鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)典型破壞特征及原因分析

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)典型破壞特征及原因分析

2008年5月28日下午00點左右，四川省樊川縣英秀市附近發(fā)生8.0級地震。中心位于31度和103.4度的中國北方和南方。此次地震是新中國成立以來破壞力最強、波及范圍最廣、救援難度最大的地震,給震中和地震波及區(qū)帶來了極大的損失,而造成損失最直接的原因之一是房屋建筑的破壞和倒塌。據(jù)統(tǒng)計此次地震造成的直接經(jīng)濟損失達8451億元,其中民房和城市居民住房的損失占27.4%,學校、醫(yī)院和其他非住宅用房占20.4%。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)系指由梁柱作為主要承重構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系,在地震災(zāi)區(qū)應(yīng)用較為廣泛,此次受災(zāi)嚴重的地區(qū),如都江堰、江油、漢旺、綿竹、什邡等,有大量的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震中發(fā)生了不同程度的破壞,為認識該類結(jié)構(gòu)的抗震性能提供了豐富的第一手資料。通過對鋼筋混凝土框架中梁柱典型的破壞形態(tài)、填充墻對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響、樓梯間破壞特點等三方面進行描述和分析,為以后的建筑抗震設(shè)計提供一定的建議。1樓梯間時期也有破壞鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有建筑平面布置靈活、室內(nèi)空間大等優(yōu)點,廣泛用于多層廠房、商店、辦公樓、醫(yī)院、教學樓及賓館等建筑中。汶川地震中框架結(jié)構(gòu)的破壞比較嚴重。特別是柱的兩端容易出現(xiàn)塑性鉸,此外還有短柱的破壞情況也很多。由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計時候一般將填充墻視為非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件,不考慮其對框架結(jié)構(gòu)的作用。但是填充墻實際的表現(xiàn)會對框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。這次地震中樓梯間的破壞比較嚴重,主要是現(xiàn)行的抗震規(guī)范沒有對樓梯沒有詳細的抗震設(shè)計,最近一次的建筑抗震規(guī)范的修訂在計算中應(yīng)考慮樓梯構(gòu)件的影響。因為樓梯的梯板等具有斜撐的受力狀態(tài),對結(jié)構(gòu)的整體剛度有明顯的影響。1.1鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞1.1.1框架結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)為塑性鉸鋼筋混凝土框架在設(shè)計時候要具有一定的延性,因此必須對構(gòu)件進行合理的設(shè)計,控制塑性較出現(xiàn)的部位。塑性較出現(xiàn)在梁上較為對框架結(jié)構(gòu)的抗震較為有利,因為在梁的兩端出現(xiàn)塑性較數(shù)量可以較多而結(jié)構(gòu)不致形成機構(gòu)。柱出塑性鉸后框架易形成機構(gòu)。但是在汶川地震中框架結(jié)構(gòu)的整體的表現(xiàn)就是普遍在框架柱的上下部出現(xiàn)塑性鉸。如圖1、2所示,而在梁的兩端出現(xiàn)塑性鉸的情況較少見。根據(jù)現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)框架結(jié)構(gòu)宜設(shè)計成強柱弱梁的形式,因此我們有必要重新思考現(xiàn)行的規(guī)范是否能夠?qū)崿F(xiàn)強柱弱梁,地震作用在板、梁、柱中的傳遞路徑是否與設(shè)計時所采用的假定一致。因此,如何提高柱的承載力、如何考慮樓板對框架梁強度和剛度的貢獻,以真正實現(xiàn)“強柱弱梁”,有待進一步研究。1.1.2短柱抗震設(shè)計柱子在地震剪力的作用下出現(xiàn)斜裂縫或X型裂縫,裂縫的寬度往往很大,修復很困難,屬于脆性破壞?？蚣苤杏绣e層、夾層時,使柱子的剪跨比變小,形成短柱,剛度增大,吸收的地震剪力較大,當未采取相應(yīng)的提高抗震能力措施時,便易出現(xiàn)剪切破壞。如圖3(a)、(b)所示的都江堰某棟建筑由于錯層而形成短柱結(jié)果遭受地震嚴重的破壞。因此在將來的結(jié)構(gòu)設(shè)計時對于短柱的抗震設(shè)計要重點加強。除了結(jié)構(gòu)錯層容易形成短柱外,半高的填充墻也容易形成短柱圖4(a)所示破壞具有明顯的壓、彎、剪破壞特征,圖4(b)和(c)具有明顯的剪切破壞特點,圖4(d)呈現(xiàn)出壓剪破壞的特征。1.2筋混凝土梁方面汶川地震中框架梁的震害明顯要輕于框架柱的震害。鋼筋混凝土梁的破壞主要是梁端的剪切破壞,由于抗剪強度不足,無法承擔強烈地震作用引起的附加剪力,梁端附近會出現(xiàn)斜裂縫或交叉的裂縫,如圖5所示。1.3框架結(jié)構(gòu)破壞與其他各層柱剪力相比較,框架結(jié)構(gòu)底層柱的剪力較大,因此底層柱容易發(fā)生剪切破壞或者彎曲破壞。在映秀鎮(zhèn)考察時多處框架結(jié)構(gòu)發(fā)生底部垮塌現(xiàn)象。由于框架結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu),雖然自振周期較長但是汶川地震持續(xù)的時間長。因此框架結(jié)構(gòu)會發(fā)生倒塌。如圖6、7所示在映秀鎮(zhèn)觀察到建筑的倒塌。2填充墻與框架的相互作用汶川地震中填充墻的破壞情況嚴重,由于現(xiàn)行的抗震設(shè)計規(guī)范將填充墻視為非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件。通常進行抗震設(shè)計時,一般采用考慮填充墻的影響對框架結(jié)構(gòu)的自振周期進行折減。關(guān)于填充墻對主體結(jié)構(gòu)剛度的貢獻以及他們之間的相互作用,目前沒有量化的計算方法。地震作用下,填充墻與框架共同工作,一方面墻體受到框架的約束;另一方面框架受到填充墻所提供的支撐作用。由于填充墻早期的剛度大,吸收了較大的地震作用,而其強度相對較低,所以填充墻的震害重于框架梁柱。填充墻的震害大部分是墻面產(chǎn)生單斜裂縫或者是交叉裂縫。2.1抗側(cè)移及塑性鉸分析由于填充墻沿房屋豎向布置不均勻,導致建筑沿豎向剛度不連續(xù),而形成軟弱層的情況在地震災(zāi)區(qū)非常普遍。震后調(diào)查發(fā)現(xiàn),許多底層作商業(yè)用途或停車場、上部作為住宅的框架結(jié)構(gòu)建筑物的底層遭受了不同程度的破壞。在這些框架結(jié)構(gòu)中廣泛的采用頁巖空心磚和加氣混凝土砌塊作為填充墻,上部因用于住宅而使用了較多的填充墻來分隔空間,底層為了追求商業(yè)空間和停車空間,填充墻或其他抗側(cè)力構(gòu)件布置很少。圖8(a)所示六層填充墻框架結(jié)構(gòu)位于都江堰,底層為車庫,上部五層為住宅,從圖中可看出,底層幾乎無填充墻,底層抗側(cè)剛度很低。汶川地震使該棟建筑在縱向方向發(fā)生了30cm左右的水平側(cè)移,側(cè)移主要集中在底層,其他層基本完好,底層形成明顯的軟弱層。圖8(b)所示,底層所有柱上下兩端均出現(xiàn)了塑性鉸。圖8(c)中作者課題組正在對底層柱的側(cè)移情況進行現(xiàn)場測量。值得注意的是,與之相鄰的另外一棟五層框架結(jié)構(gòu)建筑物底層設(shè)置了一定數(shù)量的抗震墻和填充墻,汶川地震后底層沒有產(chǎn)生明顯的側(cè)移,如圖9所示,圖9(a)中前面為圖8所示建筑,后面為圖9(b)所示建筑,圖9(c)為該棟建筑底構(gòu)。類似的情況在汶川地震災(zāi)區(qū)非常普遍,圖8為另外幾棟層框架柱和填充墻的受損情況。從兩棟建筑破壞情況可看出,底層布置的填充墻或抗震墻拯救了這棟五層的框架結(jié)出現(xiàn)軟弱層建筑。圖10(a)為一棟底層作商業(yè)用途的住宅建筑,底層發(fā)生了明顯的側(cè)移。圖10(b)為一棟在建的多層框架住宅,底層為車庫,設(shè)置了部分剪力墻,第二層填充墻還沒施工,其余上部各層填充墻均已砌筑完成,因此,第二層形成了明顯的軟弱層,柱子上下端產(chǎn)生了明顯了塑性鉸。圖10(c)位于映秀鎮(zhèn)的三層框架結(jié)構(gòu),因底層發(fā)生過大的側(cè)移而完全坍塌。2.2水平地震作用下約束副建筑柱的特性填充墻對框架梁柱破壞形態(tài)的影響,除了形成短柱外,由于填充墻與框架的相互作用,填充墻還會對框架梁柱產(chǎn)生附加的內(nèi)力,而導致一些特殊的破壞形態(tài)。圖11所示,框架在水平地震作用下發(fā)生側(cè)向變形時,填充墻將對一側(cè)框架柱將產(chǎn)生斜向的壓力,即類似于斜壓桿的作用,因而會加大斜裂縫和梁底之間一段柱所承受的地震剪力,從而導致圖11(a)所示的剪切破壞形態(tài),在水平地震作用下單層單跨框架和填充墻的相互作用情況如圖11(b)所示。而且填充墻也會將一部分剪力傳遞給柱。這樣就增加了柱破壞的可能性,若在設(shè)計時候未加考慮,則框架柱會出現(xiàn)局部破壞,降低了其抗震性能。2.3框架梁的破壞機理由于填充墻和框架的相互作用,填充墻對框架梁也會產(chǎn)生一定的影響。這種破壞不同于構(gòu)件在重力荷載作用下受彎和受剪破壞情況。框架梁的破壞主要是由于填充墻對框架梁底部產(chǎn)生向上的壓力從而使框架梁發(fā)生彎剪破壞。如圖12所示這次震后調(diào)查中在都江堰紫坪鋪大壩附近的建筑物中框架梁就屬于這種情況。3樓梯間周圍主體結(jié)構(gòu)的破壞情況汶川地震中樓梯的表現(xiàn)應(yīng)該引起足夠的重視,樓梯結(jié)構(gòu)和樓梯間周圍主體結(jié)構(gòu)的破壞程度普遍大于建筑物的其他部分,框架結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)尤為明顯,樓梯破壞情況的詳細介紹參見文獻。樓梯的破壞主要有以下幾種形式。3.1樓梯水平剪切破壞中間休息平臺梁和平臺板的剪切破壞在地震區(qū)非常普遍。眾所周知,汶川地震前對樓梯的設(shè)計按梁板結(jié)構(gòu)進行,不考慮地震作用的影響。實際上,與主體結(jié)構(gòu)剛性連接的樓梯在地震作用下和主體結(jié)構(gòu)一起發(fā)生側(cè)向變形,即以支撐的方式在提供側(cè)移剛度方面發(fā)揮一定的作用,由此在平臺梁和平臺板中產(chǎn)生水平剪力而導致圖13所示的剪切破壞。圖13(a)所示樓梯平臺梁和平臺板發(fā)生水平剪切錯動,圖13(b)中的平臺梁出現(xiàn)交叉剪切裂縫。由此可見,在地震區(qū)有必要考慮地震作用的影響來設(shè)計樓梯結(jié)構(gòu)構(gòu)件。3.2施工縫處出現(xiàn)的剪切汶川地震中梯段板施工縫處發(fā)生剪切破壞(圖14)同樣非常普遍,尤其是在一些新建和在建工程中。圖14(a)為都江堰一新建工程梯段板施工縫處發(fā)生明顯的剪切錯動,鋼筋屈服。圖14(b)為都江堰一在建工程由于施工縫處斷裂導致樓梯垮塌破壞的情形。樓梯在施工縫處的大量剪切破壞以及由此可能帶來的嚴重后果,應(yīng)引發(fā)土建從業(yè)人員對施工縫的位置和施工質(zhì)量的思考。在2010年最新修訂的建筑抗震設(shè)計規(guī)范中,已明確指出:利用計算機進行結(jié)構(gòu)抗震分析時,計算模型的建立、必要的簡化計算與處理,應(yīng)符合結(jié)構(gòu)的實際工作狀況;計算中應(yīng)考慮樓梯構(gòu)件的影響。但如何考慮?還有待進一步研究。4框架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的改進汶川地震中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的各種震害現(xiàn)象表明,填充墻對框架結(jié)構(gòu)的抗震性能有顯著影響?，F(xiàn)行規(guī)范將填充墻視為非結(jié)構(gòu)性的構(gòu)件,對于填充墻對主體框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響重視不夠,對此,建議進一步開展研究。