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汶川地震建筑震害調(diào)查分析

作者:建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間:2009-12-22 20:26:10 [收藏]


    《汶川地震建筑震害調(diào)查分析》,報(bào)告人:葉列平
    特邀專家簡(jiǎn)介:葉列平,清華大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師。國際土木工程FRP復(fù)合材料學(xué)會(huì)理事,中國建筑學(xué)會(huì)抗震防災(zāi)分會(huì)常務(wù)理事等。主要從事混凝土結(jié)構(gòu)基本理論、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、建筑結(jié)構(gòu)抗震與減震分析理論和設(shè)計(jì)方法、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及工程應(yīng)用、混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)和計(jì)算理論等的研究。

    我就這次汶川地震中的框架結(jié)構(gòu)中的很多問題做了一些探討。這個(gè)圖片是一個(gè)小學(xué),這個(gè)是有外廊的,有構(gòu)造柱的,這種新的抗震規(guī)范設(shè)計(jì)的樓多了一個(gè)抗震的層次,性能就比較好。
    所以對(duì)于未設(shè)防的砌體結(jié)構(gòu),基本都是唐山地震的重復(fù),按照89規(guī)范以后設(shè)計(jì)的,采取圈梁和夠昭著措施的砌體結(jié)構(gòu),大多震害比較輕,很少發(fā)生脆性破壞倒塌,因此砌體結(jié)構(gòu)主要是如何落實(shí)抗震規(guī)范執(zhí)行的問題,特別是落實(shí)圈梁和構(gòu)造柱抗震措施,需要進(jìn)一步研究的工作可能并不多。主要是落實(shí)的問題,設(shè)計(jì)、施工、執(zhí)行規(guī)范的力度問題。
    框架結(jié)構(gòu)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(yán)重,未實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁??蚣芙Y(jié)構(gòu)的震害大概有這么幾個(gè)問題,一個(gè)是維護(hù)墻和填充墻的嚴(yán)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(jié)點(diǎn)破壞等等。這是填充墻破壞的照片,不多說了,會(huì)造成一定的人員上網(wǎng),造成恐懼的心理,真黑的修復(fù)工作量很大,費(fèi)用很高,規(guī)范對(duì)可修沒有明確定義,這是錯(cuò)層造成短柱剪切破壞的照片,其實(shí)只要預(yù)留縫就可以解決這樣的問題,對(duì)于這樣沒有辦法避免的短柱,可以采用連續(xù)的箍筋約束混凝土的辦法增強(qiáng),這個(gè)是連續(xù)箍筋約束混凝土的柱子,這個(gè)是一根鋼筋,施工其實(shí)也很方便,這是非常好的一個(gè),已經(jīng)成熟的技術(shù),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(jiǎn)單,這是箍筋約束混凝土,可以防止外面的保護(hù)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(gè)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(gè)鋼的外套管,這個(gè)延性很好,可以防止短柱的剪切破壞。相關(guān)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(gè)照片也是一個(gè)有代表性的,箍筋不少,但是都放在了底下,這個(gè)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(fā)生彎曲破壞形成塑性鉸,巨大的軸壓易使混凝土壓潰,嚴(yán)重削弱柱端抗剪能力。連續(xù)箍筋技術(shù)可以防止柱端混凝土強(qiáng)度嚴(yán)重退化。底層側(cè)移郭達(dá),并導(dǎo)致倒塌,這個(gè)前面介紹過了。這柱端出現(xiàn)塑性鉸,未實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁屈服機(jī)制,要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁,最起碼要看上去就像強(qiáng)柱弱梁,還有一個(gè)是施工階段的裸框架,承重墻還沒有進(jìn)來,可以看到填充墻的重要性。
    下面重點(diǎn)討論一下沒有實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁屈服機(jī)制的原因和改進(jìn)的建議,這個(gè)強(qiáng)柱弱梁為什么要實(shí)現(xiàn)屈服機(jī)制,這是地震是整個(gè)的,必須在結(jié)構(gòu)的方案上有一個(gè)整體的方案,所以在美國,講到抗震的時(shí)候,有一句話,做結(jié)構(gòu)方案的時(shí)候,必須考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)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(gè)穩(wěn)定有序的機(jī)制,同樣的,這種整體性的屈服機(jī)制也可以,日本的一個(gè)抗震規(guī)定中,也給出了整體性屈服機(jī)制。我們國家對(duì)這塊是研究的不夠,有關(guān)屈服機(jī)制,今年的六月份專門有一個(gè)文章討論結(jié)構(gòu)的抗震問題,我們既然要討論強(qiáng)柱弱梁的屈服機(jī)制,首先看看我們國家的抗震規(guī)范關(guān)于強(qiáng)柱弱梁的屈服機(jī)制的規(guī)定,這是一個(gè)公式。如果滿足這些條件的話,用這個(gè)公式還是可以做的,但是我們實(shí)際上可能沒有達(dá)到這些條件。
    影響強(qiáng)柱弱梁屈服機(jī)制的原因,有很多,看起來很簡(jiǎn)單,其實(shí)很復(fù)雜,前面有專家也說了,填充墻是一個(gè)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(jīng)討論了很多,填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響,首先是可以作為結(jié)構(gòu)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(gè)里面順便說一下,這次地震當(dāng)中,我們看到了很多的破壞,比如這樣不行那樣不行,其實(shí)我們還要想清楚一個(gè)事,就是說,哪些破壞是在我們預(yù)定的范圍之內(nèi)的,哪些是超出了我們預(yù)測(cè)的范圍之外的,如果是以內(nèi)的就是可以接受的,第二是填充墻會(huì)影響框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布,三是可能造成結(jié)構(gòu)實(shí)際抗側(cè)剛度分布不均勻,這個(gè)例子前面已經(jīng)講過了。這個(gè)也不多說了,已經(jīng)放了很多照片了。
    這些原因就會(huì)改變整個(gè)結(jié)構(gòu)的整體受力機(jī)制,使得整體機(jī)構(gòu)難以形成強(qiáng)柱弱梁的屈服機(jī)制,這個(gè)原因加劇了結(jié)構(gòu)的地震破壞??挂?guī)也有規(guī)定,但是這些規(guī)定沒有可操作性,怎么做沒有給。而且實(shí)際工程中,填充墻的類型很多,布置復(fù)雜,與框架主題結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造也多種多樣,具體如何考慮十分復(fù)雜。這個(gè)里面我想處理填充墻的問題,關(guān)鍵還是清楚填充墻的結(jié)構(gòu)功能和設(shè)計(jì)目標(biāo),分兩個(gè)方面,一個(gè)是填充墻的目標(biāo),你是參與到結(jié)構(gòu)受力里面,還是不參與到里面。如果是參與結(jié)構(gòu)受力就可以作為一道抗震防線,就應(yīng)該跟周邊的框架可靠的連接形成組合墻,并應(yīng)沿結(jié)構(gòu)豎向連續(xù)布置,如果不參與結(jié)構(gòu)受力,目標(biāo)很明確,那么你就跟周邊的框架做足夠的隔離,分開。
    應(yīng)該說填充墻作為第一道抗震防線是一種很好的整體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想,但是按照這種思路設(shè)計(jì)時(shí),填充墻在中震下發(fā)生開裂應(yīng)屬于正常預(yù)期目標(biāo),但大震下填充墻不倒塌。同時(shí)應(yīng)該把這個(gè)墻作為整體結(jié)構(gòu)抗震的組成部分,在整體結(jié)構(gòu)的抗震分析和設(shè)計(jì)中就要給予仇恨的考慮,相應(yīng)的措施要跟上,施工中也要落實(shí)。我們看個(gè)例子,這是綿陽地區(qū)的,這個(gè)填充墻里面再加構(gòu)造柱,這個(gè)墻就沒有問題,這是一個(gè)高層的結(jié)構(gòu),材料是一樣的,但是這個(gè)填充墻外面開裂比較嚴(yán)重,但是主體結(jié)構(gòu)基本沒有問題,我們到綿陽參加房屋快速評(píng)估的時(shí)候,我們就住在這個(gè)樓里面,我們是搞結(jié)構(gòu)的,覺得沒有問題,但是服務(wù)員是有點(diǎn)擔(dān)心。因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系這個(gè)不詳細(xì)說了。
    如果填充墻不參與結(jié)構(gòu)受力就跟周邊要設(shè)縫,日本現(xiàn)在的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件就是全部使用鋼筋混凝土的,這樣跟結(jié)構(gòu)的關(guān)系做起來很好做,這是用鋼筋混凝土。
    對(duì)這個(gè)案例,我們也做了一些分析,如果是按照裸框架分析,其實(shí)也出現(xiàn)了一些柱角。填充墻是一個(gè)最復(fù)雜因素,影響也是最大的,所以要明確填充墻的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)和鄉(xiāng)野的配套構(gòu)造措施,如果是要把強(qiáng)柱弱梁作為包括填充墻在內(nèi)的整體結(jié)構(gòu)抗震的屈服機(jī)制設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí),預(yù)期出鉸的框架梁上不應(yīng)設(shè)置填充墻,或填充墻與框架柱之間應(yīng)預(yù)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(xiàn)澆,兩者可以結(jié)合良好,共同工作能力還,可顯著提高框架梁的能力。抗規(guī)也沒有做具體的規(guī)定,樓板的影響許多研究表型,樓板內(nèi)的鋼筋會(huì)使框架梁的實(shí)際抗彎承載力增大20%到30%,甚至有些情況會(huì)增大近1倍。在考慮樓板影響的時(shí)候,有兩種設(shè)計(jì)思路,一個(gè)是計(jì)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(qiáng)度比,間接考慮樓板的貢獻(xiàn),第二是維持現(xiàn)行規(guī)定的柱梁強(qiáng)度比數(shù)值。
    后一種方法里面又有兩種處理守法,一個(gè)是ACI方法,把樓板考慮進(jìn)來,我算,算了以后滿足框架的強(qiáng)度比就可以了,還有一個(gè)是新西蘭的方法。
    第三個(gè)因素是框架梁寬度和荷載過大使梁截面尺寸增大。
    這個(gè)是梁端超配筋和鋼筋實(shí)際強(qiáng)度超強(qiáng)的問題。導(dǎo)致梁端鋼筋超配的因素,第一,樓板中配進(jìn)未考慮,第二,結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析計(jì)算簡(jiǎn)圖按構(gòu)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(shí)配驗(yàn)算。
    此外,梁端鋼琴實(shí)際強(qiáng)度的超強(qiáng)也是一種超配。歐洲新西蘭和日本規(guī)范,都對(duì)預(yù)期塑性鉸部分的鋼琴材料性指標(biāo)有更為嚴(yán)格的規(guī)定,如對(duì)鋼琴屈服強(qiáng)度編譯率限制、強(qiáng)屈比限制、延伸率要求等,我國目前還沒有這么具體。
    第五個(gè)問題是柱軸壓比限值規(guī)定偏高,這次地震中,框架結(jié)構(gòu)的柱子看上去大多太細(xì),以至于框架柱比較容易出鉸。軸壓比過高有什么問題呢,會(huì)導(dǎo)致框架柱截面尺寸偏小,使得在以下幾個(gè)方面降低實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁機(jī)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(tài)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(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的機(jī)制等等。我們看看,日本規(guī)范的軸壓比比我們低很多,我們看日本的柱子,這個(gè)柱子是預(yù)防在先,他差不多也是四層的結(jié)構(gòu),和我們的柱子一比,大家就可以看出來。還有一個(gè),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(jí)規(guī)定柱最小截面尺寸,這次因?yàn)槌霈F(xiàn)了強(qiáng)梁弱柱的機(jī)制,所以我們?cè)谝恍┯懻搱?chǎng)合說,有一些專家說框架結(jié)構(gòu)不要用了,還不如砌體結(jié)構(gòu),關(guān)鍵是柱子太細(xì)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(qiáng)柱弱梁是在大震作用下形成的,另一種教委簡(jiǎn)便的強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì)的計(jì)算方法是,框架梁內(nèi)力按小震計(jì)算確定,框架柱內(nèi)力按大震彈性計(jì)算確定。
    最后一個(gè)說一下,梁柱的可靠度的差異正常十月情況下,結(jié)構(gòu)主要是承受豎向荷載,所以框架梁是彎矩作用,出現(xiàn)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(duì)梁的關(guān)注多于柱,但是大震發(fā)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(guān)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(chǔ)備是低于柱子的,但是地震作用下,柱子的安全儲(chǔ)備是低于框架梁的。不能說我們?cè)O(shè)計(jì)的房子多大的跨度,多少層,多少年了,沒有問題,但是沒有經(jīng)受過地震,你怎么知道這個(gè)柱子夠呢,對(duì)于純框架結(jié)構(gòu)來說,一般認(rèn)為只有一道防線,一旦因?yàn)橛绊懣蚣苤闹T多不利因素導(dǎo)致出現(xiàn)強(qiáng)梁弱柱的層屈服機(jī)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(chǔ)備,這個(gè)機(jī)制在日本是允許的,因?yàn)槭钦w型的,算這個(gè)柱子的時(shí)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(gè)思想,隔震建筑在這次地震以后會(huì)得到推廣,但是還是會(huì)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(gè)建筑呢,底下做一個(gè)柔性的承擔(dān)力特別小的,這個(gè)里面不住人的,是作為其它的用途,因?yàn)檫@個(gè)大震或者超大震是上千年一遇的,下面這個(gè)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(dāng)然這樣的建筑是很便宜的,可以保護(hù)生命,可能比隔震建筑更便宜一些。
    最后總結(jié)一下,實(shí)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(shè)計(jì)中給予充分的考慮,就會(huì)使得框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)柱弱梁的屈服機(jī)制的計(jì)算條件無法滿足。由于實(shí)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(guī)范應(yīng)給框架柱留有足夠的儲(chǔ)備,最簡(jiǎn)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(shè)計(jì)人員應(yīng)該充分的認(rèn)識(shí)到,框架柱在整體結(jié)構(gòu)抗震能力中的地位特別重要,任何過多的關(guān)注和增加柱的截面積配筋的考慮都不會(huì)過分,至少會(huì)彌補(bǔ)目前框架柱在地震作用下的安全問題。謝謝大家。
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