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汶川地震钢筋混凝土框架结构震害及对策

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第31卷第5期2009年10月工程抗震与加固改造EarthquakeResistantEngineeringandRetrofittingV01.31.No.5Oct.2009[文章编号]1002.8412(2009)05—0093.08汶川地震钢筋混凝土框架结构震害及对策薛彦涛,黄世敏,姚秋来,葛学礼,曾德民,尹保江,荣维生,于(中国建筑科学研究院抗震所,北京100013)文.[摘要]汶川大地震造成了部分钢筋混土框架结构的严重破坏和倒塌,震害包括结构的整体倒塌、部分倒塌、薄弱层倒塌、底层柱的柱顶和柱底的弯曲破坏、短柱的剪切破坏.框架梁端的弯曲破坏等等;此外原先抗震设计时不被注意的楼梯出现受拉破坏,有的甚至被拉断;填充墙是框架结构破坏严重的非结构构件。框架结构这些震害产生的原因多种多样,如实际地震影响烈度大大超过设计设防烈度、建筑的施工质量问题、设计不合理(刚度突变,强梁弱柱),等等。在对倒塌破坏的框架的震害进行深入分析后,本文提出了解决框架结构抗倒塌的方法:加强柱的抗震设计、适当布置抗震墙、采用隔震或消能减震技术。楼梯设计时应考虑地震下楼梯受力情况,采用刚性连接时,要求计算出楼梯地震效应,并进行配筋;楼梯一端与结构采用滑动连接时,可消除楼梯地震作用下的内力,设计时可不考虑地震影响;加强结构填充墙抗震性能,确保罕遇地震下不致倒塌伤人。[关键词]汶川地震;框架结构;震害;破坏倒塌;强柱弱梁[中图分类号】P315.9【文献标识码】ASeismicDamageandDesignConceptfromtheBuildingsofRCFrameStructureinEarthquakeXueYah-tao,HuangShi-min,YaoWenchuanQiu-lai,C,eXue-li,ze昭De-min,YinBao-fiang,RongWei-sheng,YuWen(ChinaAcademyofBuildingResearch,Belting100013,China)Abstract:Wenchuan5.12earthquakecausedseverelydamageinRCframe.Inthispaper,manykindsofdamageintroduced,such船theintegralshortcolumn,etc.ThebadlystairsstructureRCframestructurecollapse,softdesignRCstorycollapse,bendingdamageatthebottomand/orthetopofcolumns,shearfailureinwallswithoutseismicappearpullingdamageandsomeofthemFrameunderpulleddown.Fillingalsodamaged.Theofthedanlageinearthquake眦thatstrongearthquakeintensity,theconstructionquality,theunreasonabledesignsuch∞themutationinverticalstiffnessandthebeamandthesoftcolumn,ere.Afterthoroughanalysis,theanticollapsemethodsofRCframestructureframeandusingbaseisolationstructureproposed:strengtheningtheaseismicabilityofthecolumnindesign,addingshearwallsinRCconnectenergydissipationtechnology.Earthquakeshouldbeconsideredinstairdesignifstairswiththedirectly,butifsettingslidinglinkbetweenstairandstructure,theeffectofearthquakecouldbeneglected.Strengtheningtheanti·earthquakeperformanceoffillingwallcouldcollapsehappeningduringsevereearthquake.Keywords:Wenchuan5.12earthquake;RCframestructure;Seismicdamageandcollapse1引言底层框架上部砖混结构和钢筋混凝土框架结构。地震区的建筑抗震设防烈度分别是成都7度(含都江堰市)、德阳市6度,绵阳市6度,广元市6度,属中低烈度区。从地震部门给出的结果看:这次地震的实际影响烈度分别是成都市区6—7度,成都的都江堰市8.9度;德阳市7度,德阳的汉旺镇9度;绵阳市7度,绵阳的北川县高达10一1l度;广元市7度,广元的青川县9度;阿坝的映秀镇10—1l2008年5月12日四川省汶川县发生的里氏8级特大地震,震中位于四川省映秀镇。地震在成都、德阳、绵阳、广元和阿坝造成了巨大破坏,特别是成都的都江堰市、德阳的汉旺镇、绵阳的北川I县、广元的青川县和阿坝的汶川县。地震中大量的城市建筑遭到严重破坏或倒塌,其中倒塌较多的是砖混结构、[收稿日期]2009.02.12万方数据 工程抗震与加固改造2009年10月度。由此可见,部分地区的实际地震烈度已达到本地区设防水准的罕遇地震,部分地区则大大超过当地设防水准的罕遇地震。从各地的震害看,经过抗震设计的房屋基本上经受住了地震考验。在中低影响烈度区,如德阳市、绵阳市和广元市,影响烈度虽然已达到设计的罕遇地震,但建筑物基本完好或轻微破坏。而高影响烈度区,影响烈度达到或超过设计罕遇地震的地区,如都江堰市,有一些建筑倒塌或严重破坏,倒塌建筑分散,没有出现集中大面积倒塌的现象。在震中区的北川县和映秀镇,地震影响烈度高达11度,全部倒塌和部分倒塌的建筑数量较多,但仍可看倒数量不少的未倒塌房屋,这些房屋为研究特大地震时房屋的抗倒塌,提供了很好的案例。在倒塌和严重破坏的结构中,钢筋混凝土框架结构一直是被认为抗震性能较好,因此其破坏倒塌的原因受到结构工程师的格外关注。本文通过框架结构震害介绍和分析,探讨汶川地震中钢筋混凝土框架产生倒塌和破坏的原因以及解决办法,以期对设计人员有所帮助。2框架结构震害震区的框架结构用于商业建筑、办公楼、学校教学楼和住宅,总体看框架结构表现良好,特别是高层框架发生倒塌破坏的很少。如都江堰国堰宾馆为12层框架结构(图1),地震中结构只是柱头和梁端上有些裂缝,填充墙部分损坏,而它抵御的是8~9度的实际地震烈度。3。6层的低层框架的表现不如高层框架,出现了多种破坏类形。图1都江堰国堰宾馆Fig.1GuoyanHotelinDujialigyan万 方数据2.1框架结构整体倒塌图2为都江堰市完全倒塌的3层框架,调查发现,框架柱截面较小,梁截面较大,同时梁中的配筋明显比柱中配筋大得多(图3)。图4为底部1—2层倒塌的5层框架结构,该建筑临街,底层层高较高,作为商业用房,比较空旷,2层以上为居民住宅。图5为6层单跨框架,2~5层近一半倒塌,这种结构形式在2001年颁布的高规中已明文规定不宜采用。图2完全倒塌的3层框架Fig.2IntegralCollapseofthreestoryframe图3倒塌框架梁柱节点Fig.3Thejointofcolumnandbeamofthecollapseframe2.2框架结构产生薄弱层破坏这是本次地震中框架破坏数量较多一种形式。图6中的框架结构还在装修,地震中底层柱出现上下端的弯曲破坏(见图7),整层构成薄弱层,虽然未倒塌,但已成危楼。2.3框架结构底层柱顶破坏为数众多的框架破坏发生在框架底层柱上端(见图8),为弯曲破坏,柱底未发生破坏。底层空旷时,柱头更容易发生这样的破坏。蠡8IlhquakeResistan!EⅡgi肺ee血gandRetrofitting,October。20魄第31卷第5期薛彦涛,等:汶川地震钢筋混凝土框架结构震害及对策图41—2层倒塌的5层框架Fig.41—2storycollapseof5storyframe图66层框架底层薄弱层破坏Fig.6Damageinsoftbottomof6storybuilding图8底层柱顶弯曲破坏Fig.8Bendingfailureattopofcolumninbottomstory柱头另一种破坏是由填充墙引起的,当框架填图9)。这种破坏不但发生在一些高影响烈度区,也万 方数据图5局部倒塌的单跨框架Fig.5Collapseofpartofframe、订thsinglespan图7柱上下端弯曲破坏Fig.7Bendingfailureatbottomandtopofcolunm图9填充墙造成的柱头破坏Fig.9Failureattopofcolumncausedbyfillingwall楼发生这样的破坏。2.4短柱破坏图10为填充墙产生的短柱破坏,框架柱上下砌的砖墙,使得上下墙间的柱产生剪切破坏。充墙采用普通粘土砖时,在柱头造成剪切斜裂缝(见发生在一些低影响烈度区,广元市的一栋学校教学"I-程抗震与加固改造2009年10月图lO填充墙造成的短柱破坏Fig.10Failureofshortcolumnduet0fillingwall钢筋混凝土框架结构中的楼梯破坏是普遍现象。通常1~3层的楼梯踏步板出现受拉裂缝,严重的先拉后压屈(见图11);个别楼梯采用冷轧扭钢筋,则完全拉断(见图12)。图ll框架结构楼梯拉压破坏。钢筋压屈Fig.11Damageinstairduetopressedandpulled图13楼梯承台梁中剪切破坏Fig.13Shearfailureinstairbeam万 方数据图12框架结构楼梯拉断Fig.12Thestairispulleddown楼梯承台梁也发生较严重的破坏,上下踏步板间的承台梁板剪切破坏(见图13),承台梁端部也出现弯剪破坏(见图14)。2.6异形柱框架震区异形柱框架结构不多,地震中表现也不同。两栋5层异形柱框架住宅完好。另一栋7层异形柱框架出现结构损坏(见图15),柱头混凝土剥落(见图16),梁端弯曲破坏(见图17),梁端弯曲裂缝和柱头斜裂缝(见图18)。高影响烈度地区的框架结构填充墙普遍破坏严重,虽然填充墙为非结构构件,其破坏不会影响结构完全,但易产生局部人员伤亡,同时造成重大经济损图14楼梯承台梁端弯剪破坏Fig.14Damageattheendofstairbeam2.5楼梯破坏2.7填充墙破坏第31卷第5期薛彦涛,等:汶川地震钢筋混凝土框架结构震害及对策·97·图15Fig.157Story7层异形柱框架结构framewithspecial·shapedcolumn图16异形柱框架柱头弯曲破坏Fig.16BendingDamageatthetopofcolumn图17异形柱框架梁端弯曲破坏Fig.17Bending图18异形柱框架粱柱破坏DamageattheendofbeamFig.18Cracksinbeamandcohtmn图19框架填充墙倒塌破坏Fig.19Collapseofrdlingwall图加框架结构楼梯间填充墙跨塌Fig.20Collapseoftherdlingwallaroundthestair失(见图19)。楼梯间填充墙的跨塌(见图20),还会影响人员逃生,或伤及逃生人员。3框架结构震害原因浅析框架结构的破坏较为复杂,本文只能就震害作一个简单分析。3.1框架结构薄弱层破坏和倒塌框架结构倒塌模式呈薄弱层倒塌破坏,这在设计中应当可以避免出现,原因如下:万方数据 工程抗震与加固改造2009年lO月(1)强梁弱柱在倒塌的框架中,框架柱截面较小,而梁的截面较大;另外梁实配钢筋较多,钢筋直径也大,相比而言,柱的实配筋少得多,通常只有8根,且直径也较细。分析产生的原因是:由于层数不多,通常3—6层,根据柱轴压比的要求(7度区0.9),柱截面在300×300—450×450就可以满足要求;框架的跨度在7。9m左右,正常梁高在500mm一650ram,一些设计可能取值更高,这就在构件截面上造成了“强梁弱柱”。在配筋设计中,跨度越大,梁配筋越多,而框架柱的配筋主要受地震控制,中低设防烈度的框架柱配筋多数是构造配筋或计算配筋较少,再加上楼板作用的影响,梁柱承载力的“强梁弱柱”情况就不可避免,由此可见,低层框架在设计时应特别注意“强梁弱柱”问题。此外,现浇钢筋混凝土楼板对增加框架梁的刚度和强摩贡献很大.图2l混凝土骨料的级配不好Fig.21Poorly·gradedconcreteaggregate图23梁柱节点区箍筋间距过大Fig.23Thelargesp卿睫ofhopinginjointofcolumn综上所述,框架结构的倒塌原因是多方面的,需要在设计上进行改进,在施工中严格质量管理。万 方数据(2)刚度突变产生刚度突变的因素之一是填充墙。众所周知,在框架结构设计时,填充墙或隔墙只作为荷载参与结构计算,实际上不同材质填充墙或多或少具有一定的刚度和强度,布置密集时会产生较大的楼层刚度和强度,对结构产生重大影响,造成框架结构上下层的刚度突变,产生薄弱层。层高变化是结构刚度突变的另一重要因素。由于商业用房的要求,震区为数不少框架底层层高比上一层高许多,层高改变直接影响结构层刚度的改变,造成上刚下柔,产生薄弱层。(3)施工质量框架结构的施工质量有待进一步调查。从一些破坏构件看,混凝土骨料的级配不好,大量大粒径的卵石(见图21);构件中的钢筋绑扎不规范(见图22);箍筋不合要求,梁柱节点区箍筋间距过大(见图23)等等。图22柱钢筋绑扎不规范Fig.22Mis-locatingofsteelbarincohmm3.2框架结构底层柱顶的破坏分析为数众多的框架底层柱顶破坏与薄弱层破坏有类似的原因,如强梁弱柱、刚度突变和施工质量等问题,差别在底层柱根,当底层柱基础及地梁有一定埋深,地面有回填土和建筑面层时,柱根部就不易发生弯曲破坏,框架只出现底层柱顶端的破坏。当填充墙采用实心粘土砖时,墙体具有一定的刚度和强度,地震时对柱顶端产生了偏心支撑的作用(见图24),它可能引起框架柱或节点的剪切破坏。按照规范要求,填充填与框架应采用柔性连接,但由于设计困难,施工难处理,多数工程没有这样做。第3l卷第5期薛彦涛,等:汶川地震钢筋混凝土框架结构震害及对策·99·图24填充墙支撑作用Fig.24Fillingwallactingbrace发生底层柱顶破坏的框架由于底层的框架柱还是一个稳定体,整体结构还能保证不倒。3.3框架结构楼梯破坏分析框架结构中的楼梯在设计时只考虑静荷载和活荷载作用,目前使用较多的板式楼梯通常只在梯板下配置受弯钢筋。但是,框架结构中的楼梯在地震中会起一定的支撑作用,承受地震产生的拉力和压力,当地震作用较大,楼梯板配筋不足时,就会出现受拉屈服或拉断,受压时出现压弯破坏。楼梯承台梁也会因楼梯的支撑作用,而承担更多的地震作用,产生相应的破坏,因此框架结构中的楼梯设计应考虑地震作用的影响。4框架结构震害带来的启示汶川地震表明,多数按照现行规范进行设计、施工和正常使用的框架结构,具有较强的抗震能力,经受住了大震考验,说明我国在1976年唐山地震后,进行的建筑物抗震设防是有效的。但是,地震中框架结构暴露出的一些问题,还应该认真对待,找出原因,在深入研究的基础上,改进设计。4.1解决钢筋混凝土框架结构抗倒塌的问题框架结构倒塌的原因多种多样,除了加强施工质量的管理外,在设计上应采取以下措施:(1)增加柱的抗震能力,真正实现“强柱弱梁”。规范实现“强柱弱梁”采取的办法是按框架结构的抗震等级调整柱设计内力,再进行配筋。但是小震下的弹性设计内力与大震下的结构弹塑性内力的不一致,造成了即使按调整后的弹性内力进行配筋,柱的实际抗弯承载力也不一定比梁的大,也就无法实现“强柱弱梁”的要求。规范要求的按梁柱实配钢筋验算承载力只针对9度区的一级框架,因此大部万 方数据分框架结构设计时实际上未按这一要求执行。汶川地震中一些7层以上的框架结构柱截面较大,配筋较多,震害较轻。这说明柱截面和配筋是钢筋混凝土框架抗倒塌的关键。但是,柱截面多大合理、钢筋如何配、柱截面与相应梁截面应有什么关系,这些问题还有待进一步研究。(2)重视填充墙产生的刚度突变填充墙或隔墙在框架抗震设计时应得到充分重视。当填充墙或隔墙各层布置均匀时,可以不考虑。如果各层布置不均匀,尤其是底层少填充墙或隔墙时,应考虑其设置对结构抗震的不利影响,避免不合理设置而导致主体结构的破坏。(3)增加一道防线在框架结构中布置适当数量的抗震墙或钢支撑,作为结构抗震的第一道防线,实践证明效果很好。抗震墙可以是钢筋混凝土剪力墙,也可以是抗剪强度较高的砌体墙。采用砌体墙时,应注意墙体与周边构件的可靠连接。(4)采用抗震新技术采用抗震新技术是框架结构抗倒塌最有效的方法,尤其有助于框架结构抵御超烈度的地震影响。消能减震技术和隔震技术均适用于钢筋混凝土框架结构。消能减震技术是在框架中安置消能器,通过消能器消耗地震作用下结构的振动能量,达到结构抗倒塌目的(见图25)。目前消能减震技术已广泛用于钢筋混凝土框架结构的抗震加固中,取得了良好效果。隔震技术是在框架结构底部安装隔震垫,通过隔震垫隔绝地震对结构的能量输入,减小结构的地震反应(见图26)。目前新建钢筋混凝土框架结构采用这项技术较多,在日本阪神地震中,隔震框架结构经受住了考验。4.2框架结构楼梯抗震设计框架结构中的楼梯在抗震规范中没有要求,这是造成框架结构中楼梯破坏的主要原因,有必要在规范中明确楼梯的抗震设计方法。方法一:楼梯与结构全固定连接(现在的设计方法),结构抗震计算时应考虑楼梯的作用。计算出地震作用下楼梯的设计内力,按拉压构件配筋。方法二:楼梯与结构采用一端固定,一端滑动的设计方法,使楼梯不受地震作用,结构抗震计算时也工程抗1.与3n固改造2009年lO月就不用计算楼梯受力了。楼梯仍可按竖向荷载进行设计。4.3框架结构填充墙扣隔墙作为框架结构的非结构构件,填充墙和隔墙应考虑其设置对结构抗震的不利影响,避免不合理设图25框架结构消能减震Fig.25Energydissipationinframestructure图27轻钢龙骨石膏板隔墙未见损坏Fig.27Nodamageinthefillingwalloflightsteelkeelandplasterboard.其次是加强构造措施。填充墙应设置通长拉筋;较长的填充墙端部没有与结构柱连接时,设置构造柱。提高楼梯间墙充墙的构造要求,设置60mm[作者简介】薛彦涛(1963一),男,博士,研究员万 方数据置而导致主体结构的破坏。填充墙和隔墙首先考虑采用一些变形能力好的材料,图27是汶川地震中某建筑采用轻钢龙骨石膏板作为隔墙时没有受到任何损坏。图26框架结构隔震Fig.26Baseisolationinframestructure厚的钢筋混凝土带。5结语在四川汶川大地震中,钢筋混凝土框架结构发生了一些破坏,有些是烈度过高造成的,有些则是设计不合理或施工质量造成的,。通过对钢筋混凝土框架结构的震害分析,找出设计和施工的不足,总结经验和教训,指导设计人员进行混筋混凝土框架结构的抗震设计。参考文献(References):[1]GB50011.2001,建筑抗震设计规范[S]GB50011-2001,CodeforSeismicDesignofBuildings[S](inChinese)[2]JGJ3—2002,高层建筑混凝土结构技术规程[s]JGJ3-2002,Technicalspecificationforconcretestructuresoftallbuilding[S](inChinese)汶川地震钢筋混凝土框架结构震害及对策

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工程抗震与加固改造

EARTHQUAKE RESISTANT ENGINEERING AND RETROFITTING2009,31(5)2次

1.JGJ 3-2002.高层建筑混凝土结构技术规程2.GB 50011-2001.建筑抗震设计规范

1.褚云朋.贾彬.王汝恒.张誉 绵阳市房屋震害分析及震后加固方法研究[期刊论文]-工程抗震与加固改造 2011(1)2.朱彦鹏.陶萱榕 钢筋混凝土框架柱端弯矩增大系数初探[期刊论文]-工程抗震与加固改造 2010(4)

3.褚云朋.贾彬.王汝恒.张誉 绵阳市房屋震害分析及震后加固方法研究[期刊论文]-工程抗震与加固改造 2011(1)

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