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建筑結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力??汶川地震建筑震害的教訓(xùn)

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

    建筑結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力??汶川地震建筑震害的教訓(xùn)
    葉列平,曲哲,陸新征,馮鵬
    清華大學(xué)土木工程系,北京 100084

    摘 要:工程結(jié)構(gòu)的抗震能力是社會抗震防災(zāi)系統(tǒng)的第一道防線。建筑物的倒塌是震害的根源,建筑物在地震中的破壞程度,大體決定了震害的嚴(yán)重程度。因此,建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力,特別是抗倒塌能力,對于社會整體抗震防災(zāi)非常重要。本文結(jié)合汶川地震中建筑震害的教訓(xùn),運用系統(tǒng)科學(xué)的思想分析了提高建筑結(jié)構(gòu)整體抗震能力的途徑,重點針對建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌能力,提出了建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中應(yīng)注意的問題和改
    進建議。
    關(guān)鍵詞:汶川地震;建筑震害;結(jié)構(gòu)抗震體系;抗倒塌設(shè)計;魯棒性;整體穩(wěn)定性;整體牢固性

    在城市抗震防災(zāi)系統(tǒng)的等級序列中,建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的抗震能力是抗震防災(zāi)的第一道防線。房屋建筑的倒塌與破壞是造成巨大災(zāi)難的根源,正如美國科羅拉多大學(xué)的一位專家曾經(jīng)說過,“造成傷亡的是建筑物,而不是地震”。本文根據(jù)汶川地震中的典型建筑震害分析,用系統(tǒng)科學(xué)的思想分析了提高建筑結(jié)構(gòu)整體抗震能力的途徑,重點針對建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌能力,提出了建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中應(yīng)注意的問題和改進建
    議。
      1 汶川地震中建筑震害的基本特點
      汶川地震建筑震害表明,隨著我國房屋建筑抗震安全儲備與設(shè)計水平的提高(從74 抗震規(guī)范到89 抗震規(guī)范再到01 抗震規(guī)范),從80 年代到90 年代再到21 世紀(jì)后,按照最新抗震標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計建造的建筑物,其震害有明顯減輕的趨勢。符合89 和01 抗震規(guī)范的建筑,基本沒有嚴(yán)重損壞或倒塌。對于體量不大、體型比較規(guī)則的,采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架、磚混結(jié)構(gòu)等成熟結(jié)構(gòu)體系的建筑物,當(dāng)按89 和01 抗震規(guī)范進
    行設(shè)計,并保證施工質(zhì)量時,總體上能夠達到預(yù)期的抗震性能目標(biāo)。這意味著良好的抗震設(shè)計和施工質(zhì)量,完全能夠有效的減少因建筑物震害產(chǎn)生的損失,特別是能夠大量減少人員傷亡。
      相反,89 抗震規(guī)范以前的建筑震害明顯較重,特別是大量為采取抗震措施的磚混結(jié)構(gòu),在這次地震中震害十分嚴(yán)重。另一方面,村鎮(zhèn)建筑和農(nóng)民自建住宅,由于缺乏必要的抗震知識和必要的技術(shù)指導(dǎo),加之年久失修,震害也比較嚴(yán)重。圖1 和圖2 分別為安縣秀水鎮(zhèn)新舊兩個街區(qū)的整體震害情況。

      2 汶川地震中主要結(jié)構(gòu)形式的震害
      本文主要討論建筑結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力,以下首先介紹汶川地震中主體結(jié)構(gòu)損壞、嚴(yán)重破壞和倒塌的典型建筑震害。
      2.1 磚混結(jié)構(gòu)
      四川地震區(qū)磚混結(jié)構(gòu)的數(shù)量很多,震害也非常嚴(yán)重。村鎮(zhèn)的住宅、教學(xué)樓,城市的一些舊的居民樓、辦公樓、小型廠房大多采用這種結(jié)構(gòu)。在汶川地震中,大量磚混結(jié)構(gòu)發(fā)生整體倒塌,甚至是粉碎性倒塌,造成了慘重的人員損失。圖3 為磚混結(jié)構(gòu)的典型震害。

      對一些倒塌的磚混結(jié)構(gòu)建筑的調(diào)查發(fā)現(xiàn),倒塌的主要原因可以歸結(jié)為兩點,一是結(jié)構(gòu)形式不合理,如教學(xué)樓大多采用縱墻承重、大開間、大開窗、外挑走廊;二是抗震構(gòu)造措施嚴(yán)重不足,如預(yù)制樓板無拉結(jié)、無后澆疊合層,特別無構(gòu)造柱,甚至沒有圈梁。具有這兩個特點的砌體結(jié)構(gòu)大多在設(shè)防烈度地震下發(fā)生整體性倒塌,甚至是粉碎性倒塌,許多磚混教學(xué)樓的整體倒塌更成為震后社會各界關(guān)注的焦點,造成了嚴(yán)重
    的社會影響(圖4)。

      然而震害調(diào)查中同時發(fā)現(xiàn),一些按規(guī)范認真設(shè)計、結(jié)構(gòu)形式和抗震構(gòu)造措施合理的磚混結(jié)構(gòu)房屋,抗震性能滿足設(shè)防要求,見圖5。事實上,1976 年唐山地震以及上世紀(jì)末我國西部地區(qū)的多次地震震害都表明[1][2][3],磚混結(jié)構(gòu)中的現(xiàn)澆鋼筋混凝土圈梁、構(gòu)造柱對于結(jié)構(gòu)在地震中保持整體性,避免發(fā)生整體倒塌具有非常重要的作用,特別是構(gòu)造柱的作用尤為重要。只要構(gòu)造措施得當(dāng),磚混結(jié)構(gòu)完全可以實現(xiàn)預(yù)期的抗震設(shè)防目標(biāo)。這次地震卻重蹈了唐山地震慘烈震害的覆轍,很多是在結(jié)構(gòu)體系和設(shè)計方面存在問題,具體原因?qū)⒃谙挛脑敿氂懻摗?br />

      2.2 框架-砌體混合結(jié)構(gòu)
      這類混合結(jié)構(gòu)大致可以分為豎向混合(如底部框架-上部磚混的結(jié)構(gòu))和水平混合(部分框架-部分磚混的結(jié)構(gòu))兩類。它們表現(xiàn)出各自不同的典型震害。
      豎向混合的框架-砌體混合結(jié)構(gòu)多為底部軟弱層破壞。在底框磚混建筑中,底層框架結(jié)構(gòu)的剛度遠小于上部結(jié)構(gòu),地震作用下底層框架變形集中,損傷嚴(yán)重,成為整個結(jié)構(gòu)的軟弱樓層,使結(jié)構(gòu)發(fā)生局部型的破壞,甚至倒塌,而結(jié)構(gòu)的其它部分則沒能發(fā)揮其抗震能力。圖6 為幾個典型的底部軟弱層破壞震害。

      對于框架-砌體水平混合結(jié)構(gòu),由于結(jié)構(gòu)體系混亂,在地震作用下框架和砌體承重墻抗側(cè)力構(gòu)件的剛度和變形能力不協(xié)調(diào),框架部分與砌體結(jié)構(gòu)部分受力復(fù)雜,極易導(dǎo)致嚴(yán)重破壞。圖7 為框架-砌體水平混合結(jié)構(gòu)的震害情況。框架-砌體水平混合結(jié)構(gòu)的大量存在,不僅僅是這次地震受影響區(qū)域的局部問題,而是在我國西部地區(qū)具有一定的代表性,近年來西部地區(qū)的幾次地震都反映出類似的問題,應(yīng)該引起重視[4]。

      2.3 框架結(jié)構(gòu)
      本次地震中,大多數(shù)框架結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)震害一般較輕,盡管如此,震害調(diào)查顯示,框架結(jié)構(gòu)的柱端出鉸、柱端剪切破壞、節(jié)點區(qū)破壞等現(xiàn)象比較常見,見圖8。這些震害表明,現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范[5]中要求柱鉸機制機制的破壞模式?jīng)]有實現(xiàn),“強柱弱梁、強剪弱彎、強結(jié)點弱構(gòu)件”等設(shè)計理念沒有實現(xiàn)。在強柱弱梁方面,由于框架梁跨度過大使得其截面尺寸增大、樓板對框架梁的剛度和承載力貢獻、建筑需要在框架
    梁的砌體或填充墻的剛度增強作用,規(guī)范對框架柱的軸壓比限值過高使得框架柱的截面尺寸偏小等,使得框架梁或屋蓋的實際剛度增大,在實際框架結(jié)構(gòu)震害中,很少看到“強柱弱梁”型破壞。

      在強剪弱彎方面,即使柱端首先發(fā)生彎曲破壞而形成塑性鉸,巨大的軸壓容易使混凝土壓潰而發(fā)生剝離脫落,從而嚴(yán)重削弱柱端的抗剪能力,而柱端出鉸并不會減小柱端受到的地震剪力,因而很容易引起剪切破壞。由此可見,需要考慮壓彎破壞對柱端抗剪承載力降低的影響,提出切實可行實用的配筋構(gòu)造技術(shù),如連續(xù)箍筋技術(shù),防止柱端混凝土強度嚴(yán)重退化,充分保證“強剪弱彎”。
      另外,框架結(jié)構(gòu)的圍護結(jié)構(gòu)和填充墻發(fā)生明顯的震害,見圖9。這雖然不屬于主體結(jié)構(gòu)的破壞,但仍然會對人員安全造成威脅,同時也造成很大的財產(chǎn)損失,使災(zāi)后修復(fù)與重建成本大大增加,尤其是對住戶的心理造成嚴(yán)重恐慌,不利于震后恢復(fù)正常生活和工作的開展。從性能化設(shè)計的角度出發(fā),對填充墻、女兒墻、建筑外立面裝飾材料等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件也應(yīng)進行相應(yīng)的抗震性能和抗震安全的研究,并在性能化抗震設(shè)計的基礎(chǔ)上,對非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計給出具體的規(guī)定。

      2.4 逃生通道損壞嚴(yán)重
      震害調(diào)查發(fā)現(xiàn),樓梯間、懸挑走廊等災(zāi)后逃生通道的震害普遍較為嚴(yán)重。在現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)中,現(xiàn)澆樓梯的破壞主要集中在跑板或跑梁跨中斷裂,填充墻開裂嚴(yán)重;而在采用預(yù)制鋼筋混凝土梁式樓梯或板式樓梯的住宅結(jié)構(gòu)中,樓梯梯板與兩端支座連接處拉開,樓梯間與結(jié)構(gòu)其它部分完全分離。如圖10 所示。

      在罕遇地震中建筑物應(yīng)能保證“大震不倒”,這是對建筑物內(nèi)人員生命安全的保障,其意義在于保證建筑物發(fā)生破壞后人員有機會逃離建筑物而獲救。但是,即使建筑物能夠“大震不倒”,逃生通道卻嚴(yán)重損壞,人員也無法及時脫離險境。因此,在保證“大震不倒”的前提下,逃生通道的重要性應(yīng)適當(dāng)提高,有必要對樓梯間特別休息平臺與梯板的抗震設(shè)計開展專門的研究,提高樓梯作為逃生通道的功能要求。
      3 提高建筑物抗倒塌能力的設(shè)計思想
      由于本次汶川地震屬于特大罕遇地震,高烈度區(qū)保證建筑在罕遇地震中做到“大震不倒”,提高建筑物抗倒塌能力,減小地震中的人員傷亡是抗震防災(zāi)的最基本要求。這次汶川地震倒塌房屋650 余萬間,人員死傷基本上都是因為房屋建筑倒塌被埋或被砸。盡管我國抗震規(guī)范的第三階段設(shè)防要求大震不倒,但大震抗倒塌計算一般僅針對少數(shù)重要建筑結(jié)構(gòu)進行,而對大量一般結(jié)構(gòu),則主要依賴結(jié)構(gòu)構(gòu)造與概念設(shè)計。
    然而,這次汶川地震中倒塌的大多數(shù)是一般房屋建筑。因此,如何保證結(jié)構(gòu)實現(xiàn)“大震不倒”的目標(biāo),特別是針對一般房屋建筑,有必要進一步展開深入的研究。探究這些建筑倒塌的原因,除了地區(qū)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的問題外,研究建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在災(zāi)害作用下的整體性,是提高結(jié)構(gòu)整體抗震能力的關(guān)鍵。
      3.1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性、整體穩(wěn)定性和整體牢固性
      建筑結(jié)構(gòu)是由很多基本構(gòu)件組成的一個復(fù)雜系統(tǒng),本文基于系統(tǒng)科學(xué)的思想,探討建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的抗倒塌能力和設(shè)計建議。根據(jù)系統(tǒng)科學(xué)的基本概念,一個復(fù)雜系統(tǒng)的功能主要取決于其整體性。整體性是系統(tǒng)方法的核心和目標(biāo)。系統(tǒng)的整體性可以簡單的表述為“整體不等于部分之和”。對于建筑結(jié)構(gòu)來說,一方面,構(gòu)件的功能依賴于結(jié)構(gòu)整體,任何構(gòu)件一旦離開結(jié)構(gòu)整體,就不再具有它在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中所能發(fā)揮的功能;另一方面,構(gòu)件影響結(jié)構(gòu)整體的功能,任何構(gòu)件一旦離開結(jié)構(gòu)整體,結(jié)構(gòu)整體喪失的功能不等于該構(gòu)件在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中所發(fā)揮的功能,可能更大,也可能更小。
      由于系統(tǒng)組成的復(fù)雜性,采用同樣的結(jié)構(gòu)構(gòu)件按不同方式所組成的建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng),其整體性可能表現(xiàn)為截然不同的結(jié)果。如果因為結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的互相依賴而加劇了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體功能的損失,則結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體抗震能力弱,這樣的整體性屬于不利的整體性,也即所謂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的易損性。911 事件后,國際工程界對建筑結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌機理的研究正是為了克服結(jié)構(gòu)易損性可能造成的危害。與之相對的是有利的整體
    性,經(jīng)過合理設(shè)計和組織的結(jié)構(gòu)系統(tǒng),能夠利用元素之間的相互依賴與影響,最大限度地減少結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體功能的損失,即所謂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性。
      魯棒性是反映復(fù)雜系統(tǒng)整體性的一個重要特性。在討論建筑結(jié)構(gòu)時,結(jié)構(gòu)專家也常用“結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性”和“結(jié)構(gòu)的整體牢固性”來表述。事實上,“魯棒性”、“整體穩(wěn)定性”和“整體牢固性”是從不同的角度對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體性的描述。在系統(tǒng)方法中,穩(wěn)定性有其特定的定義,而整體牢固性則是更接近工程的技術(shù)術(shù)語。為此,以下先從系統(tǒng)科學(xué)角度,對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的“魯棒性”、“整體穩(wěn)定性”和“整體牢固性”的概念給予明確。
      結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性是指,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不會因為某個局部構(gòu)件的破壞而出現(xiàn)與之不相稱的整體功能喪失,也即局部構(gòu)件破壞對結(jié)構(gòu)整體性能沒有造成什么影響,這可以直觀的表述為一種“減法整體性”,即3-1>2。文獻[5]詳細討論了抗震結(jié)構(gòu)的魯棒性對于罕遇地震中結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的重要意義,并提出了增強結(jié)構(gòu)系統(tǒng)抗震魯棒性的方法,如增加結(jié)構(gòu)的冗余度、明確不同構(gòu)件的功能類型、實現(xiàn)多重抗震防線、提高結(jié)構(gòu)的整體牢固性等。
      結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性注重對損傷結(jié)果的描述,而結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性則注重對損傷過程的描述。這里所說的穩(wěn)定性,是從結(jié)構(gòu)狀態(tài)突變的角度定義的廣義穩(wěn)定性,而一般經(jīng)常討論的壓桿分叉失穩(wěn)問題只是種種狀態(tài)突變中的一種。在災(zāi)害作用下,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)從完好狀態(tài)向破損狀態(tài)甚至倒塌狀態(tài)的變化過程,存在穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的兩種變化過程。如果發(fā)生突變破壞,建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的倒塌過程將難以預(yù)測和控制。因此,
    希望結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的損傷破壞過程能夠表現(xiàn)為連續(xù)穩(wěn)定的漸進式破壞過程,這種破壞過程相對容易預(yù)測與掌控,而且破壞過程中結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體性依然能夠得到保持。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定漸進式的破壞過程,可分解為多個連續(xù)穩(wěn)定的階段,每個階段都有相應(yīng)的損傷控制機制,并能充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件層次的承載能力和變形能力,從而有效的避免瞬間的突變式破壞。這種連續(xù)穩(wěn)定的漸進式破壞過程,可以使得結(jié)構(gòu)系統(tǒng)從開始破壞到最終倒塌有相當(dāng)長的時間,并且在這一過程如果外界災(zāi)害作用停止,則整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)破壞過程也停止,不會在短時間內(nèi)繼續(xù)發(fā)展,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以維持其整體狀態(tài),因而能夠保證建筑內(nèi)的人員逃離。文獻[7]將結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞模式分為整體型與局部型兩種,其中整體型破壞模型具有連續(xù)穩(wěn)定的破壞過程,且有利于充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中各個部分的能力,是比較理想的破壞模式。文獻[7]提出了
    在結(jié)構(gòu)設(shè)計中保證整體型破壞模式的思路,并指出其關(guān)鍵在于正確認識結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的層次性并使構(gòu)件功能及其安全儲備與它們的重要性相匹配。
      結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性與整體穩(wěn)定性實際上是一個問題從不同角度的表述,前者描述結(jié)果,后者描述過程。因此,增強結(jié)構(gòu)系統(tǒng)魯棒性與穩(wěn)定性的設(shè)計思路與途徑是統(tǒng)一的。
      除此之外,建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)成立的前提條件是構(gòu)件之間的相互作用。如果在地震作用下,建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可輕易地解體為單個構(gòu)件,則上述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體性也無從談起。因此,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體牢固性是實現(xiàn)上述魯棒性和整體穩(wěn)定性的前提,也即建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)注重構(gòu)件之間的連接構(gòu)造,保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間有利的相互作用能夠得到充分的發(fā)揮,最大程度的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體抗震能力目標(biāo)。
      盡管整體牢固性是實現(xiàn)上述魯棒性和整體穩(wěn)定性的前提,但結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性和整體穩(wěn)定性屬于整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)層面的概念,與整體牢固性仍然具有不同的意義。比如,底框結(jié)構(gòu),可能底框柱與上部結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造措施很牢固,但由于這個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)屬于局部型破壞機制,結(jié)構(gòu)的整體抗震能力仍然不好。因此,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性、整體穩(wěn)定性和整體牢固性是保證結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體抗倒塌能力不可或缺的三個方面。
      3.2 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全儲備
      雖然建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)從建成伊始便是作為一個整體而存在的,具有整體性,但在一般常遇荷載(如豎向靜力荷載等)作用下,建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體性的作用和意義并未得到充分體現(xiàn),各個構(gòu)件都處于正常工作狀態(tài),基本如同積木式結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。只有在強烈的外界作用下(如罕遇地震等極端災(zāi)害),構(gòu)件與構(gòu)件之間的相互作用的強烈非線性特征,建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體性才在保證整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全中體現(xiàn)出其意義和
    價值。
      圖11 用結(jié)構(gòu)的側(cè)向荷載-位移曲線表示結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在水平地震作用下的行為。圖中B 點為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的宏觀屈服點,屈服點前后結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體剛度發(fā)生明顯的變化。圖中D 點為倒塌前后的臨界點,稱為“倒塌點”。倒塌點的定義目前還沒有統(tǒng)一的結(jié)論,本文從結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性角度來定義“倒塌點”,認為在水平作用停止,結(jié)構(gòu)仍能承擔(dān)其自重作用并恢復(fù)一定的彈性變形,即圖11 中DE 段曲線,則沒有倒塌;但如果撤去水平作用,結(jié)構(gòu)在其自重作用下變形進一步加大而無法控制,即圖11 中DF 段曲線,則結(jié)構(gòu)倒塌。兩種狀態(tài)的臨界點即為結(jié)構(gòu)的倒塌點。

      在“小震不壞”的設(shè)計階段,為了保證結(jié)構(gòu)不進入屈服,規(guī)范考慮到正常情況下可能的各種隨機因素與結(jié)構(gòu)安全儲備,設(shè)定了低于屈服點B 的“小震設(shè)計點”,如圖11 中的A 點。在這一階段,結(jié)構(gòu)的安全儲備主要由各個構(gòu)件的承載力安全儲備保證,即在數(shù)值上等于安全儲備最小的構(gòu)件的承載力安全儲備。這種安全儲備可以稱為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的“基本承載力安全儲備”,如圖11 中A 點與B 點之間的承載力富余程度。其工程意義在于保證結(jié)構(gòu)系統(tǒng)滿足正常使用狀況下的安全和適用性能需求。
      在“大震不倒”的設(shè)計階段,為了保證結(jié)構(gòu)在實際地震中不發(fā)生倒塌,應(yīng)該在倒塌點D 之前合理設(shè)定“大震不倒設(shè)計點”,如圖11 中的C 點。在我國現(xiàn)行規(guī)范中,大震不倒設(shè)計點C 點對應(yīng)于結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移要求,比如對RC 框架和多高層鋼結(jié)構(gòu)要求彈塑性層間變形不得超過1/50?!暗顾c”是客觀存在的狀態(tài),而大震不倒設(shè)計點是考慮安全儲備與各種隨機因素,按照人為設(shè)定的“大震”等級進行設(shè)計計算的狀態(tài)。事實上,從“大震不倒設(shè)計點C”到“倒塌點D”之間,結(jié)構(gòu)可能并未倒塌,而是破壞的嚴(yán)重程度不同。
      結(jié)構(gòu)系統(tǒng)作為一個整體,其屈服表現(xiàn)為系統(tǒng)中的某些構(gòu)件的屈服甚至破壞,這時整體結(jié)構(gòu)的安全儲備既與構(gòu)件的安全儲備相關(guān),但又不完全取決于構(gòu)件的安全儲備而是取決于取決于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中所有構(gòu)件在承載力、延性、耗能能力等各個方面儲備的合理分布與等級層次。因此,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全儲備只有在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體的層次上才能表現(xiàn)出來,稱為“整體安全儲備”,對應(yīng)于圖11 中B 點與C 點之間的富余程度。目
    前,通過對結(jié)構(gòu)整體進入彈塑性的計算分析,可以得到結(jié)構(gòu)的整體安全儲備,目前震規(guī)范只要求重點工程進行計算,但對一般房屋建筑結(jié)構(gòu),還需要進一步開展研究,發(fā)展簡化實用的計算,使得能夠把握一般房屋建筑結(jié)構(gòu)的“整體安全儲備”水平。
      當(dāng)結(jié)構(gòu)遭遇設(shè)計時沒有考慮的意外作用(如巨震)時,結(jié)構(gòu)狀態(tài)可能超越C 點。這時,圖11 中C 點與D 點之間的部分對于保證結(jié)構(gòu)不倒塌具有決定性的作用。這部分儲備目前難以通過計算手段加以確定,可以稱為“意外安全儲備”,主要取決于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性、整體穩(wěn)定性和整體牢固性,但這方面的研究目前還相當(dāng)缺乏。
      提高房屋建筑的抗倒塌能力,一方面是要合理的確定規(guī)范中的“大震不倒設(shè)計點”C 點,如果在規(guī)定的大震水平作用下,結(jié)構(gòu)響應(yīng)不超過C 點,則可以保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌;另一方面,由于地震發(fā)生的高度不確定性,建筑結(jié)構(gòu)有可能遭遇比按規(guī)范設(shè)定的“大震”等級更大的巨震(比如,這次汶川地震,汶川和北川為7 度抗震設(shè)防地區(qū),設(shè)計大震為8 度,卻經(jīng)歷了約11 度的地震。我國以前幾次大地震也是這類情
    況,如1966 邢臺地震:設(shè)防7 度,實際10 度;1975 海城地震:設(shè)防6 度,實際9~11 度;1976 唐山地震:設(shè)防6 度,實際11 度)。因此,在遭遇實際地震情況下,結(jié)構(gòu)狀態(tài)可能超過大震設(shè)計點。這時就需要研究如何使得結(jié)構(gòu)的倒塌臨界點D 點盡量推遲。
      當(dāng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)超越屈服點B 點,接近“大震不倒設(shè)計點”C 點,甚至超越C 點時,結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間非線性作用非常強烈,有些構(gòu)件已經(jīng)屈服甚至退出工作,結(jié)構(gòu)整體性對于保證結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的功能至關(guān)重要。因此在些階段,應(yīng)重點研究結(jié)構(gòu)整體性,努力提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性、穩(wěn)定性與整體牢固性。另外,在“大震設(shè)計點”C 點之前,尚可以通過統(tǒng)計方法大體確定隨機因素的影響,確定結(jié)構(gòu)的安全儲備;一旦超越C 點,結(jié)構(gòu)狀態(tài)與地震作用都將無法統(tǒng)計或無法預(yù)計,這種隨機性也要考慮。
      圖12 為作者在這次汶川地震調(diào)查中收集到不同破壞程度的建筑震害狀況。顯然,這些建筑震害狀況已超過抗震規(guī)范的“大震設(shè)計點”,有些并未倒塌,而有些則倒塌。盡管超過“大震設(shè)計點”可能也會造成一定的人員傷亡,但比徹底倒塌的人員傷亡要小很多。如前所說,“大震設(shè)計點”后結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的抗震性能主要取決于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性、整體穩(wěn)定性和整體牢固性,也即結(jié)構(gòu)系統(tǒng)“倒塌點D”與“大震設(shè)計點
    C”之間的“意外安全儲備”大小。因此,增強結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性、整體穩(wěn)定性和整體牢固性,是提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力具的基本思想。

      綜上所述,對于一般建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計,目前設(shè)計規(guī)范只明確了基本安全儲備,而結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體安全儲備和意外安全儲備在概念上尚未明確,相應(yīng)的工程教育也很缺乏。實際設(shè)計中有經(jīng)驗的工程師會憑借其豐富的經(jīng)驗和智慧合理發(fā)揮規(guī)范的抗震構(gòu)造措施來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體安全儲備與意外安全儲備。但由于規(guī)范目前對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體安全儲備與意外安全儲備沒有明確規(guī)定,大多未引起重視,特別是對于一
    般房屋建筑,甚至根本不被重視,甚至有些工程師盡量用足規(guī)范,不留任何余地,這固然有規(guī)范不夠完善的地方,但這樣的做法實際上是不具備工程師的基本素質(zhì)的。
      在磚混結(jié)構(gòu)中,磚墻是主要承力構(gòu)件,容易發(fā)生脆性破壞,破壞過程不穩(wěn)定,且承重墻之間的連接容易被忽視,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體牢固性不良。圈梁與構(gòu)造柱形成的整體受力框架可以為承重墻提供約束與連接,是提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性、穩(wěn)定性和整體牢固性,有效提高增加結(jié)構(gòu)意外安全儲備的關(guān)鍵。然而,意外安全儲備與傳統(tǒng)設(shè)計中經(jīng)常關(guān)注的基本安全儲備分別來自不同的構(gòu)件,使得磚混結(jié)構(gòu)的整體性容易被設(shè)計、施工與管理人員忽視,為這類結(jié)構(gòu)在地震中的安全性埋下隱患,成為磚混結(jié)構(gòu)抗震能力不足的最大問題。上文中提到的框架結(jié)構(gòu)在震害中表現(xiàn)出的“強梁弱柱、強彎弱剪”等不良破壞模式,也是基本安全儲備與意外安全儲備錯位的體現(xiàn)。梁、柱的承載力級差,構(gòu)件彎、剪承載力的級差,都只有在結(jié)構(gòu)進入屈服,構(gòu)件發(fā)生破壞以后才能體現(xiàn)出來,而在基本安全儲備階段無法體現(xiàn)??梢姡F(xiàn)行設(shè)計規(guī)范與設(shè)計理論中在
    整體安全儲備和意外安全儲備方面的缺失,是汶川地震中大量房屋倒塌的主要原因之一。下面從三個方面對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的“整體安全儲備”和“意外安全儲備”進行討論,以期提高我國建筑結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。
      4 提高建筑物抗倒塌能力的方法
      本文以下分別從完善結(jié)構(gòu)整體安全儲備的第二階段“大震不倒”抗震設(shè)計方法,以及從結(jié)構(gòu)抗震體系和結(jié)構(gòu)整體性兩方面,對“大震不倒設(shè)計點”后增加結(jié)構(gòu)意外安全儲備和提高建筑物抗倒塌能力方法進行討論。
      4.1 完善第二階段抗震設(shè)計方法
      目前,我國房屋建筑采用三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo),即“小震不壞,中震可修,大震不倒”,并采用二階段設(shè)計方法予以實現(xiàn)。第一階段為按小震進行抗震計算設(shè)計,這部分已經(jīng)比較成熟,主要解決結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本安全儲備。但對于第二階段設(shè)計,由于結(jié)構(gòu)抗地震倒塌的計算分析難度很大,目前我國抗震規(guī)范只對重要建筑有比較具體的大震驗算規(guī)定,對一般建筑主要是通過采用合理的結(jié)構(gòu)體系和采取抗震措施實現(xiàn)“大震不倒”。
      抗震措施和構(gòu)造是地震震害研究、試驗研究和理論分析的成果。由于大震下結(jié)構(gòu)倒塌問題的復(fù)雜性,現(xiàn)有研究成果很有限,目前我國抗震規(guī)范關(guān)于大震不倒的抗震措施還需要進一步完善,有必要通過總結(jié)震害特征、對建筑典型震害的實驗再現(xiàn)與理論分析,進一步研究結(jié)構(gòu)抗倒塌的設(shè)計方法和具體措施,在抗震規(guī)范中給出抗倒塌設(shè)計的具體規(guī)定。如日本1981 年后執(zhí)行的建筑基準(zhǔn)法,規(guī)定31m 以上的建筑均需進行
    按第二階段進行抗震設(shè)計,所采用的方法包括:結(jié)構(gòu)抗震承載力計算方法;極限抗震承載力計算方法;基于能量的計算方法,對于60m 以上的建筑,則要求采用時程分析方法??梢?,日本要求進行第二階段抗震計算的建筑范圍比我國規(guī)范大,而且有相應(yīng)的配套的實用計算方法,便于設(shè)計人員具體應(yīng)用。因此,建議進一步開展建筑結(jié)構(gòu)抗地震倒塌設(shè)計方法研究,完善我國規(guī)范第二階段設(shè)計方法的具體規(guī)定,擴大第二階
    段設(shè)計的應(yīng)用范圍。
      關(guān)于第二階段設(shè)計方法,應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)抗震倒塌機制分析,開展建筑結(jié)構(gòu)倒塌模式的研究。針對大震下結(jié)構(gòu)整體安全儲備目標(biāo),應(yīng)在設(shè)計中控制結(jié)構(gòu)的倒塌模式,使之存在不易倒塌的區(qū)域(如衛(wèi)生間和樓梯),盡量保證建筑物內(nèi)人員可以及時逃離,或為無法及時逃出的人員提供局部生存空間,等待外部人員的救援。
      4.2 重視結(jié)構(gòu)體系與選型
      合理的結(jié)構(gòu)形式和抗震體系是保證建筑抗震安全的首要因素。本次地震中,結(jié)構(gòu)形式不合理、結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則,未有效設(shè)置圈梁好構(gòu)造柱的砌體結(jié)構(gòu),在本次地震中破壞嚴(yán)重,特別是單跨、縱墻承重、外挑走廊的教學(xué)樓。這類建筑結(jié)構(gòu)體系的抗震能力先天不足,再加上沒有采取起碼的抗震構(gòu)造措施(未設(shè)置圈梁、構(gòu)造柱,樓板沒有拉結(jié))和粗糙的施工質(zhì)量,才釀成如此嚴(yán)重的后果。
      根據(jù)系統(tǒng)科學(xué)方法的思想,結(jié)構(gòu)的抗震能力,首先取決于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計,即結(jié)構(gòu)抗震體系的問題,其次是抗震構(gòu)造措施,最后才是具體的抗震計算的問題。然而,在工程實踐中,由于結(jié)構(gòu)抗震體系和結(jié)構(gòu)形式很多,無法簡單的用規(guī)范條文做出規(guī)定,同時我國在建筑結(jié)構(gòu)體系的工程教育方面長期存在一些問題,以至于工程師們只會死摳設(shè)計規(guī)范,并盡量用足規(guī)范的限制,不過分的說,就是盡量鉆規(guī)范的空子,盡管規(guī)范可能存在不完善之處,但作為工程師不能用這種方式去應(yīng)用規(guī)范,而應(yīng)憑借自己的基本結(jié)構(gòu)概念好對工程負責(zé)的態(tài)度進行設(shè)計(規(guī)范也要明確規(guī)定,按規(guī)范設(shè)計不能免除設(shè)計者的法律責(zé)任)。在這次震害調(diào)查中,綿陽市有位會用規(guī)范的“大膽”工程師,其設(shè)計的10 多棟建筑中,有3 棟倒塌,其余破壞嚴(yán)重或較為嚴(yán)重。這暴露出目前“重構(gòu)件,輕結(jié)構(gòu)”的抗震設(shè)計方法的危害。為此,有必要深刻總結(jié)地震震害經(jīng)
    驗,吸取震害教訓(xùn),強化抗震規(guī)范中關(guān)于結(jié)構(gòu)體系與選型方面的指導(dǎo)性條文,進一步大力完善我國的建筑規(guī)范體系,逐漸改變目前基于構(gòu)件的規(guī)范條文體系和工程教育傳統(tǒng),建立立足于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體性的思想和規(guī)范體系,可以適當(dāng)參考國外抗震規(guī)范中的成功經(jīng)驗,如日本規(guī)范通過偏心率和剛度率的具體規(guī)定明確了對結(jié)構(gòu)體型的要求。
      另一方面,我國目前對結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的審查力度還有待改進。建筑抗震設(shè)計審查應(yīng)在重點針對結(jié)構(gòu)抗震體系的合理性審查的基礎(chǔ)上進行,而不是僅僅按規(guī)范條文逐條審查。調(diào)整并健全專業(yè)規(guī)范與相關(guān)法律法規(guī)之間的關(guān)系,突出規(guī)范的專業(yè)性與權(quán)威性,弱化其法規(guī)性。同時,為避免建筑師任意采用復(fù)雜不規(guī)則的建筑造型,給結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計造成困難,應(yīng)規(guī)定建筑師和工程師共同對建筑結(jié)構(gòu)安全擔(dān)負責(zé)任。
      需要指出的是,近年來我國建筑設(shè)計出現(xiàn)的了追求新奇特的趨勢,造成大量不利于抗震的極不規(guī)則的建筑。建筑界的這種傾向會顯著增加建筑抗震設(shè)計的難度,也會造成許多隱患。然而,盡管我國大量新奇特建筑不斷出爐,但真正在世界上有影響的標(biāo)志性建筑并不多。相反,美國、日本和西方的許多著名建筑大多不是以新奇特取勝,這一點值得我國建筑師認真反思。
      4.3 重視對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體性的研究
      建立基于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體性的規(guī)范體系,就必須從系統(tǒng)科學(xué)方法的高度,重視結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體性、魯棒性、穩(wěn)定性和牢固性的研究。而結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體性、魯棒性、穩(wěn)定性和牢固性正是使結(jié)構(gòu)在極端災(zāi)害作用下保證安全的基本屬性。
      結(jié)構(gòu)應(yīng)被看作是由不同構(gòu)件有機組織而成,構(gòu)件與構(gòu)件之間,構(gòu)件與結(jié)構(gòu)之間互相依賴、互相影響的一個系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)科學(xué),安全可靠的構(gòu)件并不一定意味著安全可靠的結(jié)構(gòu)。當(dāng)構(gòu)件之間的組織關(guān)系不利結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體性能目標(biāo)時,結(jié)構(gòu)將表現(xiàn)出易損性,極端的例子便是連續(xù)性倒塌,結(jié)構(gòu)局部的破壞迅速擴散并導(dǎo)致與原因不相稱的后果。沒有圈梁和構(gòu)造柱的砌體結(jié)構(gòu)恰恰屬于這種類型。砌體墻嚴(yán)重缺乏變形能力,
    容易發(fā)生脆性,而砌體墻偏偏又是結(jié)構(gòu)中的主要承重構(gòu)件。砌體墻某處一旦發(fā)生脆性破壞,巨大的內(nèi)力重分布很容易在結(jié)構(gòu)中引發(fā)連續(xù)性破壞,進而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的短時間內(nèi)連續(xù)性垮塌,預(yù)制樓板與樓體的不良連接更加劇了整個結(jié)構(gòu)的整體倒塌。
      然而另一方面,只要構(gòu)件組織合理,能夠形成有序的受力層次與破壞序列,就可以實現(xiàn)高魯棒性的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。圈梁、構(gòu)件造的重要意義就在于此。它們并不僅能顯著提高磚墻的承重能力,更重要的是顯著增強了結(jié)構(gòu)的整體性,使之由易損性轉(zhuǎn)變?yōu)轸敯粜浴Hα汉蜆?gòu)造柱通過對砌體墻的有效約束,提高了磚墻的變形能力,延緩了墻體的倒塌,并減小了結(jié)構(gòu)短時間內(nèi)快速解體的可能性。這種對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)抗震能力具有
    質(zhì)變的提高,不是通過提高砌體強度和砂漿強度等量變措施可以達到的,它也恰恰體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體性研究的必要性。
      從利用結(jié)構(gòu)整體性的角度講,提高結(jié)構(gòu)抵御災(zāi)害的能力并不一定要大幅提高結(jié)構(gòu)的承載力安全儲備而導(dǎo)致大幅增加建設(shè)成本。恰恰相反,只要深入研究結(jié)構(gòu)系統(tǒng),合理利用結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體性,完全可以通過少量的抗震設(shè)計或構(gòu)造措施(如設(shè)置構(gòu)造柱、圈梁、樓板拉結(jié)等),顯著提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。這符合我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村的經(jīng)濟發(fā)展水平,這方面的研究值得大力提倡。文獻[9]中關(guān)于提高我國新疆地區(qū)大量存在的土坯房的抗震能力的建議是很好的例子。這次汶川地震中再次暴露出了砌體結(jié)構(gòu)的問題,建議在總結(jié)這次震害中表現(xiàn)良好砌體結(jié)構(gòu)的成功做法,吸取破壞嚴(yán)重甚至完全倒塌砌體結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上,就如何提高砌體結(jié)構(gòu)的整體性與抗倒塌能力,開展進一步的細致研究,提出可靠的、且切實可行的砌體結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計方法和構(gòu)造措施。與此同時,也應(yīng)加大對其他結(jié)構(gòu)體系的整體性與抗倒塌能力問題的研究投入,為
    建立基于結(jié)構(gòu)整體系統(tǒng)的規(guī)范體系打好基礎(chǔ)。實現(xiàn)在巨震下人員可逃的結(jié)構(gòu)不倒的目標(biāo)。
      五、結(jié)語
      由于“大震不倒”對于減少地震人員傷亡非常重要,本文針對震害中大量房屋嚴(yán)重破損甚至完全倒塌的現(xiàn)象,討論了提高建筑物抗倒塌能力的設(shè)計思想。主要結(jié)論如下:
      (1) 建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全儲備分為基本安全儲備、整體安全儲備與意外安全儲備三個層次。其中基本安全儲備是構(gòu)件層次的安全儲備,整體安全儲備和意外安全儲備是系統(tǒng)整體層次上的安全儲備?,F(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范更多關(guān)注的是基本安全儲備,而對整體安全儲備和意外安全儲備缺少明確的要求。
      (2) 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在可預(yù)計的多遇荷載作用下的安全性可以通過基本安全儲備加以保障,而其抵御災(zāi)害的能力則依賴于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體安全儲備和意外安全儲備。意外安全儲備不足是汶川地震建筑結(jié)構(gòu)震害嚴(yán)重的主要原因之一。
      (3) 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的意外安全儲備主要來自其魯棒性、穩(wěn)定性和整體牢固性。其中整體牢固性是保證結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有整體性的前提,它要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間具有恰當(dāng)而可靠的連接。魯棒性和穩(wěn)定性則可以使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)趨向于有利的整體性結(jié)果。魯棒性要求結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不因局部受損而發(fā)生與原因不相稱的破壞;穩(wěn)定性要求結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的破壞過程具有多個層次,各個層次能夠有效地控制損傷擴散的次序與程度。
      (4) 建議從結(jié)構(gòu)第二階段抗倒塌設(shè)計、結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體性三個方面進一步開展深入的研究,完善我國現(xiàn)行規(guī)范,特別是應(yīng)加強這方面的工程結(jié)構(gòu)教育,提高我國建筑結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力的設(shè)計水平。
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