从汶川地震看结构抗震设计.docx
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从汶川地震看结构抗震设计
从汶川地震看结构抗震设计
从汶川地震看结构抗震设计
的一些问题
中国建筑科学研究院赵西安
(100013北京)
提要:
从汶川大地震的建筑震害中可以总结不少经验教训。
其中包括结构的合理选型和合理布置;加强混合结构的整体性;框架结构的多道设防;框架梁柱和节点抗震设计等
关键词:
汶川地震地震震害抗震设计
1概述
图5横墙拉结不良,外墙倒落图6框架柱与山墙拉结不好
震害调查表明:
横墙、柱子设置拉筋伸入纵墙或山墙是有效的连结方式,如果有这样的措施,图5、图6的震害大概可以避免。
2.3尽量避免纵墙承重
在住宅楼中预制板搭在外纵墙上,是常见的做法,但这不是好的作法。
纵墙是砖混结构中的薄弱环节,如上所述,它非常容易倒塌。
唐山地震已有深刻的教训,这此次汶川地震中又再次出现。
为了设置教室、会议室等大空间,往往以混凝土大梁代替横墙,梁端搁在纵墙上。
这种单摆浮搁的支承方式加上纵墙常常震裂震散,很容易导致楼面坠落。
震区一些学校教学楼一垮到底,恐怕与采用纵墙抬梁的结构体系有关。
早在唐山地震后我们就总结过这个教训,提出了大梁应设混凝土柱支承的措施。
与此相似,采用单柱内框架也要特别慎重从事,因为一条腿独立,解决不了两头垮塌的问题。
纵墙搁大梁纵墙搁预制板
图7当年唐山地震纵墙表现不佳
2.4底框多层住宅
汶川地震中底框表现各有不同,取决于底层框架刚度降低是否在允许范围内,还取决于合理进行配筋使底框有足够的抗剪承载力和位移能力。
有些底框倒塌,使原先的二层变底层;但也有不少底框表现良好,经受了地震的冲击(图8)。
图8汶川,底框完好,二层压碎图9汶川,尚存建筑底层框架完好无损
3预制板问题
3.1问题出在那里
三十二年前,唐山的预制板在地震中从天而降,伤人无数,一时骂声四起,称之为“棺材板”、“夺命板”,有些设计人员甚至发誓从此以后再也不用空心板。
但是,震害调查发现,预制板伤人是表象,实质问题是砖墙倒塌飞散,墙之不存,板将焉附?
震后进行振动台试验和反复加载试验表明,那怕板只进墙一厘米,甚至只搭上半块板,也不特殊拉结,只要墙不倒,板就下不来。
所以,要保证板不伤人,出路是用构造梁柱箍住砖墙,保证墙不倒塌。
其实只要墙飞掉了,现浇板也一样压下来,而且重叠在一起,拉不开,掀不起,救人更困难(图10)。
图10墙飞了,几层现浇板贴在一起更图11汶川,板的一端墙没了就掉
没法救人(唐山地震)下来,另一端有墙就挂着。
汶川同样是这样,震害说明:
不管是预制板还是现浇板,砸人是板,凶手是墙;墙在板在,墙倒板完。
许多事例说明了“墙不倒,板不掉”的规律(图11~图15)。
图12墙在,预制板就在图13墙裂了,板也下不来
图14墙这么薄,预制板还是好好的图15墙倒了,那就什么也别说了
3.2要加强楼面的整体性
虽然问题在墙上,但还是要加强楼面的整体性和楼板与墙的拉结,多一道设防总好一些。
预制板要拉开板缝,放入6毫米的钢筋,用好混凝土灌缝,绝不能填建筑垃圾充数;板端要有足够的拉筋伸入墙内,不能嫌费事把“胡子筋”剪掉或打弯。
3.3用这样的板是谁的过错
在汶川震区废墟中,我们还看到一些预制板的断口处,钢筋就像铁丝,稀稀拉拉没几根;有些板的断口连钢筋都很难找出(图16、图17)。
这到底是设计图上就这么画的,还是施工时偷梁换柱?
图16断口只露出一根断钢筋图17钢筋在哪,实在找不着
4框架结构
4.1慎用单跨框架
单跨框架两根柱子一排梁,是最简单的结构形式。
用于教学楼可以两边通风采光,加个悬挑外廊可以让孩子们户外活动,所以建筑师特别喜欢用于中小学教室。
但是这种结构形式没有多道防线,一根柱子破坏,框架马上倒塌。
汶川地区的中小学很多这种教学楼,地震中破坏严重,甚至全部倒塌,可能与此相关(图18、图19)。
图18汶川碧口镇小学单跨框架倒塌图19映秀小学教学楼倒塌
有些教学楼的外廊改悬挑为柱子支承,单跨框架变为双跨,情况就好得多(图20、图21)。
图20都江堰烈度较低,单跨框架图21在极震区汶川,加外廊柱的教室
教室搂也受到震害楼基本完好
4.2柱子截面不能太小
业主和建筑师总是要求柱子截面也越小越好,钢筋可以让多加,尺寸却是没得商量。
从唐山、台湾、阪神等历次强震中柱子破坏分析来看,截面过小,轴压比过大是一个主要原因。
汶川地震同样如此。
倒塌框架的废墟中我们可以发现折断的细细的柱子(图22、图23)。
图22汶川中学细细的图23汉旺东汽中学框架倒塌
柱子
框架柱截面太小直接的结果是柱头压碎和底层柱压塌、上部楼层坠落。
图24汉旺东汽多层框架柱头压碎图25北川中学底层柱压碎,四
层教学楼变三层
4.3柱子配筋配箍太少
有些框架柱不仅截面小,而且就四根细钢筋,加上几道又细又稀的箍筋。
这种弱柱是不可能抵抗巨大的地震水平力的(图26、图27)。
图26柱子钢筋很少图27柱子截面小,四根钢筋细细的
4.4强震下框架结构位移过大
在烈度超过9度的极震区(映秀镇、北川已达10度以上),纯框架结构已经无能为力,侧向位移可大于1/150,临近倾倒(图28、图29)。
图28汶川漩口中学框架严重变形图29两层框架大侧移
有些框架梁跨度大,竖向荷载也大,其截面尺寸远大于柱,配筋也很强。
强柱弱梁这一个抗震的基本要求难以实现。
结果就是梁损坏较轻,而柱子全部毁掉,楼面平行坠落(图30、图31)。
从图中可见,梁大柱小,梁强柱弱,导致梁存柱亡要。
适当加大柱子断面尺寸,提高其侧向刚度;要加强柱的配筋,提高其抵抗能力。
图30北川县政府大楼柱断梁落图31都江堰,二层柱全毁,二层梁压下
5单层工业厂房的屋盖
这次地震,9度以上极震区的单层工业厂房屋盖,凡是采用五十年代经典体系(混凝土屋架、大型屋面板)的基本上全军覆没,这种重量很大、整体性差的屋盖大批坠落(图32、图33),许多重要的、贵重的设备被毁,其损失远大于屋盖本身。
图32德阳宏达化工厂的车间图33汉旺东方汽轮机厂重屋盖坠落
相反,钢屋架加轻质复合屋面板的新型屋面系统,震后完好。
东汽采用轻型屋面的车间很快恢复生产,赢得了时间。
6钢结构
6.1轻钢结构
一些轻钢结构支承的采光顶基本完好,地震影响不大。
采光顶重量较小可能是主要原因(图34)。
6.2一般钢结构
厂房钢屋架这次遭受烈度一般不超过10度,抗震性能良好,没有明显震害。
但是屋盖支撑和柱间支撑屈曲失稳的很多,看来长细比控制还要从严(图35)。
图34汉旺,东汽房屋倒塌,采光顶完好图35东汽车间,柱间支撑失稳屈曲
7防震缝
防震缝问题已是老生常谈,大家都知道缝寛不能太小。
但往往由于业主的美观要求,建筑师不得不照办,结构也就将就而行。
汶川地震中,缝两侧相互碰撞的案例不少。
连远离震区的西安市,居然也出现这种问题,说明今后设计中要重视这个问题,留足缝的宽度(图36、图37)。
图36绵阳,缝两侧面砖碰掉图37西安未央路高层住宅楼严重碰撞
8小结
每一次地震震害都提醒我们,抗震设计不可掉以轻心,如有失误就会付出血的代价。
不断总结经验教训,提高技术水平,力争今后少犯错误,不再重复过去的错误,也许是从这次地震中我们所能得到的珍贵回报。
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