汶川地震中砌體結構樓梯間震害分析

汶川地震中砌體結構樓梯間震害分析下主要震害有以下幾個方面。〔2〕梯段板在施工中往往存在施工接縫，接縫08抗震學術交流會-專家提出的新觀點-很震撼?。?008-12-1914:41/forum/viewthread.php

第九界全國抗震鑒定加固學術交流會于2008年10月24日在福建廈門順利舉行。

這次抗震會議上，來了很多國內外知名專家，如上海交大劉希拉教授，同濟大學呂西林教授、顧祥林教授，中國建筑科學研究院邸小壇總工等等，此外還有來自中國臺灣和日本、德國等的專家。不少專家系統(tǒng)總結了汶川大地震的經(jīng)驗教訓，并針對建筑抗震問題提出了相當多的新觀點、新認識。感覺受益非淺，只不

過工作繁忙，到現(xiàn)在才有空總結一番。總結的不準確，可能有些斷章取義。

這里就簡單介紹自己感覺比擬有意思的幾位專家的觀點：

1、汶川地震的震害調查說明，結構的破壞特征和傳統(tǒng)設計以及試驗結果有明顯不同。例如不少專家指出框架結構實際破壞狀態(tài)并非“強柱弱梁”，絕大多數(shù)情況下，節(jié)點塑性鉸并不出現(xiàn)在梁端；相反，大多數(shù)都出現(xiàn)在柱端！災區(qū)的不少結構都是按新標準設計的，但實際破壞形態(tài)仍與設計原那么明顯相悖！劉希拉教授指出出現(xiàn)這種情況與框架柱在強烈地震作用下的彎剪扭復雜應力狀態(tài)有關；在強烈地震作用下，底層框架柱將承受極大的水平剪力，而剪切破壞又是一種脆性破壞，因此在柱端的破壞更為嚴重；而梁那么主要還是受彎狀態(tài)，破壞不一定會先于柱發(fā)生。臺灣新竹交大的一位教授就大膽指出，“強柱弱梁只是人們一廂情愿的想法罷了，在實際結構中不可能實現(xiàn)?！边@個觀點可能讓大多數(shù)結構設計人員無法接受，我也很難接受，但實際震害情況勝于雄辯。

2、砌體結構破壞形態(tài)與試驗室構件試驗的結果相差很大。哈工大的一位老師就通過震害調查發(fā)現(xiàn)，實際砌體結構的墻體破壞以X型裂縫為主，而試驗室磚墻剪切試驗的破壞形態(tài)那么主要以灰縫的水平剪切裂縫為主。

實際結構的破壞形態(tài)與試驗室結論相悖，再次對傳統(tǒng)試驗方法提出挑戰(zhàn)！

3、冶金建筑設計研究院的已退休的研究員林志伸〔教授級高工〕提出的觀點更為新穎而震撼！林教授首先指出傳統(tǒng)的抗震設防烈度的制定存在不合理性，他從地質學成因角度開始分析，指出從統(tǒng)計角度對各地區(qū)的歷史地震記錄進行統(tǒng)計而得到烈度的概率分布不合理！因為，某一地區(qū)的潛在大震可能性并不一定在歷史上出現(xiàn)過，而出現(xiàn)過大震的區(qū)域由于板塊運動后能量已經(jīng)釋放，在未來相當一段時期內再積聚能量發(fā)生大震的可能性將非常小。他指出人類有地震烈度記錄的歷史不過5000多年，而一個地區(qū)地質條件的形成早已在千萬年前，拿五千年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)想要準確反映上千萬年的地質變動，猶如滄海一粟！而地質學角度上看，烈度區(qū)劃圖時用到的兩個根本假定并不科學(兩個根本假定：a.某一地區(qū)在歷史記錄上發(fā)生過n度地震，那么以后還會發(fā)生n度地震；b.兩個地區(qū)地質條件相似，那么這兩個地區(qū)將發(fā)生相同烈度的地震。)。這對傳統(tǒng)的抗震設防烈度根據(jù)統(tǒng)計回歸得到的概率模型提出了挑戰(zhàn)！

林教授還指出結構的抗震計算中輸入地震作用的方向不合理性：我們在做地震計算時總是以某一方向作為主軸輸入地震作用(x向、y向)，但實際地震地面振動觀察記錄說明，地震作用的方向并不存在固定的方向性，也就沒有所謂的x向、y向所言！這個觀點我贊同。我們知道力有三個要素：大小、方向、作用點；眾所周知，地震作用具有明顯的隨機性，既然我們能夠考慮到地震作用大小的隨機性，為什么不能考慮到其作用方向也存在隨機性？強烈地震下，地面的運動可能存在各個方向的平動分量，也存在平面內的扭轉分量，而這些向量嚴格地講都是與時間有關的隨機過程。我的理解是地震作用不僅在大小上是個隨機過程，其作用方向也是隨機過程，實際上是個“隨機矢量”。例如時程分析中輸入地震波模擬地震作用，就要考慮其入射方向的隨機性，用數(shù)學表示就是方向隨機矢量{F(x,y,t)，n(x,y,t)}。

4、樓梯問題。震害說明，樓梯破壞嚴重，這里就不多說了。樓梯作為地震時逃生的主要手段〔大震時電梯肯定是不能用的〕，其抗震性應該引起重視。以前我們做設計都只考慮樓梯板、樓梯梁在豎向荷載下承載力，在結構模型中很少考慮樓梯在地震作用工況下的內力計算，其實犯了大錯！在大震作用下就算結構能

夠防止倒塌，但作為逃生主要通道的樓梯如果已早已嚴重破壞，那讓人們往哪里跑？難到從十幾層樓往下跳？我想08修訂版抗震標準要求我們在結構計算和設計時“應考慮樓梯構件的影響”(3.6.6條)，用“應”而不用“宜”是有道理的！此外，樓梯在水平地震作用下有斜撐的受力狀態(tài)，對結構的剛度影響較大；可能在結構分析中考慮了樓梯的斜撐受力作用后，結構的自振周期和振型就跟原先不考慮時會完全不同，這樣所有計算結論都將改變！〔剛度增大-自振周期減小-地震作用加大〕。我覺得樓梯問題值得進行立項研究！我們原先不重視這個問題的后果是可怕的。

5、出屋面結構破壞嚴重；這與標準底部剪力法一節(jié)中的結論一致。

還有許多新觀點，這里就不一一指出了。

這次會議上很多專家都對結構抗震問題大膽地提出了自己的觀點，我感覺受益匪淺。感覺結構的抗震問題確實相當?shù)仄D巨和復雜啊，現(xiàn)行的抗震設計方法真得有很多值得改良的地方，這里恕我斗膽直言。

以上是我對這次抗震會議的一些理解，我盡量按照專家的意思理解，可能有些出入，望大家批評指正。

針對上述第4條，樓梯問題的計算分析——結果令我吃驚！

為了定量分析樓梯對結構的影響，我用以前做過的工程，利用Midas建了個模型，按建立樓梯和不建樓梯兩種情況，分別進行了計算；另我吃驚的是，兩者的結果差異驚人！這里把一些主要結果給大家，歡送大家討論！

工程概況：

三層框架結構教學樓，現(xiàn)澆樓板。用Midas建模，使用梁單元建立柱、梁模型。

考慮樓梯對上部結構的作用：樓梯梁，樓梯柱按用梁單元建立，樓梯斜板和休息平臺板用板單元建立。

未考慮樓梯作用，樓梯不建入模型，只將其恒載倒算到樓梯梁上。

樓面、屋面板按剛性板假定。

荷載按標準和實際結構輸入。

未考慮樓梯作用時，結構自振周期：

模態(tài)號頻率

頻率

周期

(rad/sec)(cycle/sec)(sec)

18.7361

1.3904

0.7192

29.4640

1.5062

0.6639

311.7178

1.8650

0.5362

考慮樓梯作用時，結構自振周期：

模態(tài)號頻率

頻率

周期

(rad/sec)(cycle/sec)(sec)

19.5543

1.5206

0.6576

211.9258

1.8981

0.5269

313.9830

2.2255

0.4493

分析：

考慮樓梯作用后，結構剛度增大，自振周期減小，地震作用增大。由于樓梯板的斜撐作用，使得樓梯間的局部抗側剛度增大，形成類似于電梯間剪力墻的局部剛度突變區(qū)；根據(jù)水平荷載按抗側力構件間按剛度分配的特點，樓梯間水平剛度的突變，更容易在水平地震作用下更吸收更大地震作用。

振型方面：考慮樓梯影響后，結構的振型發(fā)生明顯變化！第一階振型變?yōu)榕まD振型！從第二階振型開始才出現(xiàn)平動振型！而原先不考慮樓梯時，第一階振型為橫向的平動振型。出現(xiàn)這種情況，我想與樓梯間的增加了結構的局部剛度有關！

休息平臺和樓板在地震作用下，會發(fā)生相對錯位〔即水平位移不相同〕，從而造成樓梯板的軸向拉壓受力狀態(tài)〔斜撐〕，而我們原先設計時就沒有考慮樓梯板在地震作用工況下的內力組合〔甚至在計算機建模時候根本就沒有建樓梯構件〕，這就容易造成樓梯板砼因受拉承載力缺乏而造成受拉破壞！這就是汶川地震中，為什么那么多樓梯板出現(xiàn)水平裂縫，甚至拉斷的原因之一！樓梯間構件〔樓梯板、樓梯梁〕的在地震作用下的受力狀態(tài)遠遠沒有我們原先想象的那么簡單！

此外通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，在水平地震作用下，休息平臺處的水平樓梯梁，在上下樓梯板之間的連接處出現(xiàn)較大變形和應力集中！由于樓梯板的斜撐狀態(tài)，在地震作用下對休息平臺處的水平樓梯梁產(chǎn)生的雙向剪切，勢必造成上下樓梯板交界處樓梯梁出現(xiàn)應力集中，從而導致此處樓梯梁發(fā)生脆性剪切破壞。此外，樓梯梁端部也是應力集中出現(xiàn)的區(qū)域，容易發(fā)生破壞。這就是為什么在汶川地震中，樓梯震害嚴重，經(jīng)常出現(xiàn)樓梯梁的跨中和支座處斷裂的原因之一?！舱掌斠姟?008年汶川地震建筑震害圖片集》，中國建筑科學研究院編，p128～130頁〕

主要結論：

考慮樓梯作用后：

1、結構的自振周期改變，振型改變；

2、在地震作用下樓梯間構件〔樓梯板、樓梯梁〕的受力狀態(tài)改變，例如樓梯板由原先我們的“受彎構件”轉為可能是“拉壓、彎”復雜內力狀態(tài)，甚至可能在受壓的狀態(tài)下發(fā)生平面外失穩(wěn)；

3、水平地震作用在各層抗側力構件間的分配改變。樓梯間局部剛度突變區(qū)可能將分配到更多的地震力，而樓梯間的設計又恰恰沒有考慮到地震作用的工況組合！

感想：

也許我們設計時的“平安儲藏”能夠為樓梯間出現(xiàn)這種復雜情況提供一定的“富裕度”，所以不是所有的樓梯間在這次震害中都遭到致命破壞；但是，又有誰能保證這個“富裕度”在大震下就一定有保證呢。我們只有去