中小型地震對某收費站綜合樓結(jié)構(gòu)影響分析

楊 建 科

(山西鋼鐵建設(shè)(集團)有限公司，山西 太原　030003)

0　引言

近年來我國境內(nèi)各級地震頻繁發(fā)生，尤其是在2008年汶川地震之后，人們對地震的關(guān)注度空前提高。房屋倒塌是地震造成人員傷亡和財產(chǎn)損失的最主要的原因，因此增強建筑物結(jié)構(gòu)的牢固性和抗震合理性，提高房屋建筑的抗破壞、抗倒塌能力，避免特大地震下房屋建筑整體垮塌及快速倒塌，是建筑結(jié)構(gòu)抗震的核心課題，從而達到我國“小震不壞、中震可修、大震不倒”的房屋建筑抗震設(shè)防目標。

1　框架結(jié)構(gòu)特點及主要震害特征

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是由柱系構(gòu)件與梁系構(gòu)件通過剛性節(jié)點連接，形成的整體受力骨架，能夠較好的承受豎向荷載，但其整體抗側(cè)剛度較小，屬柔性結(jié)構(gòu)，抗側(cè)能力儲備弱于豎向承載能力，在地震橫波的作用下，建筑物發(fā)生水平晃動，其震害一般重于框架—剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)。

框架結(jié)構(gòu)的主要震害特征：

1)填充墻開裂、破壞、倒塌；2)框架柱剪切破壞；3)梁柱節(jié)點破壞；4)局部填充墻形成短柱剪切破壞；5)填充墻沿高度不連續(xù)造成結(jié)構(gòu)實際層剛度突變，導致薄弱樓層破壞或倒塌；6)填充墻平面布置不均勻造成結(jié)構(gòu)剛度偏心，導致結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生震害；7)同層框架柱抗側(cè)剛度不等造成的破壞；8)柱端形成塑性鉸，先于梁系構(gòu)件形成破壞。

2　工程概況

某收費站綜合樓為一棟長56.2 m，寬14.8 m，建筑總高度18.65 m，主體4層局部5層，平面呈矩形布局的鋼筋混凝土框架單體建筑。2016年12月18日11時08分距該建筑約23 km處發(fā)生4.3級地震，震源深度5 km，建筑物所在區(qū)域震感明顯。震后發(fā)現(xiàn)該建筑物軸線定位編號為B/4,C/4處的1層～4層鋼筋混凝土框架柱抹灰層出現(xiàn)了多道斜向裂縫。

3　震害檢測

根據(jù)震后出現(xiàn)的破壞情況，對軸線定位編號為B/4，C/4處的1層～4層共8根鋼筋混凝土框架柱實體損壞情況進行檢測。

3.1　檢測內(nèi)容

1)建筑結(jié)構(gòu)體系調(diào)查；

2)受檢柱構(gòu)件損傷情況檢測；

3)受檢柱構(gòu)件的鋼筋定位、保護層及混凝土強度檢測；

4)受檢柱構(gòu)件的變形檢測。

3.2　建筑結(jié)構(gòu)體系調(diào)查

某收費站綜合樓為獨棟單體建筑，主體結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架，樓屋蓋均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板體系，加氣混凝土砌塊填充墻體，基礎(chǔ)形式為承臺式獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)間設(shè)有雙向基礎(chǔ)連梁，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度值為0.02g，基礎(chǔ)及柱網(wǎng)平面見圖1。

3.3　構(gòu)件損傷檢測

3.3.1柱構(gòu)件抹灰層損傷情況調(diào)查

根據(jù)構(gòu)件抹灰層砂漿損傷情況，對裂縫進行編號、測量、統(tǒng)計，裂縫縱向最大尺寸1 570 mm，橫向最大尺寸410 mm，最大寬度5.8 mm。其中軸線為裂縫發(fā)生集中區(qū)，見圖2，圖3。經(jīng)現(xiàn)場觀察、測量，發(fā)現(xiàn)所檢柱構(gòu)件抹灰層裂縫特點如下：

1)裂縫均為左低右高，呈45°～60°斜向開裂，開裂形式相同，走向趨同且指向明確。

2)裂縫周邊砂漿抹灰層為空鼓、脫層狀態(tài)。

3)單層柱構(gòu)件中段抹灰層裂縫損傷大于兩端。

4)底層柱構(gòu)件抹灰層開裂情況較輕，中、高層柱抹灰層開裂嚴重。

3.3.2柱構(gòu)件實體損傷檢測

將抹灰層裂縫密集、開裂嚴重的區(qū)域作為結(jié)構(gòu)實體檢測重點，剔除柱構(gòu)件表面受損抹灰層，按照抹灰層裂縫情況，在混凝土表面的相應位置進行編號。

現(xiàn)場采用20倍放大鏡進行觀察，柱構(gòu)件實體未發(fā)生柱端部出膠、鋼筋變形等典型震害現(xiàn)象，所暴露構(gòu)件的混凝土表面未發(fā)現(xiàn)分層、裂縫、裂紋等損傷缺陷(如圖4所示)。

3.4　受檢柱構(gòu)件的鋼筋定位、保護層及混凝土強度檢測

采用PS200鋼筋掃描儀對柱類構(gòu)件配筋狀況及鋼筋保護層厚度進行檢測，受檢測部位可測得的鋼筋數(shù)量及間距滿足設(shè)計文件要求，鋼筋保護層厚度檢驗合格率為92.6%，檢測結(jié)果符合GB 50204—2015混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗收規(guī)范附錄E.0.5規(guī)定，符合設(shè)計文件要求。

3.5　受檢柱構(gòu)件變形檢測

采用R-422NM全站儀對柱構(gòu)件垂直度進行檢測，該工程所檢鋼筋混凝土框架柱構(gòu)件垂直度均未超出GB 50292—2015民用建筑可靠性鑒定標準中表7.3.10的限值要求(Hi/150=3 550/150=23.7 mm)；依據(jù)檢測結(jié)果分析，所檢構(gòu)件未發(fā)生規(guī)律性傾斜，所產(chǎn)生位移應為施工偏差所致，見圖5。

4　框架柱構(gòu)件抹灰層裂縫成因

經(jīng)對收費站綜合樓軸線定位編號為B/4，C/4處的1層～4層鋼筋混凝土框架柱進行現(xiàn)場檢測，分析認為其抹灰層裂縫成因如下：

1)該建筑物所處位置距離4.3級淺源地震震中不足23 km，屬強震感區(qū)，地震所產(chǎn)生能量衰減量小，足以引起建筑物構(gòu)件彈性變形，該建筑物柱構(gòu)件抹灰層開裂現(xiàn)象為地震發(fā)生后集中出現(xiàn)，事件關(guān)聯(lián)性強。

2)地震橫波的作用下，建筑物發(fā)生水平晃動，由梁、柱構(gòu)件所構(gòu)成的框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度較小，屬柔性結(jié)構(gòu)，水平力作用下，所產(chǎn)生的彎矩和整體的側(cè)移顯著增加，在一定范圍內(nèi)會產(chǎn)生彈性變形。

3)當建筑結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心不重合時，在水平荷載作用下，建筑物不能保持結(jié)構(gòu)整體水平運動，而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。扭轉(zhuǎn)效應作用下，鋼筋混凝土框架柱所受橫向剪切應力超過了抹灰層與混凝土框架柱構(gòu)件之間的粘結(jié)強度，導致抹灰層空鼓剝離，同時也超過了抹灰層材料本身的抗拉強度，即造成抹灰層開裂。該建筑物本固有的剛度中心與質(zhì)量中心一定時，在地震波短時間內(nèi)反復作用下，導致抹灰層砂漿表面出現(xiàn)多條大致平行的斜向裂縫產(chǎn)生，且建筑中上部構(gòu)件為變形集中區(qū)，震害受損情況表現(xiàn)最嚴重，構(gòu)件抹灰層現(xiàn)場損傷情況與地震震害特征相符。

4)經(jīng)現(xiàn)場實體檢測而得，受檢混凝土構(gòu)件鋼筋間距、保護層厚度、混凝土強度及柱構(gòu)件垂直度檢測結(jié)果均滿足相關(guān)標準及設(shè)計文件要求，在地震作用下，框架結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性變形，結(jié)構(gòu)表面抹灰層破壞，而鋼筋混凝土框架柱實體并未發(fā)生震害損傷。

5　相關(guān)評估及建議

該鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應，造成局部柱結(jié)構(gòu)抹灰層破壞，尚未造成柱結(jié)構(gòu)實體損傷，因此判定所檢鋼筋混凝土柱構(gòu)件承載力未受地震不利影響。同時反映出受檢處的鋼筋混凝土柱結(jié)構(gòu)為整棟建筑中抗震薄弱區(qū)域，應在結(jié)構(gòu)計算的基礎(chǔ)上，增設(shè)抗震防線，采取有效的加固措施，抵抗高烈度地震對主體結(jié)構(gòu)的破壞。相關(guān)建議如下：

1)滿足框剪結(jié)構(gòu)“強柱弱梁”的抗震原則，可采取加大柱截面、外包鋼加固、碳纖維加固等方法增加混凝土柱剛度。

2)在混凝土柱結(jié)構(gòu)側(cè)面增加翼墻或設(shè)置剪力墻，增強剛度與原結(jié)構(gòu)協(xié)同工作；或?qū)⒕植刻畛鋲ζ鲶w材料換為剛度較好的實心磚，承擔地震時產(chǎn)生的部分水平荷載，防止承重柱構(gòu)件的早期破壞。

3)也可采用先進的新型抗震技術(shù)，安裝消能減震器等方法，增加對柱類承重結(jié)構(gòu)的保護。

6　框架結(jié)構(gòu)設(shè)計建議

框架結(jié)構(gòu)在建筑空間使用上有較大的優(yōu)勢，但在地震作用下，同時承受建筑的豎向荷載和水平地震荷載，抗側(cè)剛度不足，抗震防線有限，提高框架結(jié)構(gòu)的抗震性能首先應從設(shè)計方案著手，除滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范外，還應注意以下幾點：

1)充分考慮墻體因素。

建筑外墻等永久性墻體采用磚砌體等抗側(cè)剛度大的材料，與框架柱結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，充分利用墻體剛度，使墻體成為第一道抗震防線；在樓梯間、衛(wèi)生間等部位，局部設(shè)置剪力墻，增強抗側(cè)儲備，防止垮塌性破壞，還可以形成相對可靠的避難空間；采取構(gòu)造措施，門、窗等洞口部位的框架柱雙側(cè)或多側(cè)設(shè)置混凝土翼墻，增強抗變形能力，填充墻與框架間設(shè)置水平拉結(jié)鋼筋，防止墻體倒塌造成傷害。

2)實現(xiàn)強柱弱梁的屈服機制。

適當增大框架柱的截面尺寸，提高框架柱的承載力安全儲備，提高框架柱的最小配筋率，柱端加密區(qū)箍筋宜按規(guī)范要求取偏大值，梁端配筋量與樓板中鋼筋一并考慮，采用靜力彈塑性方法分析，確認是否能夠?qū)崿F(xiàn)強柱弱梁的屈服機制。

3)防止柱構(gòu)件的剪切破壞。

應避免同層存在長短柱，當有短柱存在時，采用連續(xù)復合箍筋，增強抗剪儲備，必要時對短柱采取外包鋼管，防止震害破壞。同時應避免半填充墻對柱構(gòu)件形成局部約束，形成短柱危害。

4)減少扭轉(zhuǎn)效應的發(fā)生。

框架結(jié)構(gòu)建筑平面布置要盡可能簡單對稱，建筑平面不規(guī)則的房屋地震橫波極易造成建筑扭轉(zhuǎn)效應，結(jié)構(gòu)中受力不連續(xù)及薄弱部位受震影響較大，建筑布局時應充分考慮墻體的荷載分布，避免質(zhì)量中心與剛度中心的偏差過大。

7　結(jié)語

本文針對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)受震案例進行了檢測，分析了震害形成的主要原因，對結(jié)構(gòu)的影響進行了評估，并提出了相應的抗震加固建議。近年來我國境內(nèi)地震頻發(fā)，尤其是2008年汶川、2010年玉樹及今年發(fā)生的九寨溝7.0級地震有著深遠的影響，帶來了慘痛的教訓，我們應該對房屋建筑抗震安全問題引起足夠的重視，并采取相應的措施，將抗震防災工作作為長期的重要工作，不斷地吸取教訓、總結(jié)經(jīng)驗，從建筑設(shè)計、施工技術(shù)、管理水平等方面做好災前預防工作。