淺談框架震害分析與抗震措施

李文平/威海市城建建筑設計院有限公司

淺談框架震害分析與抗震措施

李文平/威海市城建建筑設計院有限公司

我國大多地區(qū)采用框架結構，框架結構平面布置靈活，能滿足大空間滿足立面要求。實驗研究，框架結構均有一定的延性和一定的抗震性。若設計不當，也能產生較嚴重的破壞。從歷年的地震災害中，人們意識到要著眼于結構總體地震反應，合理選擇建筑體系和結構類型。

平面不規(guī)則；豎向不規(guī)則；抗震性能

前言

地震是一種災害性的自然現(xiàn)象，5級以上才對建筑物產生災害，2008年5月12日，四川汶川8.0級地震，死亡8.7萬人，傷人數(shù)38萬，直接經濟損失8451億元，占GDP2.7%。地震破壞多為房屋倒塌，結構破壞造成的。所以應該認清地震形式及掌握一些建筑抗震的措施。

一、地震就是地殼的運動產生斷裂、錯層、釋放能量，以波的形式傳到地面，就形成了地震

我國大多地區(qū)采用框架結構，框架結構平面布置靈活，能滿足大空間滿足立面要求。實驗研究，框架結構均有一定的延性和一定的抗震性。若設計不當，也能產生較嚴重的破壞。

1.框架結構平面不規(guī)則，結構的剛度中心與質量中心不一致，地震中產生扭轉效應而導致結構破壞。地震力是一種慣性力，與建筑物的質心位置有關系，是作用在質心上的。框架的抗側力構件形成了剛心。地震力是作用在剛心上的。二者不一致就產生扭轉效應，對建筑物的邊框架影響較大。1995年，日本阪神大地震中，鋸齒形的房屋產生整體的扭轉破壞，角柱破壞嚴重；1999年臺灣彰化富貴名門大廈平面布置不規(guī)則為C型，16層鋼筋混凝土大樓向內傾倒，砸向另外一座樓。

2.豎向不規(guī)則破壞，結構沿著豎向發(fā)生質量或剛度的突變，形成薄弱層，產生較大的塑性變形，甚至倒塌。如：美國橄欖景醫(yī)院，一~二層為框架結構，二層框架有較多的磚砌體填充墻，三層~六層為框架-抗震墻結構，這就造成了上剛下柔，剛度相差懸殊。1972年，美國的圣費爾南多地震中，這種結構房屋底層發(fā)生了嚴重傾斜。柱子上端發(fā)生了600mm的偏移。

從歷年的地震災害中，人們意識到要著眼于結構總體地震反應，合理選擇建筑體系和結構類型。解決房屋抗震的基本問題，針對上述震害，在建筑平面布置和豎向布置時，及結構體系選擇時，應遵循一下原則：

結構平面布置應簡單規(guī)則，簡單平面一般多為凸行，如方形、多邊形、圓形等；復雜的平面多為凹型的，凹角的地方容易形成應力集中或者變形集中，產生抗震薄弱環(huán)節(jié)。如：T型、+型等。

二、建筑物豎向布置應連續(xù)、均勻

結構體系沿著豎向質量、強度、剛度不均勻布置，在地震作用下，某一部位率先達到屈服，出現(xiàn)較大的彈塑性變形。從而建筑物破壞。如：收進型的，立面突然收進，凹角處產生應力集中。大底盤型的，裙樓與主樓相連，剛度突變，交接處產生塑性變形。底層大空間、多塔型建筑，底部連在一起，都屬于豎向布置不規(guī)則的。

（一）對于體型復雜建筑采用以下兩種處理方案

1.細致的抗震分析，對建筑物進行精細的抗震計算和受力分析，估計其局部應力，變形集中和扭轉影響，判斷易損部位，采取加強措施提高變形能力。

2.設置建筑抗震縫，采用抗震縫將復雜的平面分割成簡單規(guī)則的單元，防震縫的最小寬度要滿足規(guī)范要求，否則縫小了會引起相鄰兩單元之間的碰撞。

（二）結構體系的選擇原則

結構屈服機制，根據(jù)構件屈服的位置與順序分為兩種類型的屈服機制：

1.總體屈服機制，指結構的水平構件要先與豎向構件屈服，塑性鉸首先出現(xiàn)在梁上，結構不會形成破壞機構。

2.層間屈服機制，制結構的豎向構件先出現(xiàn)屈服，塑性鉸出現(xiàn)在柱上，整體側向屈服。工程中采用墻柱弱梁來實現(xiàn)總體屈服機制。具有較強的耗能能力，在水平構件屈服的情況下，仍能相對穩(wěn)定的豎向承載能力，可以繼續(xù)經歷變形而不倒塌。

三、設置多到抗震防線結構振動控制

傳統(tǒng)的抗震設計方法依靠結構的剛度、延性、及強度來抵御地震作用，結構在抵御地震作用的同時，也會產生較大的變形并導致結構的損傷?，F(xiàn)在設計工作者探索新的積極的抗震方法， 以隔震、減震、制震技術為特點的結構振動控制方法。

（一）結構振動控制方法分為四類

1.結構隔震，采用某種裝置，將地震與結構隔開，阻隔地震波向結構的傳播，減弱地震動力。

2.結構消能減震和阻尼減震，在結構的某非承重構件，如節(jié)點或者支撐處設置阻尼器，在強烈地震作用下，阻尼器進入非彈性變形狀態(tài)，產生較大阻尼，消耗輸入結構的能量，保護主體結構在地震作用下不破壞。

3.結構被動控制減震。在建筑物頂部設置附加的子結構當主結構，這種方法改變原結構的動力特性，降低結構動力反應。無需能源裝置支持系統(tǒng)工作。

4.結構主動控制減震。實為計算機控制的伺機控制系統(tǒng)， 利用外部能源在結構的振動過程中，瞬間改變結構動力特性并施加控制力以衰減結構振動反應。

（二）工程中為了提高框架的抗震性能，結構設計中還會采取如下結構措施加強框架的角柱

角柱處于雙向偏壓狀態(tài)，受力復雜，受周邊橫梁約束較弱，是連結縱橫框架的樞紐，要增加框架的空間整體性，就要加強角柱的抗剪性能。

1.沿周圈框架平面按K形支撐和X形支撐布置一定數(shù)量的鋼筋砼抗剪墻板或配筋砌塊抗剪墻板，能有效克服框架的剪力滯后現(xiàn)象，顯著提高框架的整體性和抗推剛度，減少結構的整體側移，特別有利于減小層間側移。但這種結構的延性較差，因此，可以在墻板上開十字形結構豎縫使之出現(xiàn)薄弱部位，形成延性耗能墻板。

2.設置偏交斜撐等贅余桿件，用彎曲耗能代替軸變耗能，其中折曲撐由鋼纖維砼桿制造，偏心連結支撐可用鋼桿或勁性鋼筋砼桿組成。在強烈地震作用下，一方面可利用這些贅余桿件的先期屈服和變形來耗散能量，另一方面當贅余桿件破壞或退出工作后，使得結構由一種穩(wěn)定體系過渡到另一種穩(wěn)定體系，引起結構自振周期的改變，以避開地震卓越周期的長時間持續(xù)作用所引起的共振效應。

3.我們在設計過程中增加柱的抗震能力，真正實現(xiàn)“強柱弱梁”。規(guī)范實現(xiàn)“強柱弱梁”的辦法是框架結構的抗震等級調整設計內力，再進行配筋。但是小震下的彈性設計內力與大震下的結構彈塑性內力的不一致，造成了即使按調整后的彈性內力進行配筋，柱的實際抗彎承載力也不一定比梁的大，也就無法實現(xiàn)“強柱弱梁”的要求。規(guī)范要求的按梁柱實配鋼筋驗算，其承載力只針對9度區(qū)的一級框架，因此大部分框架結構設計時實際未按這一條執(zhí)行。汶川地震中一些7層以上的框架結構柱截面較大，配筋較多，震害較輕。這說明柱截面和配筋是鋼筋混凝土框架抗倒塌的關鍵。其次重視填充墻產生的剛度突變。當填充墻或隔墻各層布置均勻時，可不考慮；如果各層布置不均勻，尤其是底層少填充墻或隔墻時，應考慮其設置對結構抗震的不利影響，避免設置不合理而導致主體結構的破壞。

四、結束語

總之，合理的設計結構的延性，再通過結構本身的設計，采用結構抗震系統(tǒng)的一系列措施保證結構的抗震承載力，均能實現(xiàn)框架結構的良好抗震性能。

[1]柳炳康主編《工程結構抗震設計》武漢理工大學出版社2005年11 月