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日志

 
 

汶川地震建筑震害调查分析  

2009-11-09 23:43:15|  分类: 建筑抗震设计 |  标签: |举报 |字号 订阅

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特邀专家简介:叶列平

清华大学教授,博士生导师。
国际土木工程FRP复合材料学会理事,中国建筑学会抗震防灾分会常务理事等。
主要从事混凝土结构基本理论、钢骨混凝土结构、高强混凝土结构、预应力混凝土结构、建筑结构抗震与减震分析理论和设计方法、纤维增强复合材料及工程应用、混凝土结构加固技术和计算理论等的研究。

叶列平:前面听了那么多精采的报告,下面我就这次汶川地震中的框架结构中的很多问题做一些探讨。这个图片是一个小学,这个是有外廊的,有构造柱的,这种新的抗震规范设计的楼多了一个抗震的层次,性能就比较好。

所以对于未考虑设防的砌体结构,基本都是唐山地震的重复,按照89规范以后设计的,采取圈梁和构造柱措施的砌体结构,大多震害比较轻,很少发生脆性破坏而倒塌,因此砌体结构主要是如何落实抗震规范执行的问题,特别是落实圈梁和构造柱抗震措施,需要进一步研究的工作可能并不多。主要是落实的问题,设计、施工、执行规范的力度问题。

框架结构的震害问题很多,前面有很多的介绍,最主要的问题是填充墙破坏严重,未实现强柱弱梁。框架结构的震害大概有这么几个问题,一个是维护墙和填充墙的严重开裂和破坏,填充墙造成短柱剪切破坏,柱剪切破坏,梁柱节点破坏等等。这是填充墙破坏的照片,不多说了,会造成一定的人员伤亡,造成恐惧的心理,修复工作量很大,费用很高,规范对可修没有明确定义,这是错层造成短柱剪切破坏的照片,其实只要预留缝就可以解决这样的问题,对于这样没有办法避免的短柱,可以采用连续箍筋约束混凝土的办法增强,这个是连续箍筋约束混凝土的柱子,这个是一根钢筋,施工其实也很方便,这是非常好的一个已经成熟的技术,但是在我们国家一直推广不开,不知道什么原因,钢的外套管的柱子的问题,概念很简单,这是箍筋约束混凝土,可以防止外面的保护层脱落,可以很容易的提供有效的约束,并且还可以作为模板用,这个钢的外套和钢板混凝土概念不一样,只是在柱身这一段里面有一个钢的外套管,这个延性很好,可以防止短柱的剪切破坏。相关的研究还不是很多。这是柱的各种各样的剪切破坏的情况,这个照片也是一个有代表性的,箍筋不少,但是都放在了底下,这个是偷工不减料,这是施工管理的问题。强剪弱弯的问题,即使柱端先发生弯曲破坏形成塑性铰,巨大的轴压易使混凝土压溃,严重削弱柱端抗剪能力。连续箍筋技术可以防止柱端混凝土强度严重退化。底层侧移扩大,并导致倒塌,这个前面介绍过了。这柱端出现塑性铰,未实现强柱弱梁的屈服机制,要实现强柱弱梁,最起码要看上去就像强柱弱梁,还有一个是施工阶段的裸框架,承重墙还没有进来,可以看到填充墙的重要性。

下面重点讨论一下没有实现强柱弱梁屈服机制的原因和改进的建议,为什么要实现强柱弱梁屈服机制,这是地震是整个的,必须在结构上有一个整体的方案,所以在美国,讲到抗震的时候,有一句话,做结构方案的时候,必须考虑整个结构抗震,不能说,按照一般构件考虑,所以这种整体结构可以耗散大量的地震能量,而且是一个稳定有序的机制,日本的一个抗震规定中,也给出了整体性屈服机制。我们国家对这块研究是不够的,有关屈服机制,今年的六月份专门有一个文章讨论结构的抗震问题,我们既然要讨论强柱弱梁的屈服机制,首先看看我们国家的抗震规范关于强柱弱梁的屈服机制的规定,这是一个公式。如果满足这些条件的话,用这个公式还是可以做的,但是我们实际上可能没有达到这些条件。影响强柱弱梁屈服机制的原因,有很多,看起来很简单,其实很复杂,前面有专家也说了,填充墙是一个很重要的因素,第二是楼板的因素,还有框架梁宽度和荷载过大使梁截面尺寸增大等等。

填充墙的问题前面已经讨论了很多,填充墙等非结构构件的影响,首先是可以作为结构的第一道抗震防线,首先破坏并能耗散地震能量,所以就要允许它开裂和破坏,这个里面顺便说一下,这次地震当中,我们看到了很多的破坏。我们还要想清楚一个事,那就是,哪些破坏是在我们预定的范围之内的,哪些是超出了我们预测的范围之外的,如果是以内的就是可以接受的,第二是填充墙会影响框架结构的内力分布,三是可能造成结构实际抗侧刚度分布不均匀,这个例子前面已经讲过了。这个也不多说了,已经放了很多照片了。

这些原因就会改变整个结构的整体受力机制,使得整体结构难以形成强柱弱梁的屈服机制,这个原因加剧了结构的地震破坏。抗规也有规定,但是这些规定没有可操作性,怎么做没有给。而且实际工程中,填充墙的类型很多,布置复杂,与框架主体结构的连接构造也多种多样,具体如何考虑十分复杂。这个里面我想处理填充墙的问题,关键还得清楚填充墙的结构功能和设计目标。可分两个方面,一个是填充墙的目标,是参与到结构受力,还是不参与。如果是参与结构受力就可以作为第一道抗震防线,就应该跟周边的框架可靠的连接形成组合墙,并应沿结构竖向连续布置;如果不参与结构受力,目标很明确,那么就跟周边的框架有足够的隔离,分开。

应该说填充墙作为第一道抗震防线是一种很好的整体结构抗震设计思想,但是按照这种思路设计时,填充墙在中震下发生开裂应属于正常预期目标,但大震下填充墙不倒塌。同时应该把这个墙作为整体结构抗震的组成部分,在整体结构的抗震分析和设计中就要给予足够的考虑,相应的措施要跟上,施工中也要落实。我们看个例子,这是绵阳地区的,这个填充墙里面再加构造柱,这个墙就没有问题,这是一个高层的结构,材料是一样的,这个填充墙外面开裂比较严重,但是主体结构基本没有问题,我们到绵阳参加房屋快速评估的时候,我们就住在这个楼里面,我们是搞结构的,觉得没有问题,但是服务员是有点担心。因为时间关系这个不详细说了。

如果填充墙不参与结构受力就要设缝,日本现在的非结构构件就是全部使用钢筋混凝土的,这样跟结构的关系做起来很好做,这是用钢筋混凝土。对这个案例,我们也做了一些分析,如果是按照裸框架分析,其实也出现了一些柱角。填充墙是一个最复杂因素,影响也是最大的,所以要明确填充墙的抗震设计目标和相应的配套构造措施,如果是要把强柱弱梁作为包括填充墙在内的整体结构抗震的屈服机制设计目标时,预期出铰的框架梁上不应设置填充墙,或填充墙与框架柱之间应预留足够的缝隙。

下面讨论一下楼板的影响,楼板与框架梁一起现浇,两者可以结合良好,共同工作能力好,可显著提高框架梁的能力。抗规也没有做具体的规定,许多研究表明,楼板内的钢筋会使框架梁的实际抗弯承载力增大20%到30%,甚至有些情况会增大近1倍。在考虑楼板影响的时候,有两种设计思路,一个是计算梁截面抗弯承载力时不考虑楼板翼缘,代之以提高柱梁强度比,间接考虑楼板的贡献;第二是维持现行规定的柱梁强度比数值。后一种方法里面又有两种处理方法,一个是ACI方法,把楼板考虑进来,算了以后满足框架的强度比就可以了,还有一个是新西兰的方法;第三个因素是框架梁宽度和荷载过大使梁截面尺寸增大。

这个是梁端超配筋和钢筋实际强度超强的问题。导致梁端钢筋超配的因素,第一,楼板中配筋未考虑,第二,结构内力分析计算简图按构件轴线考虑。第三,框架梁配筋由裂缝或变形条件控制等等。解决这些的办法是用实配验算。此外,梁端钢筋实际强度的超强也是一种超配。欧洲新西兰和日本规范,都对预期塑性铰部分的钢筋材料性指标有更为严格的规定,如对钢筋屈服强度变异率限制、强屈比限制、延伸率要求等,我国目前还没有这么具体。

第五个问题是柱轴压比限值规定偏高,这次地震中,框架结构的柱子看上去大多太细,以至于框架柱比较容易出铰。轴压比过高有什么问题呢?会导致框架柱截面尺寸偏小,使得在以下几个方面降低实现强柱弱梁机制的可能性:第一,框架柱截面尺寸偏小,框架柱端抗弯力臂较小,不利于保证柱端抗弯承载力;第二,正常使用状态下,框架柱处于受高压;第三,框架柱截面尺寸偏小,框架柱刚度偏小,柱梁刚度比偏小,不利于实现强柱弱梁的机制等等。我们看看,日本规范的轴压比比我们低很多,我们看日本的柱子,这个柱子是预防在先它他差不多也是四层的结构,和我们的柱子一比,大家就可以看出来。还有一个,柱子的最小截面尺寸问题,是300×300,然后再由轴压比限值控制,建议按抗震等级规定柱最小截面尺寸,这次因为出现了强梁弱柱的机制,所以我们在一些讨论场合说,有一些专家说框架结构不要用了,还不如砌体结构,关键是柱子太细了,柱子粗了就没有问题,配筋少了也不可靠。我们要注意到强柱弱梁是在大震作用下形成的,另一种较为简便的强柱弱梁设计的计算方法是:框架梁内力按小震计算确定,框架柱内力按大震弹性计算确定。

最后说一下,梁柱的可靠度的差异正常情况下,结构主要是承受竖向荷载,所以框架梁是弯矩作用的,出现的问题是比较多的,柱子主要是受压力,所以柱子的问题不是很多,因此工程中一般对梁的关注多于柱,但是大震发生的概率是很小的,所以柱子的抗震性能中存在的很多问题,就没有引起关注,但是如果大震来了就迟了,从可靠度角度分析,是这样的问题,正常情况下,梁的安全储备是低于柱子的,但是地震作用下,柱子的安全储备是低于框架梁的。不能说我们设计的房子多大的跨度,多少层,多少年了,没有问题,没有经受过地震,你怎么知道这个柱子够呢,对于纯框架结构来说,一般认为只有一道防线,一旦因为影响框架柱的诸多不利因素导致出现强梁弱柱的层屈服机制,非常容易造成局部楼层的坍塌。如果目前不能大幅度提高框架柱,可以采用这样的方法,一部分柱子增加储备,这个机制在日本是允许的,因为是整体型的,算这个柱子的时候,只考虑承受竖向的压力。

最后说一下用隔震建筑,我提出这么一个思想,隔震建筑在这次地震以后会得到推广,但是还是会有一些问题,我提出的是柔性底层隔震建筑,为什么我提出来的这个建筑呢?底下做成柔性的承载力特别小的,这里面不住人,是作为其它的用途,因为这个大震或者超大震是上千年一遇的,下面这个坏了就算了,上面可以保住,我们看到徐工的照片上,花盆都没有掉下来,当然这样的建筑是很便宜的,可以保护生命,可能比隔震建筑更便宜一些。

最后总结一下,实际工程中有很多的因素使得框架梁的抗弯承载力和刚度增大,而框架柱无依无靠,几乎没有什么因素能增加框架柱的抗弯承载力和刚度,如果这些因素没有在设计中给予充分的考虑,就会使得框架结构强柱弱梁的屈服机制的计算条件无法满足。由于实际工程中能够增加框架柱的抗弯承载力和刚度的因素很少,规范应给框架柱留有足够的储备,最简单的方法是控制框架柱轴压比,增大柱的最小截面尺寸。设计人员应该充分的认识到,框架柱在整体结构抗震能力中的地位特别重要,任何过多的关注和增加柱的截面积配筋的考虑都不会过分,至少会弥补目前框架柱在地震作用下的安全问题。谢谢大家。

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