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框架结构震害分析与设计对策
作者: guyue 日期: 2011 年 04 月 26 日发表评论 (0)查看评论
摘要：随着新版抗震规范的出台和实施，我国抗震设计进入了一个新的阶段。本文主要通过归纳和分析近几次的地震中，框架结构的震害特点，并比照新版规范有关条文的修订，总结设计对策，以期为建筑物的地震灾害分析和抗震设计提供参考。
关键词：框架结构，地震灾害，抗震设计
1. 前言

图 1 梁端剪切破坏[1]
当今，抗震科学尚处于较低水平，试验手段和技术还不能确切模拟地震对建筑的破坏作用[4]，因而，地震区建筑物的破坏状况便成为探索地震破坏作用和结构震害机理最直接和最全面的大型结构试验。因此，有必要在充分吸取历史地震经验和教训的基础上，结合现代技术，在基本理论、计算方法和构造措施等多方面，研究改进建筑的抗震设计技术，以进一步提高房屋建筑的抗震可靠度。
2. 框架结构震害特点，震害分析与设计对策
2.1主要承重结构
2.1.1梁：
震害特点：震害较少，一般易发生梁端剪切破坏
震害分析：配箍不足，钢筋节点锚固失效等
设计对策：增加配箍量与减小箍筋间距。
2.1.2柱
震害特点：震害最集中
柱子的破坏形态有弯曲破坏、剪切破坏、粘结破坏三种类型，具体有：
1) 弯曲破坏；2) 剪切破坏；3) 粘结开裂破坏；4）短柱剪切破坏；

图 2 弯曲破坏[4]

图 3 短柱剪切破坏[4]

图 4 粘结开裂破坏[4]

图 5 短柱剪切破坏

图 6 柱端破坏[1]

图 7 柱压溃破坏[4]
震害分析：
1)弯曲破坏。通常发生在柱顶或柱底截面。破坏时压区混凝土压碎、主筋压屈。受拉钢筋有时能达到屈服，有时则达不到屈服[4]。
2)剪切破坏[4]
剪切受压破坏。在荷载作用下，水平弯曲裂缝向斜向发展，形成斜裂缝。当箍筋配置较多时，斜裂缝不会迅速开展，而是剪压区混凝土在弯、剪的共同作用下压碎。
剪切受拉破坏。当剪跨比较小且配箍率较低时，在主筋受拉屈服后，随着反复荷载的作用，会产生一条较宽大的斜裂缝，导致箍筋屈服、柱子剪坏。
剪切斜拉破坏。一般发生在短柱中。斜裂缝往往沿柱子对角出现，箍筋达到屈服甚至被拉断，柱子被剪坏。
3)粘结开裂破坏[4]。粘结破坏有两种类型，一是由于钢筋锚固不足被拔出而破坏；另一种是在柱子弯曲裂缝或剪切裂缝出现后，在反复荷载作用下，沿主筋出现粘结裂缝，使混凝土沿主筋酥裂脱落导致柱子破坏。
4)短柱剪切破坏。由于实心砖填充墙和错层等对框架柱的约束，如：框架柱间砌筑不到顶的隔墙、窗间墙以及楼梯间休息平台使框架柱变成短柱。
设计对策：
1、 柱的抗震性能主要依赖于其延性，而影响框架柱延性的几个重要参数有：剪跨比、
轴压比和剪压比。因此必须从这三个指标去进行柱的抗震设计。
2、 对于短柱，规范规定主要有下列几个方面：
截面验算：轴压比限值应比一般柱降低0.05，截面组合的剪力设计值应满足规范要求[6]。
构造要求：抗震等级为一级时每侧纵向钢筋配筋率不宜大于1.2%；箍筋沿柱子全高加密，间距不应大于100mm，宜采用复合螺旋箍或井字复合箍，其体积配箍率在6~8度时不应小于1.2%，9度时不应小于1.5%；梁柱节点核芯区的体积配箍率不应小于上下柱端的较大值（体积配筋率计算时，可以计入在节点有效宽度范围内梁的纵向钢筋）[6]。
超短柱：剪跨比小于1.5的要专门研究，如采取增设交叉斜筋、外包钢板箍、设置型或将抗震薄弱层转移到相邻的一般楼层[6]。

图 8 节点剪切破坏[4]

图 9 节点区箍筋滑落[1]
2.1.3节点
震害特点：震害较少
1） 节点区剪切破坏；
2） 节点区箍筋滑落；
3） 节点区锚固失效；
震害分析：
节点区破坏大多为抗剪
不足、配箍不足和钢筋锚固
失效等所致。
设计对策：
采取箍筋加密或箍筋构造技术，如连续箍筋等。
2.1.4楼梯：
震害特点：实际震害表明，楼梯间的破坏相对严重和集中。
1)楼梯端部的破坏；2)楼梯段断裂；3)楼梯平台柱的短柱剪切破坏；4)平台梁破坏；5） 钢筋脆断；

图 10 梯平台柱破坏[4]

图 11 梯间墙体破坏[4]

图 12 梯段梁的破坏[1]

图 13 梯段板断裂[4]

图 14 楼梯倒塌[4]

图 15 梯段端部破坏[1]
震害分析：
在框架结构中，由于支撑效应使楼梯板承受较大的轴向力，地震时楼梯段处于交替的拉弯和压弯受力状态，当楼梯段的拉应力达到或超过混凝土材料的极限抗拉强度时，就会发生受拉破坏。而楼梯间的平台梁，则由于上下梯段的剪刀作用，产生剪切、扭转破坏。同时有些楼梯钢筋采用冷轧扭钢筋，延性不够，地震下作用下钢筋脆断。
设计对策：
在结构抗震设计中，历来把楼梯梯段作为非抗侧力结构处理。汶川地震中，出现了许多楼梯间破坏导致人员伤亡的事故，为此，建议从计算到构造采取下列综合抗震对策，力求将楼梯间建成突发事件的应急疏散安全通道[6]：
1. 结构整体计算分析时，在3.6.6条明确规定，计算模型的建立、必要的简化计算与处理，应符合结构的实际工作状况；计算中应考虑楼梯构件的影响[6]。
2. 增设楼梯间的构造柱，在强制性条文7.3.1条中，要求楼梯间四角以及楼梯斜梯段上下端对应的墙体处及隔12m或楼梯间对应的另一侧内横墙与外纵墙交接处(二者取一)设置构造柱[6]，于是，楼梯间共有8根构造柱，与7.3.8条的强制性要求一起，有助于形成应急疏散的安全岛。
3. 强制性条文7.3.8条中，要求顶层楼梯间墙体应沿墙高每隔500mm设2φ6通长钢筋和φ4分布短钢筋平面内点焊组成的拉结网片或φ4点焊网片；7～9度时其他各层楼梯间墙体应在休息平台或楼层半高处设置60mm 厚、纵向钢筋不应少于2φ10的钢筋混凝土带或配筋砖带，配筋砖带不少于3皮，每皮的配筋不少于2φ6，砂浆强度等级不应低于M7.5且不低于同层墙体的砂浆强度等级[6]。并规定8、9度时不应采用装配式楼梯段。
2.2非承重结构
2.2.1填充墙或围护结构
震害特点：震害较集中
1) 斜向或交叉斜向剪切裂缝；2) 水平或竖向墙体-框架界面裂缝；
3) 填充墙局部破坏；4) 填充墙倒塌；

图 16 交叉斜向剪切裂缝[4]

图 17 填充墙倒塌[4]

图 18 楼梯间填充墙倒塌[4]
震害分析：
填充墙的砌块和砂浆抗拉强度都不高，其界面的粘结强度也较低，加之施工质量难以保证，使得砌体墙在地震作用下很容易开裂，严重时还会出现错位甚至倒塌[6]。由于涉及砌块、砂浆两种材料及其界面的复杂力学行为，以及施工的高离散性，砌体的力学行为十分复杂。目前对填充墙的研究主要集中在两个方面：破坏机理和变形能力。
根据材料的不同和同主体结构的连接条件，它们可能对结构产生不同程度的影响，如：①减小主体结构的自振周期，增大结构的地震作用。②改变主体结构的侧向刚度分布，从而改变地震作用在各结构构件之间的内力分布状态。③处理不好，反而引起主体结构的破坏，如局部高度的填充墙形成短柱，地震时发生柱的脆性破坏。
设计对策：
1）改进填充墙的构造措施[6]——变形机理。填充墙的变形能力，包括抗裂能力和抗倒塌能力，很大程度上受构造措施影响。合理的构造措施，如设拉结钢筋、构造柱、水平系梁等，能够有效增强填充墙与主体结构的协调变形能力，避免填充墙的严重破坏。
2）强化基于性能的抗震设计[6]——破坏机理。根据填充墙变形能力和经济承受能力，合理确定建筑抗震性能设计目标，特别是变形设计目标，从而控制填充墙等非结构构件在不同预定地震水准下的破坏程度。
新抗规修订内容：
规范第13.3.3规定,钢筋混凝土结构中的砌体填充墙, 宜与柱脱开或采用柔性连接[6]。
填充墙应沿框架柱全高每隔500~600mm 设2φ6拉筋，拉筋伸入墙内的长度，6、7度时宜沿墙全长贯通(原规定为墙长的1/5且不小于700)，8、9度时应全长贯通[6]。
楼梯间和人流通道的填充墙，尚应采用钢丝网砂浆面层加强[6]。
砌体的砂浆强度等级不应低于M5；实心块体的强度等级不宜低于MU2.5，空心块体的强度等级不宜低于MU3.5；墙顶应与框架梁密切结合[6]。
2.2.2出屋面结构：电梯机房、水箱间、女儿墙、烟囱、设备间和其它设施
震害特点：震害表明，突出屋面的小房间在地震中破坏较为严重。

图 19 出屋面梯间墙体破坏[4]

图 20 出屋面梯间墙体破坏[4]

图表 21 出屋面钟楼坠落[4]
震害分析：屋面突出结构“鞭梢效应”破坏的原因是该部分结构相对于下部主体结构有明显的刚度突变，而在地震作用下，建筑物顶部受高阶振动影响，地震反应较大，造成屋面突出结构产生很大的受力集中混入变形集中，极易造成较大的震害[7]。
设计对策：
条文5.2.4条明确规定：突出屋面的屋顶间、女儿墙、烟囱等突出部分的地震作用效应，宜按规定乘以增大系数或作为质点直接参与计算。对于顶层带有空旷大房间或轻钢结构的房屋，不宜视为突出屋面的小屋用基底剪力法乘以增大系数的方法计算地震作用效应，而应视为结构体系的一部分，用振型分解法等[6]。
强制性条文7.3.8条明确规定：突出屋顶的楼、电梯间，构造柱应伸到顶部，并与顶部圈梁连接，所有墙体应沿墙高每隔500mm设2φ6 通长钢筋和φ4分布短筋平面内点焊组成的拉结网片或φ4点焊网片[6]。
2.3防震缝的问题
震害特点：相邻建筑物或单元间的碰撞，及其带来的附加破坏（填充墙等）。

图 22防震缝宽度不够，相邻两建筑地震时相互碰撞[4]

图 23建筑物碰撞导致结构倾斜[4]

图 24建筑物碰撞导致墙体破坏[4]
震害分析：实际工程中，设置抗震缝的建筑往往是体形复杂、平立面不规则,而设置防震缝的部位往往也是应力集中、变形集中或地震扭转效应等导致的易损部位。防震缝的宽度受到基础形式（悬挑）、建筑装饰等要求限制，往往难以满足强烈地震时实际侧移量，从而造成相邻单元碰撞而产生震害相邻建筑地震中相互碰撞。在国内外历次地震中，一再发生相邻建筑物碰撞的事例。究其原因，主要是相邻建筑物之间或一座建筑物相邻单元之间的缝隙，不符合防震缝的要求，或是未考虑抗震，或是构造不当，或是对地震时的实际位移估计不足，防震缝宽度偏小。
设计对策：
规范第3.4.5、3.4.6条规定：体形复杂,平立面特别不规则的建筑结构,应根据不规则程度、地基基础条件和技术经济等因素的比较分析，确定是否设置防震缝。当不设置防震缝时，应采用符合实际的计算模型，分析判明其应力集中、变形集中或地震扭转效应等导致的易损部位，采取相应的加强措施。并提高了设置防震缝的最小宽度(70mm→100mm)；对于8、9度框架结构保证足够的防震缝宽度，必要时设置抗撞墙[6]。
2.4建筑选址
震害特点：
1） 地震带内房屋毁灭性坍塌；
2） 山体滑坡和泥石流作用，引起建筑的倒塌；
3） 地基土的不均匀沉陷、地面塌陷、隆起及粉、砂土液化等引起的建筑物灾害；

图25 震后汶川县映秀镇

图 26 地面隆起[4]

图 27 沙土液化[4]
震害分析：
地震带、山体滑坡、泥石流、基土的不均匀沉陷、地面塌陷、隆起及粉、砂土液化等地址灾害对建筑物往往造成毁灭性倒塌
设计对策：
本次修订，条文4.1.1条明确其它地段划为可进行建设的一般场地。考虑到高含水量的可塑黄土在地震作用下会产生震陷，历次地震的震害也比较重，当地表存在结构性裂缝时对建筑物抗震也是不利的，因此将其列入不利地段[6]。
条文4.1.7条规定：在避让距离的范围内确有需要建造分散的、低于三层的丙、丁类建筑时，应按提高一度采取抗震措施，并提高基础和上部结构的整体性，且不得跨越断层线[6]。
汶川地震中，山区的建筑震害较为明显，因此，将4.1.8条提升为强制性条文，要求建造于“条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩石和强风化岩石的陡坡、河岸和边坡边缘等不利地段的建筑结构，地震作用应乘以增大系数1.1~1.6” [6]。
针对旧规范中条文4.3.2条，也做了如下修订：1、一般要求将液化判别深度加深到20m[6]。对于规定可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算的各类建筑，可只判别地面下15m范围内土的液化。2、对地震液化判别方法进行了改进与完善[6]。根据人工神经网络模型与我国大量的液化和未液化现场观测数据，得到极限状态时的液化强度比函数，建立安全裕量方程，利用结构系统的可靠度理论可得到液化概率与安全系数的映射函数，并可给出任一震级不同概率水平、不同地面加速度以及不同地下水位和埋深的液化临界锤击数。
3. 结论和展望
1）“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”的三强三弱的抗震设计理念贯穿结构构件计算和构造设计的全过程，也是抗震理念的精髓。
2）完善第二阶段的抗震设计方法；目前我国抗震规范关于大震不倒措施还需要进一步完善，有必要通过总结震害特征、对建筑典型震害的实验再现与理论分析，进一步研究结构抗倒塌设计方法和具体措施，在抗震设计中也应给出抗倒塌设计的具体规定。
3）重视结构体系与选型；根据系统科学方法的思想，结构的抗震能力，首先取决于结构系统的设计，即结构抗震体系的问题，其次是抗震构造措施，最后才是具体的抗震计算问题[5]。
4）基于对结构整体性，即将结构视为一个结构系统来进行抗震理念的改进和抗震设计（如基于结构鲁棒性和防连续倒塌的抗震设计[5]、基于结构控制（隔震技术）的抗震设计[2]和基于结构性能的抗震设计等）亟待进一步研究。
参考文献
[1]李乔，赵世春等.汶川大地震工程震害分析[M].四川.西南交通大学出版社,2008.
[2]周献祥.结构设计笔记[M].北京:知识产权出版社,2008.
[3]杨杰.框架结构计算分析与设计实例[M].北京:知识产权出版社,2008.
[4]黄世敏.建筑物典型震害及抗震规范修编(PPT).中国建筑科学研究院.
[5] GB50011-2001.建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.
[6] GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[7]叶列平,曲哲,陆新征,冯鹏.建筑结构的抗倒塌能力—汶川地震建筑震害的教训[J].建筑结构学报,2008,29(4):42-50.
[8]叶列平,曲哲,马千里,陆新征等.从汶川地震中框架结构震害谈”强柱弱梁”屈服机制的实现[J].建筑结构,2008,38(1):52-59..
[9]杨佑发,袁政强,敬登虎.高层建筑结构抗震设计中鞭梢效应的分析[J].世界地震工程,2004,20(1):85-89.