层问刚度,使刚度沿建筑高度的分布较均匀,避免出现较弱的薄弱层来避免发生楼层塌垮,对于局部竖向连续倒塌,则应通过增加构件的连续性和楼层的冗余度,使结构具有抗连续倒塌的能力,避免局部破坏在结构中扩散,规范中还缺少有关这方面的内容。

 

5建筑首层倒塌

 

6建筑局部竖向倒塌

    图7是一底框建筑首层柱发生破坏,而由于上部结构的整体性和连续性较好,没发生连续破坏。图8是一砖混结构,位于烈度达到11度的映秀镇漩口中学,底层倒塌,但由于采用现浇混凝土楼盖,尽管变形很大,没有发生连续倒塌。

    图9则是20081123,抗震设防为6度的广西凤山县发生一起特大地质灾害中,一座6层楼房第3层山墙被巨大的滚石破坏,上部结构没发生倒塌的实例。

 

7  建筑首层柱破坏没发生连续倒塌

 

8  建筑承重墙破坏上部梁形成索机制

 

9建筑局部破坏没发生连续倒塌

    研究和实践证明,建筑结构经抗震设防后,不但具有抗御地震作用的能力,而且还具有防止由于爆炸、撞击等其他偶然荷载造成结构局部破坏后发生连续倒塌的潜在能力。但是,建筑抗震设计与建筑抗倒塌设计是有一定区别的,可以在建筑抗震构造措施中考虑抗倒塌的要求,达到基本满足抗倒塌目的,使经过建筑抗震设计的建筑结构,同时具备抗御其他偶然荷载的能力。

四、钢筋混凝土框架结构抗倒塌措施

    自1968516 Et发生在英国伦敦的Ronan Point公寓倒塌事件,引起人们对高层建筑因部分结构或构件破坏而导致整个结构破坏的广泛关注。Ronan Point公寓是22层装配式混凝土板式建筑,由于位于18层角部的厨房内煤气爆炸将其外承重墙推倒,引发上部楼板坠落,坠落的楼板导致下部结构破坏,从而使建筑的角部从上到下全部破坏。1990年后,随着针对公共建筑炸弹恐怖袭击事件的增多,美国开始关注如何提高民用建筑抗连续倒塌的能力,避免由于恐怖袭击、意外事故等事件造成建筑出现局部破坏后,在结构中发生连锁破坏,最终造成远远超过最初局部破坏范围的破坏;并开展了相应的科学研究,提出了相应的设计方法,颁布了相关设计指南,在有关规范中增加了相应内容

    由于地震、爆炸、撞击和其他意外事故的不确定性,期望一般建筑结构遭受意外的偶然荷载时,不发生局部破坏是不切实际的。但是,可以通过结构设计来限制局部破坏的扩散,避免或尽可能地减少连续倒塌。即建筑结构应能承受局部破坏,不发生局部破坏导致整体失稳或产生与局部破坏不成比例的破坏;应通过合理的结构布置,使结构可以将局部破坏区域的荷载转移到相邻区域保证整个结构不发生倒塌。为此需要结构有足够的连续性、冗余度和耗能性能(延性),这些需要通过构造措施来实现。

 

10贯通拉结筋布置示意图

    41  设置贯通拉结筋加强配筋连续性

    1976年唐山地震后,我国建筑抗震设计规范采用在砖混结构中设置圈梁、构造柱来增加结构的整体性,提高砖混结构的抗震能力,汶川地震中严格按照规范设置圈梁、构造柱的砖混结构很少发生倒塌,说明圈梁、构造柱确实能提高砖混结构的抗倒塌能力。钢筋混凝土结构也可以采用“圈梁、构造柱”的概念,通过将梁、板、柱中的部分钢筋沿结构周边、楼层横纵向和结构上下连续贯通,实现配筋的连续性,增强结构的整体性;当结构某竖向承重构件破坏时,上部结构能形成新的传力途径(如图8所示),保持整体结构的稳定。贯通拉结筋的布置位置及数量可参考文献建议的方法,图10是其布置图,各类拉结筋应采用焊结或机械连结。

    (1)楼层水平拉结筋

    在每层楼面和屋面处的板或梁内沿两个主轴方向布置,它应从结构平面的一侧贯通到结构平面的另一侧。作用是当其下部支撑构件(例如柱或墙)破坏时,连续的拉结筋能成为受拉的索。拉结筋可以分布在板内,也可以成组集中布置在梁内。拉结筋的问距不超过同方向结构最大跨度的15倍。每米宽度内部拉结筋的强度(kNm)不应小于下列表达式的较大者:

    式中:D为永久荷载;L为可变荷载;Lr为同方向结构的最大跨度;Ft为最小拉结筋强度,取60(20+4n)两者的较小值,n为结构的层数。

    (2)周边贯通拉结筋

    在每层楼面和屋面处沿结构平面的周边闭合布置,并且拉结筋的承载力不低于l0 Ft;周边拉结筋若布置在现浇混凝土板内,则应在离边缘12 m的范围内。周边拉结筋的作用除具有与楼层水平拉结筋相同的作用外,还起连结内部拉结筋的作用。所以,如果内部拉结筋不能锚固在外柱或外墙内时,应可靠地与周边拉结筋连结。

    (3)竖向贯通拉结筋

    结构的每根柱内都应布置从底到顶的垂直拉结筋。此拉结筋的承载力应大于柱所承担的楼层竖向重力荷载。设此拉结筋的目的是当某楼层下部支撑破坏后,柱中的拉结筋可将该楼层的荷载传递到上部结构,形成新的传力路线。

    42框架梁底部纵向受拉钢筋应全部贯通

    框架结构如果某个柱发生破坏,如图7所示,其上部框架梁的受力状况将发生巨大变化,一是跨度将成倍增加;二是柱上截面弯矩将改变方向,由负弯矩成为正弯矩。此时,如果梁底部纵向钢筋沿全梁不贯通,或在节点处不连续,则会发生塌跨。所以,框架梁底部纵向受拉钢筋应沿梁全长全部贯通,不应截断或弯起;并按受拉钢筋在节点处可靠锚固。

    43增加框架梁的延性提高结构的冗余度

    图3所示框架结构的薄弱层在首层,若地震时82中柱发生破坏,其结构内力与设计内力将有很大变化。图1 1B轴和2轴框架首层B2柱破坏后,在竖向不变荷载和50%可变荷载(10D+05L)作用F的弯矩图。图12B轴和2轴框架的计算弯矩与结构弯矩承载力比值,在计算截面抗弯承载力时,钢筋和混凝土强度取标准值,钢筋强度再乘l25超强系数。

 

11  中柱破坏后B轴框架弯矩图

 

12 8轴框架计算弯矩与抗弯承载力比值

    由图l2可见,首层13轴梁右端和跨中比值都大于l0,经塑性内力重分布后,梁右端也会出现塑性铰,该梁可能垮塌;同样首层AC轴梁也可能跨塌。 由于规范中对梁柱箍筋的配置有严格的要求,框架梁的抗剪承载力有较大的安全储备,此结构框架梁非加密区的抗剪承载力标准值为421 kN,加密区的的抗剪承载力标准值为561 kN,首层柱破坏后最大剪力为424 kN,所以结构不会发生剪切破坏。

    综上所述,经8度抗震设防的钢筋混凝土框架结构,在某一框架柱破坏后,结构的抗剪承载力一般可满足抗连续倒塌的要求,框架梁负弯矩承载力与计算内力相差较小,框架梁正弯矩承载力与计算内力相差较多,有可能出现由于抗弯承载力不足造成的竖向连续倒塌。

    由于地震作用的偶然性和不确定性,建筑结构设计、施工和使用阶段均存在人为失误的可能性,地震中建筑结构可能出现如图6~图9所示局部承重构件破坏的情况,为保障整体结构的安全,建筑结构应具有一定的冗余度,避免发生连续倒塌。都对结构的冗余度提出要求,即结构的某一根承重柱或一段承重墙破坏时,其上部结构能形成新的传力途径,不出现连续倒塌。

    支撑构件从原承载力至丧失承载力所经历的时间tr对上部结构荷载的动力系数有很大影响,tr越短动力系数越大,当tr接近0时,对于弹性体系动力系数最大可达到20,当tr小于01倍结构自振周期后,动力系数变化很小;上部结构的塑性对动力系数的影响也很大,理想弹塑性结构其动力系数为10。所以,从抗倒塌角度,增加结构的延性要比提高结构的抗力更合理

    为保证框架梁梁端截面的延性,规定梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于25%,且计入受压钢筋的梁端混凝土受压区高度和有效高度之比,一级不应大于025,二、三级不应大于035。同时规定梁端截面的底部和顶部纵向钢筋配筋量的比值,一级不应小于05,二、三级不应小于03。如第一节所述,从危险性方面讲,二、三和四级框架的倒塌危险性并不比一级框架低,所以宜采用同一级框架的标准。  

    增加结构延性的另一好处,是可以利用框架梁中的“拱效应”。理论分析和试验研究都表明,在竖向荷载作用下框架梁开裂后,裂缝的发展使框架梁有向外移动的趋势,由于侧向位移受到节点的约束,在框架梁内会产生轴向压力,框架梁实际成为压弯构件,结果使框架梁的极限承载力显著提高,此现象被称为拱效应。文献进行了24根钢筋混凝土框架梁试验,对框架梁中拱效应进行了系统研究,得到了不同加载速度情况下的梁中轴力、支座约束弯矩和荷载与挠度关系曲线。试验证明在配筋率小于l5%对,拱效应可显著提高框架梁的极限承载力,试验值与按塑性铰理论计算值比值α的平均值为194,影响框架梁中拱效应的主要因素是纵向钢筋配筋率和跨高比。α可表达为

    当由上式计算的α小于l时,取α等于l

    式中:P为纵向受拉钢筋的配筋率()ln为框架梁的净跨度;h为框架梁的截面高度。按式(3)计算B轴首层13轴框架梁的α=145,由于拱效应的存在,结构发生连续倒塌的可能性很小。

五、结论

    (1)由于科学技术发展水平所限,地震还很难预测和预报,我国67度低烈度设防区,发生大地震的危险性不容忽视,为保障人民生命财产的安全,低烈度区建筑抗震设计中大震不倒的设防水准应适当提高。

    (2)钢筋混凝土整体现浇楼板对结构的强柱弱梁要求有较大影响,不考虑现浇楼板内钢筋对梁抗弯承载力的有利影响会导致弱柱强梁的结果。所以,在进行强柱弱梁验算时,应考虑负弯矩区有效受拉翼缘范围内板钢筋的作用。

    (3)地震作用下建筑的倒塌可分为整体倒塌和局部倒塌两类,规范[2]中对于防止整体倒塌已有较完善的要求和措施,而对于如何防止由于某些竖向承重构件破坏引起的连续倒塌则缺少明确的要求和措施。应通过增加结构的连续性、延性和冗余度,提高结构的整体牢固性,达到防连续倒塌的目的。

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(本文来源:陕西省土木建筑学会     文径网络:吕琳琳  尹维维 编辑   文径 审核)