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《汶川地震建筑震害調查分析》

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:46:58 [收藏]
    特邀專家簡介：葉列平，清華大學教授，博士生導師。國際土木工程FRP復合材料學會理事，中國建筑學會抗震防災分會常務理事等。主要從事混凝土結構基本理論、鋼骨混凝土結構、高強混凝土結構、預應力混凝土結構、建筑結構抗震與減震分析理論和設計方法、纖維增強復合材料及工程應用、混凝土結構加固技術和計算理論等的研究。

    我就這次汶川地震中的框架結構中的很多問題做了一些探討。這個圖片是一個小學，這個是有外廊的，有構造柱的，這種新的抗震規范設計的樓多了一個抗震的層次，性能就比較好。
    所以對于未設防的砌體結構，基本都是唐山地震的重復，按照89規范以后設計的，采取圈梁和夠昭著措施的砌體結構，大多震害比較輕，很少發生脆性破壞倒塌，因此砌體結構主要是如何落實抗震規范執行的問題，特別是落實圈梁和構造柱抗震措施，需要進一步研究的工作可能并不多。主要是落實的問題，設計、施工、執行規范的力度問題。
    框架結構的震害問題很多，前面有很多的介紹，最主要的問題是填充墻破壞嚴重，未實現強柱弱梁。框架結構的震害大概有這么幾個問題，一個是維護墻和填充墻的嚴重開裂和破壞，填充墻造成短柱剪切破壞，柱剪切破壞，梁柱節點破壞等等。這是填充墻破壞的照片，不多說了，會造成一定的人員上網，造成恐懼的心理，真黑的修復工作量很大，費用很高，規范對可修沒有明確定義，這是錯層造成短柱剪切破壞的照片，其實只要預留縫就可以解決這樣的問題，對于這樣沒有辦法避免的短柱，可以采用連續的箍筋約束混凝土的辦法增強，這個是連續箍筋約束混凝土的柱子，這個是一根鋼筋，施工其實也很方便，這是非常好的一個，已經成熟的技術，但是在我們國家一直推廣不開，不知道什么原因，鋼的外套管的柱子的問題，概念很簡單，這是箍筋約束混凝土，可以防止外面的保護層脫落，可以很容易的提供有效的約束，并且還可以作為模板用，這個鋼的外套和鋼板混凝土概念不一樣，只是在柱身這一段里面有一個鋼的外套管，這個延性很好，可以防止短柱的剪切破壞。相關的研究還不是很多。這是柱的各種各樣的剪切破壞的情況，這個照片也是一個有代表性的，箍筋不少，但是都放在了底下，這個是偷工不減料，這是管理施工的問題。搶剪弱彎的問題，即使柱端先發生彎曲破壞形成塑性鉸，巨大的軸壓易使混凝土壓潰，嚴重削弱柱端抗剪能力。連續箍筋技術可以防止柱端混凝土強度嚴重退化。底層側移郭達，并導致倒塌，這個前面介紹過了。這柱端出現塑性鉸，未實現強柱弱梁屈服機制，要實現強柱弱梁，最起碼要看上去就像強柱弱梁，還有一個是施工階段的裸框架，承重墻還沒有進來，可以看到填充墻的重要性。
    下面重點討論一下沒有實現強柱弱梁屈服機制的原因和改進的建議，這個強柱弱梁為什么要實現屈服機制，這是地震是整個的，必須在結構的方案上有一個整體的方案，所以在美國，講到抗震的時候，有一句話，做結構方案的時候，必須考慮整個結構抗震，不能說，按照一般的考慮，所以這是整體的可以耗散大量的地震的能量，而且是一個穩定有序的機制，同樣的，這種整體性的屈服機制也可以，日本的一個抗震規定中，也給出了整體性屈服機制。我們國家對這塊是研究的不夠，有關屈服機制，今年的六月份專門有一個文章討論結構的抗震問題，我們既然要討論強柱弱梁的屈服機制，首先看看我們國家的抗震規范關于強柱弱梁的屈服機制的規定，這是一個公式。如果滿足這些條件的話，用這個公式還是可以做的，但是我們實際上可能沒有達到這些條件。
    影響強柱弱梁屈服機制的原因，有很多，看起來很簡單，其實很復雜，前面有專家也說了，填充墻是一個很重要的因素，第二是樓板的因素，還有框架梁寬度和荷載過大使梁截面尺寸增大等等。
    填充墻的問題前面已經討論了很多，填充墻等非結構構件的影響，首先是可以作為結構的第一道抗震防線，首先破壞并能耗散地震能量，所以就要允許他開裂和破壞，這個里面順便說一下，這次地震當中，我們看到了很多的破壞，比如這樣不行那樣不行，其實我們還要想清楚一個事，就是說，哪些破壞是在我們預定的范圍之內的，哪些是超出了我們預測的范圍之外的，如果是以內的就是可以接受的，第二是填充墻會影響框架結構的內力分布，三是可能造成結構實際抗側剛度分布不均勻，這個例子前面已經講過了。這個也不多說了，已經放了很多照片了。
    這些原因就會改變整個結構的整體受力機制，使得整體機構難以形成強柱弱梁的屈服機制，這個原因加劇了結構的地震破壞。抗規也有規定，但是這些規定沒有可操作性，怎么做沒有給。而且實際工程中，填充墻的類型很多，布置復雜，與框架主題結構的連接構造也多種多樣，具體如何考慮十分復雜。這個里面我想處理填充墻的問題，關鍵還是清楚填充墻的結構功能和設計目標，分兩個方面，一個是填充墻的目標，你是參與到結構受力里面，還是不參與到里面。如果是參與結構受力就可以作為一道抗震防線，就應該跟周邊的框架可靠的連接形成組合墻，并應沿結構豎向連續布置，如果不參與結構受力，目標很明確，那么你就跟周邊的框架做足夠的隔離，分開。
    應該說填充墻作為第一道抗震防線是一種很好的整體結構抗震設計思想，但是按照這種思路設計時，填充墻在中震下發生開裂應屬于正常預期目標，但大震下填充墻不倒塌。同時應該把這個墻作為整體結構抗震的組成部分，在整體結構的抗震分析和設計中就要給予仇恨的考慮，相應的措施要跟上，施工中也要落實。我們看個例子，這是綿陽地區的，這個填充墻里面再加構造柱，這個墻就沒有問題，這是一個高層的結構，材料是一樣的，但是這個填充墻外面開裂比較嚴重，但是主體結構基本沒有問題，我們到綿陽參加房屋快速評估的時候，我們就住在這個樓里面，我們是搞結構的，覺得沒有問題，但是服務員是有點擔心。因為時間關系這個不詳細說了。
    如果填充墻不參與結構受力就跟周邊要設縫，日本現在的非結構構件就是全部使用鋼筋混凝土的，這樣跟結構的關系做起來很好做，這是用鋼筋混凝土。
    對這個案例，我們也做了一些分析，如果是按照裸框架分析，其實也出現了一些柱角。填充墻是一個最復雜因素，影響也是最大的，所以要明確填充墻的抗震設計目標和鄉野的配套構造措施，如果是要把強柱弱梁作為包括填充墻在內的整體結構抗震的屈服機制設計目標時，預期出鉸的框架梁上不應設置填充墻，或填充墻與框架柱之間應預留足夠的縫隙。
    下面討論一下樓板的影響，樓板與框架梁一起現澆，兩者可以結合良好，共同工作能力還，可顯著提高框架梁的能力。抗規也沒有做具體的規定，樓板的影響許多研究表型，樓板內的鋼筋會使框架梁的實際抗彎承載力增大20%到30%，甚至有些情況會增大近1倍。在考慮樓板影響的時候，有兩種設計思路，一個是計算梁截面抗彎承載力的不考慮樓板翼緣，代之以提高柱梁強度比，間接考慮樓板的貢獻，第二是維持現行規定的柱梁強度比數值。
    后一種方法里面又有兩種處理守法，一個是ACI方法，把樓板考慮進來，我算，算了以后滿足框架的強度比就可以了，還有一個是新西蘭的方法。
    第三個因素是框架梁寬度和荷載過大使梁截面尺寸增大。
    這個是梁端超配筋和鋼筋實際強度超強的問題。導致梁端鋼筋超配的因素，第一，樓板中配進未考慮，第二，結構內力分析計算簡圖按構件軸線考慮。第三，框架梁配筋由裂縫或變形條件控制等等。解決這些的辦法是用實配驗算。
    此外，梁端鋼琴實際強度的超強也是一種超配。歐洲新西蘭和日本規范，都對預期塑性鉸部分的鋼琴材料性指標有更為嚴格的規定，如對鋼琴屈服強度編譯率限制、強屈比限制、延伸率要求等，我國目前還沒有這么具體。
    第五個問題是柱軸壓比限值規定偏高，這次地震中，框架結構的柱子看上去大多太細，以至于框架柱比較容易出鉸。軸壓比過高有什么問題呢，會導致框架柱截面尺寸偏小，使得在以下幾個方面降低實現強柱弱梁機制的可能性，第一，框架柱截面尺寸偏小，框架柱端抗玩力臂較小，不利于保證柱端受彎承載力，第二，正常使用狀態下，框架柱處于高受壓，第三，框架柱截面尺寸偏小，框架柱剛度偏小，柱量剛度比偏小，不利于實現強柱弱梁的機制等等。我們看看，日本規范的軸壓比比我們低很多，我們看日本的柱子，這個柱子是預防在先，他差不多也是四層的結構，和我們的柱子一比，大家就可以看出來。還有一個，柱子的最小截面尺寸問題，是300乘300，然后再由軸壓比限值控制，建議案抗震等級規定柱最小截面尺寸，這次因為出現了強梁弱柱的機制，所以我們在一些討論場合說，有一些專家說框架結構不要用了，還不如砌體結構，關鍵是柱子太細了，柱子粗了就沒有問題，配筋少了也不可靠。我們要注意到強柱弱梁是在大震作用下形成的，另一種教委簡便的強柱弱梁設計的計算方法是，框架梁內力按小震計算確定，框架柱內力按大震彈性計算確定。
    最后一個說一下，梁柱的可靠度的差異正常十月情況下，結構主要是承受豎向荷載，所以框架梁是彎矩作用，出現的問題是比較多的，柱子主要是受壓力，所以柱子的問題不是很多，因此工程中一般對梁的關注多于柱，但是大震發生的概率是很小的，所以注資的抗震性能中存在的很多問題，就沒有引起關注，但是如果大震來了就遲了，從可靠度角度分析，是這樣的問題，正常情況下，梁的安全儲備是低于柱子的，但是地震作用下，柱子的安全儲備是低于框架梁的。不能說我們設計的房子多大的跨度，多少層，多少年了，沒有問題，但是沒有經受過地震，你怎么知道這個柱子夠呢，對于純框架結構來說，一般認為只有一道防線，一旦因為影響框架柱的諸多不利因素導致出現強梁弱柱的層屈服機制，非常容易造成局部樓層的坍塌。如果目前不能大幅度提高框架柱的提高，可以采用這樣的方法，一部分柱子增加儲備，這個機制在日本是允許的，因為是整體型的，算這個柱子的時候，只考慮承受豎向的壓力。
    最后說一下早上隔震建筑，我提出這么一個思想，隔震建筑在這次地震以后會得到推廣，但是還是會有一些問題，我提出的是柔性底層隔震建筑，所以我提出來的這個建筑呢，底下做一個柔性的承擔力特別小的，這個里面不住人的，是作為其它的用途，因為這個大震或者超大震是上千年一遇的，下面這個壞了就算了，上面的可以保住，我們看到徐工的照片上，花盆都沒有掉下來，當然這樣的建筑是很便宜的，可以保護生命，可能比隔震建筑更便宜一些。
    最后總結一下，實際工程中有很多的因素使得框架磷的受彎承載力和剛度增大，而框架柱無依無靠，幾乎沒有什么因素能增加框架柱的受彎承載力和剛度，如果這些因素沒有在設計中給予充分的考慮，就會使得框架結構強柱弱梁的屈服機制的計算條件無法滿足。由于實際工程中能夠增加框架柱的受彎承載力和剛度的因素很少，規范應給框架柱留有足夠的儲備，最簡單的方法是控制框架柱軸壓比限值，增大柱的最小截面尺寸。設計人員應該充分的認識到，框架柱在整體結構抗震能力中的地位特別重要，任何過多的關注和增加柱的截面積配筋的考慮都不會過分，至少會彌補目前框架柱在地震作用下的安全問題。謝謝大家。
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