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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)    
時間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]


    《汶川地震建筑震害調(diào)查分析》，報告人：葉列平
    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(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)、高強混凝土結(jié)構(gòu)、預應(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)計方法、纖維增強復合材料及工程應(yīng)用、混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)和計算理論等的研究。

    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。這個圖片是一個小學，這個是有外廊的，有構(gòu)造柱的，這種新的抗震規(guī)范設(shè)計的樓多了一個抗震的層次，性能就比較好。
    所以對于未設(shè)防的砌體結(jié)構(gòu)，基本都是唐山地震的重復，按照89規(guī)范以后設(shè)計的，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)主要是如何落實抗震規(guī)范執(zhí)行的問題，特別是落實圈梁和構(gòu)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(shè)計、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重，未實現(xiàn)強柱弱梁?？蚣芙Y(jié)構(gòu)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(jié)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(wǎng)，造成恐懼的心理，真黑的修復工作量很大，費用很高，規(guī)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(xù)的箍筋約束混凝土的辦法增強，這個是連續(xù)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(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(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(fā)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(xù)箍筋技術(shù)可以防止柱端混凝土強度嚴重退化。底層側(cè)移郭達，并導致倒塌，這個前面介紹過了。這柱端出現(xiàn)塑性鉸，未實現(xiàn)強柱弱梁屈服機制，要實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)屈服機制，這是地震是整個的，必須在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)方案的時候，必須考慮整個結(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，而且是一個穩(wěn)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(guī)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(guān)屈服機制，今年的六月份專門有一個文章討論結(jié)構(gòu)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(guī)范關(guān)于強柱弱梁的屈服機制的規(guī)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(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(nèi)的，哪些是超出了我們預測的范圍之外的，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)實際抗側(cè)剛度分布不均勻，這個例子前面已經(jīng)講過了。這個也不多說了，已經(jīng)放了很多照片了。
    這些原因就會改變整個結(jié)構(gòu)的整體受力機制，使得整體機構(gòu)難以形成強柱弱梁的屈服機制，這個原因加劇了結(jié)構(gòu)的地震破壞。抗規(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。而且實際工程中，填充墻的類型很多，布置復雜，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雜。這個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)計目標，分兩個方面，一個是填充墻的目標，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)計思想，但是按照這種思路設(shè)計時，填充墻在中震下發(fā)生開裂應(yīng)屬于正常預期目標，但大震下填充墻不倒塌。同時應(yīng)該把這個墻作為整體結(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。我們看個例子，這是綿陽地區(qū)的，這個填充墻里面再加構(gòu)造柱，這個墻就沒有問題，這是一個高層的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的，覺得沒有問題，但是服務(wù)員是有點擔心。因為時間關(guān)系這個不詳細說了。
    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(xiàn)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(shè)計目標和鄉(xiāng)野的配套構(gòu)造措施，如果是要把強柱弱梁作為包括填充墻在內(nèi)的整體結(jié)構(gòu)抗震的屈服機制設(shè)計目標時，預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?？挂?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(shè)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(xiàn)行規(guī)定的柱梁強度比數(shù)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(jié)構(gòu)內(nèi)力分析計算簡圖按構(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(guī)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(guī)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(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，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(xiàn)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(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，不利于實現(xiàn)強柱弱梁的機制等等。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，這個柱子是預防在先，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，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(guī)定柱最小截面尺寸，這次因為出現(xiàn)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(jié)構(gòu)不要用了，還不如砌體結(jié)構(gòu)，關(guān)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(shè)計的計算方法是，框架梁內(nèi)力按小震計算確定，框架柱內(nèi)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(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(shè)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(jīng)受過地震，你怎么知道這個柱子夠呢，對于純框架結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(jié)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(shè)計中給予充分的考慮，就會使得框架結(jié)構(gòu)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(guī)范應(yīng)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(shè)計人員應(yīng)該充分的認識到，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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