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從震害談房屋建筑的抗震性能

作者：鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-23 10:02:13 [收藏]

    　　2008年5月12日，在四川省汶川縣發(fā)生的地震造成了巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，也使得人們對日常居住的房屋，以及整個社會生活所涉及的各種公共建筑如辦公樓、學校、醫(yī)院、商場等的安全性有了更多關注。那么我們現(xiàn)在居住或使用的房屋在地震中是否安全呢？

    　　從抗震性能看房屋建筑的工程抗震設計

    　　地震的危害性非常大，建筑物的抗震性能就顯得尤為重要。目前我國抗震設計的目標是“小震不壞，大震不倒”。即當?shù)卣鹆叶刃∮谠O防烈度時，房屋應基本完好；當?shù)卣鹆叶却笥谠O防烈度時，房屋建筑即使產(chǎn)生較大破壞，也應保證不出現(xiàn)即時的垮塌，以使人員能夠有逃生的時間。

    　　我國目前房屋建筑的結(jié)構(gòu)形式主要有：以磚石為主要建筑材料的砌體結(jié)構(gòu)；以鋼筋混凝土為主要建筑材料的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土框架――剪力墻結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)；以鋼材為主要建筑材料的鋼結(jié)構(gòu)框架以及鋼與鋼筋混凝土的組合結(jié)構(gòu)。其中，住宅多為砌體結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)；公共建筑由于需要較大空間，一般為框架結(jié)構(gòu)或框架――剪力墻結(jié)構(gòu)。

    　　砌體結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)多見于多層建筑

    　　從抗震性能的角度分析：砌體結(jié)構(gòu)由于由磚、石等砌筑而成，砌塊之間的連接較差，雖然設置了鋼筋混凝土構(gòu)造柱、圈梁等加強措施，但當遇到強震時，在水平和豎向交替振動作用下，砌塊之間的連接容易被破壞，導致砌體松散，豎向受力構(gòu)件破壞，建筑物垮塌；相比之下，框架結(jié)構(gòu)能夠提供較為寬敞的使用空間，有利于建筑功能的組織和分割，但其抗側(cè)剛度較弱，在強震作用下易出現(xiàn)較大位移，導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較嚴重破壞，因此也屬抗震不利結(jié)構(gòu)。

    　　鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)多用于多高層住宅

    　　鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)有較大的抗側(cè)剛度，在地震作用下位移較小。經(jīng)過抗震設計的剪力墻結(jié)構(gòu)，在大震作用下，破壞會局限于門窗洞口處出現(xiàn)裂縫，即使墻體開裂，各墻肢也可支承樓板，不會發(fā)生大規(guī)模的垮塌。從日本坂神地震的實例來看，鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)房屋未出現(xiàn)大的破壞，震害較輕。

    　　框架――剪力墻結(jié)構(gòu)主要用于公共建筑和多高層建筑

    　　框架－剪力墻結(jié)構(gòu)是在框架結(jié)構(gòu)中合適的部位增設剪力墻，在提供滿足功能需要的大空間的同時，由增設的剪力墻提供較大的抗側(cè)剛度，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

    　　上述各種結(jié)構(gòu)形式的抗震性能，即指結(jié)構(gòu)在小震和大震下的表現(xiàn)各不相同?？傮w來說，鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)和框架－剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能較好，砌體結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的抗震性能相對差一些。

    　　由于歷史原因，在我國，80年代以前的建筑大量存在，這些建筑大多未考慮抗震或抗震能力較差，有些房屋雖經(jīng)過抗震加固，整體抗震性能依然較差。此次汶川地震中垮塌的房屋大部分為建造較早的砌體結(jié)構(gòu)和多層框架結(jié)構(gòu)。同時，由于我國經(jīng)濟發(fā)展不均衡，在部分經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)及交通運輸能力較差的地區(qū)，使用就地取材的磚石作為主要建筑材料的砌體結(jié)構(gòu)在今后相當長的時期內(nèi)仍將大量存在，而作為低層公共建筑的主要結(jié)構(gòu)形式，框架結(jié)構(gòu)也將大量存在。因此如何從設計上提高高設防烈度地區(qū)砌體結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，特別是在罕遇的強震作用下的防倒塌能力，應是今后工程抗震研究的重點。

    　　從建筑結(jié)構(gòu)上減輕地震災害的新技術(shù)

    　　近年來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)、新材料甚至新的設計思想得到大量的應用，大大豐富了提高建筑抗震能力的手段。如使用更高強度的建筑材料，能夠提高構(gòu)件的極限承載能力并降低結(jié)構(gòu)自重。與之相比，新技術(shù)、新設計思想的應用，能夠更有效地減輕地震災害。其中，隔震和消能減震就是兩種建筑結(jié)構(gòu)減輕地震災害的新技術(shù)。

    　　隔震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)中的應用

    　　隔震技術(shù)是國際上熱門的工程抗震新技術(shù)。它通過把隔震消能裝置（如橡膠隔震墊）安放在結(jié)構(gòu)物底部和基礎（或底部柱頂）之間，把上部結(jié)構(gòu)和基礎“隔開”。這樣，改變了結(jié)構(gòu)的動力特性和動力作用，明顯地減輕結(jié)構(gòu)物的地震反應，達到“以柔克剛”的效果。

    　　國內(nèi)外大量的試驗和工程實踐證明，隔震體系一般可使結(jié)構(gòu)水平地震加速度反應下降60%左右，從而消除或有效減輕結(jié)構(gòu)的地震損壞，提高建筑物及其內(nèi)部人員的安全性。隔震體系具有很大的垂直承載力（50T～2000T）及很大的垂直壓縮剛度，而其水平變形剛度較?。?.25kN/mm～1.8kN/mm），水平極限變位值較大（10～50cm），它具有足夠大的初始剛度，以抵抗風荷載和輕微地震，當強地震發(fā)生時，又能自由柔性滑動；而變形過大時，剛度回升，具有保護和限位作用，鋼板夾層橡膠隔震墊具有較大的復位能力，在多次地震中自動瞬時復位。

    　　同時，它耐久性能好，一般使用壽命可在70年以上，遠遠超過一般民用建筑物50年使用壽命的要求。1994年1月17日，美國洛杉磯大地震中，該市相距不遠的兩個醫(yī)院，一個是隔震的，地震時醫(yī)師護士照常工作；另一個是不隔震的，損壞厲害，一直無法恢復工作。1995年1月17日，日本神戶大地震，該市的西部郵政大樓和松村研究所大樓等隔震房屋經(jīng)受了地震的考驗，房屋結(jié)構(gòu)安全完好，儀器、設備、裝修等絲毫無損。根據(jù)其特性，一般來說隔震技術(shù)主要適用于較重要的低層和多層建筑，如醫(yī)院、學校、商場、科研機構(gòu)以及重要的指揮職能單位。

    　　減輕地震災害的新技術(shù)

    　　建筑結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)的應用

    　　結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)的方法是指在結(jié)構(gòu)的某些部位（如支撐、剪力墻、節(jié)點、連接縫或連接件等）設置消能阻尼裝置或元件，通過消能裝置產(chǎn)生摩擦非線性滯回變形耗能來耗散或吸收地震能量以減小主體結(jié)構(gòu)的水平和豎向地震反應，從而避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞或倒塌，以達到減震抗震的目的。這種方法主要用于高層或超高層建筑。

    　　隔震和消能減震技術(shù)目前在日本、美國已有了一定數(shù)量的應用，并在震害中有較好的表現(xiàn)。我國從1990年代開始，也以試點的方式在一些工程中應用了這些技術(shù)并獲得了一些好的經(jīng)驗。新的抗震設計規(guī)范已給出了隔震和消能減震技術(shù)工程應用的指導性意見，標志著這些新技術(shù)已進入實用性階段。

    　　隔震和消能減震技術(shù)雖然能夠大幅度提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，但目前建造成本較高，且該技術(shù)從設計到構(gòu)造，施工較復雜，正確合理地掌握和實施尚存在一些問題，因此新技術(shù)距離大規(guī)模推廣和應用還需要一定時間的準備。

    　　合理的建筑設計，也可提高建筑結(jié)構(gòu)的安全可靠性

    　　其實從建筑設計的角度出發(fā)，在正確的抗震理論指導下，依據(jù)合理的設計原則，同樣可以提高甚至保證建筑結(jié)構(gòu)的安全可靠性。這些原則包括：結(jié)構(gòu)構(gòu)件應具備足夠大的承載能力；結(jié)構(gòu)應具有足夠大的剛度以減小地震作用下的扭轉(zhuǎn)和位移；結(jié)構(gòu)應具有足夠大的延性和耗能能力，這一點對結(jié)構(gòu)在強震作用下的安全性尤為重要。延性是指構(gòu)件和結(jié)構(gòu)屈服后，具有承載力不降低或基本不降低且有足夠塑性變形能力的一種性能。延性大，說明塑性變形能力大，強度或承載力的降低緩慢，從而有足夠大的能力吸收和耗散地震能量，避免結(jié)構(gòu)倒塌。

    　　綜合運用抗震原則，以承載力、剛度和延性為主導目標，多道防線剛?cè)峤Y(jié)合，同時保證結(jié)構(gòu)體型簡單，結(jié)構(gòu)受力和傳力途徑直接，整體結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)構(gòu)件共同作用，如此一來就可以從設計上確保建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性。

    　　以著名美籍華裔設計師林同炎設計的尼加拉瓜首都馬那瓜美洲銀行大樓為例，該樓18層61米高，采取了多道防線剛?cè)峤Y(jié)合的設計思想，通過在總體系中預設薄弱環(huán)節(jié)作為強烈地震作用下可被破壞但不影響整體安全的耗能構(gòu)件，以保證結(jié)構(gòu)的抗震性能。1972年馬那瓜強烈地震時，該樓僅出現(xiàn)少量裂縫，經(jīng)過簡單維修加固后至今仍可使用，而周圍大量建筑物倒塌，5000多人死亡。美洲銀行大樓在馬那瓜地震中的表現(xiàn)充分證實了概念設計思想的創(chuàng)造性和前瞻性，這說明以承載力、剛度和延性為主導目標，在罕遇的強烈地震作用下，通過充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性與耗能能力，仍可使結(jié)構(gòu)具有足夠的承載能力。

    　　地震災害對建筑行業(yè)的啟示

    　　工程抗震是一門在實踐中不斷發(fā)展的學科，每一次地震都會為我們提供新的信息，推動建筑抗震設計向更好的方向發(fā)展，從而提高建筑的安全性。我國的建筑結(jié)構(gòu)抗震的設計與研究50多年來取得了巨大的進步，隨著我國經(jīng)濟實力的提升，建筑結(jié)構(gòu)設計中的安全儲備大幅提高。近年來，新技術(shù)、新型建材以及新的設計思想得到越來越多的應用，建造出大批高質(zhì)量的建筑。這些在新的抗震規(guī)范指導下設計的建筑，基本能夠保證在地震下的設計目標。

    　　應該看到，近年來在房地產(chǎn)行業(yè)，也確實存在著一些片面追求建筑造型的新奇獨特、忽視建筑整體抗震性能的問題。無論如何，對建筑結(jié)構(gòu)來說，良好的抗震性能一定來自于相對簡單的體型，來自簡單而直接的傳力體系以及地震作用下結(jié)構(gòu)的多道防線?？紤]到地震可能造成的巨大災難，防患于未然，未雨綢繆是非常必要的。

    　　在考慮房屋建筑抗震能力的同時，也應高度重視由地震引發(fā)的次生災害。對房屋建筑來說，最主要的次生災害就是火災，以及由地震引起的地質(zhì)災害。因此在今后房屋設計中有必要增加結(jié)構(gòu)抗火設計，同時地基和基礎的設計也應充分考慮到地基變形對房屋安全的影響。

    　　地震是一場災難，為了最大限度地保護人民以及整個社會的利益，建筑行業(yè)有責任更加努力地工作，戰(zhàn)勝災難，建設美好的家園。
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