鋼筋混凝土框架結構建筑的震害與對策分析

劉 蓉

繼2008年5月汶川8.0級地震后，又陸續(xù)發(fā)生了海地地震、智利地震以及2011年3月日本發(fā)生的9.0級特大地震等，產(chǎn)生了嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，地震工程界的研究表明地球已進入地震活躍期。對歷次的震害分析表明經(jīng)過合理抗震設計的建筑在地震中體現(xiàn)了良好的抗震性能，因此通過對建筑物采取科學合理的抗震設防措施來提高建筑物的抗震能力是目前減少或避免震害的最有效抗震措施之一。在現(xiàn)有城鎮(zhèn)建筑物中，存在大量的框架結構建筑，且有一部分學校、醫(yī)院等重要建筑物亦采用了這種結構體系。RC框架結構建筑分布的廣泛性和地震的隨機性使得對該類建筑的抗震性能研究顯得尤為重要，提高建筑結構的抗震性能，尤其是抗大震倒塌性能，對于保障人類的生命財產(chǎn)安全具有重要的意義，也是目前地震工程界研究的熱點。

1 鋼筋混凝土框架結構破壞特征分析

鋼筋混凝土框架結構主要的構件包括柱、梁、節(jié)點和填充墻體，在地震中均有不同程度的破壞，主要體現(xiàn)為:

1)填充墻破壞。歷次地震中，填充墻破壞最為普遍，即使在較小的地震作用下，也會發(fā)生不同程度的破壞。地震時填充墻與框架共同抵抗地震荷載，由于填充墻剛度大，承擔了大部分的地震能量，直至破壞。另外由于墻體受剪承載力低、墻體與框架缺乏有效地拉結、不合理的預埋管線削弱等原因，使其在高頻高能量的地震荷載作用下極易發(fā)生破壞，主要體現(xiàn)為X形斜裂縫、墻周邊開裂、角部應力破壞、局部或整體倒塌等(如圖1所示)?？蚣芙Y構變形為剪切型，底部的水平位移大，使得填充墻的破壞呈現(xiàn)“下重上輕”現(xiàn)象。

圖1 填充墻交叉裂縫

圖2 混凝土梁抗剪破壞

2)梁、柱及梁柱節(jié)點破壞?？蚣芙Y構的震害主要是由于強度和延性不足引起，一般規(guī)律是:柱的震害重于梁，腳柱的震害重于下端。梁的破壞多發(fā)生在梁端，地震荷載使縱向鋼筋屈服，出現(xiàn)上下貫通的垂直裂縫和交叉斜裂縫，在梁負彎矩鋼筋切斷處抗彎能力減弱也易出現(xiàn)裂縫，造成梁剪切破壞，部分梁在跨中處也出現(xiàn)了垂直裂縫(如圖2所示)。梁剪切破壞的主要原因是兩端屈服后產(chǎn)生的剪切力較大，超過了梁的受剪承載力，梁內(nèi)箍筋配置較稀，以及反復載荷作用下混凝土抗剪切強度降低等因素引起的。框架柱的破壞按破壞類型不同分為:彎曲破壞、剪切破壞、壓彎破壞;按破壞部位不同分為:腳柱破壞、短柱破壞、柱牛腿破壞。其破壞形態(tài)有柱端彎剪破壞、柱身剪切破壞、短柱破壞等(如圖3所示)。地震中柱的破壞程度較梁更為嚴重，更多的看到柱鉸破壞機制，而不是抗震規(guī)范中要求梁鉸機制，主要是由于現(xiàn)澆板對梁的增強、超配筋等。部分框架柱和梁產(chǎn)生了大量的斜裂縫，而不是受彎開裂，一些梁柱節(jié)點發(fā)生破壞，混凝土被壓碎，這些與“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點”相違背[2]。柱破壞的原因是抗彎和抗剪承載力不足，箍筋太少，對混凝土約束力很差，在壓力、彎矩、剪力共同作用下，柱的截面承載力達到極限。節(jié)點破壞的主要原因是節(jié)點的受剪承載力不足，約束箍筋太少，梁筋錨固長度不夠以及施工質(zhì)量差所引起的(如圖4所示)。

圖3 柱上端鋼筋外露、混凝土壓碎

圖4 節(jié)點出現(xiàn)交叉裂縫

3)樓梯間破壞。樓梯間是建筑的豎向通道，因其剛度相對較大，且墻體高厚比較大，其破壞表現(xiàn)為梯段斷裂、梯梁破壞、樓梯間橫墻破壞或倒塌等(如圖5所示)。

圖5 樓梯混凝土剝落、與樓板連接處產(chǎn)生水平裂縫

圖6 屋面女兒墻破壞

4)結構局部或整體倒塌?？蚣芙Y構的整體抗震性能較好，地震中發(fā)生倒塌的建筑較少，倒塌一般分為豎向連續(xù)倒塌和側向變形倒塌。前者主要是由于個別構件在地震中破壞，失去承載能力而使得局部坍塌，進而導致結構的豎向連續(xù)倒塌;后者主要是由于結構發(fā)生側向變形過大，超過結構的極限變形能力而發(fā)生倒塌。

5)其他破壞。屋頂凸出部位，如女兒墻、樓梯間頂?shù)?，由于鞭梢效應加大了其地震作用破壞嚴重，樓梯間頂橫墻在屋面處出現(xiàn)水平裂縫，女兒墻開裂甚至塌落等(如圖6所示)。

2 鋼筋混凝土框架結構的破壞機理分析

通過對已有的歷史震害資料分析，表明鋼筋混凝土框架結構的破壞機理主要有以下七種:

1)抗震設計和構造措施不合理;2)結構抗力退化;3)平立面不規(guī)則;4)建筑的概念設計不合理;5)高烈度低設防;6)建筑日常檢測、維護和加固不合理;7)其他原因。

3 工程結構的抗震設防對策

建筑工程是系統(tǒng)工程，在建筑的全壽命周期中需要涉及到抗震區(qū)劃、規(guī)范制定、結構設計、施工、運營管理等環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)都直接或間接地影響建筑的抗震性能，因此需要對每個環(huán)節(jié)進行嚴格的組織和管理。1)完善建筑法規(guī)體系;2)注重重要建筑性能的監(jiān)控;3)先進的建筑抗震技術;4)提高設防水準;5)提高結構抗震性能;6)嚴格控制施工管理制度;7)選用性能優(yōu)越的結構形式;8)發(fā)展地震預報與完善應急救災體制。

4 建議

為了提高我國的防震減災能力，吸取已有的歷史教訓，提出以下幾條建議:1)加強工程場地的選址工作，重視前期的地質(zhì)勘察、地震安全性評價，了解場地地質(zhì)情況，選擇有利地段，避開危險地段是十分必要的。2)盡量使建筑物的地基土工程性質(zhì)接近，選擇有利地段，嚴禁建筑物建在既有填土又有挖土的地段。3)房屋平、立面布置規(guī)則、對稱，使結構抗側力構件布置盡量對稱，這樣可在一定程度上減少水平地震力作用下建筑物的扭轉(zhuǎn)。4)增強過渡層抗震能力。在設計時可考慮加強底層框架與上部磚砌體結構接合處樓板的整體剛度，可將此處樓板做成同厚度的一塊大現(xiàn)澆板，且通長布置鋼筋。5)抗震墻位置偏于一側，造成底層剛度中心和質(zhì)量中心存在明顯的偏差，容易因扭轉(zhuǎn)而引起結構的破壞;抗震橫墻間距因為功能要求不滿足規(guī)范要求時，應該盡量弱化功能要求，滿足抗震規(guī)范中抗震墻的設置要求。

[1]蘇幼坡，張玉敏.從汶川地震看提高建筑結構倒塌能力的必要性和可行性[J].土木工程學報，2009，42(5):5-32.

[2]GB 50023-2001，建筑抗震設計規(guī)范[S].

[3]清華大學，北京交通大學，西南交通大學.汶川地震建筑震害分析[J].建筑結構學報，2008，29(4):1-9.

[4]王 穎.混凝土框架結構抗震分析[J].山西建筑，2010，36(3):68-69.