摘要：通過對地震的震害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋的破壞所占比重較大。在簡要?dú)w納此類房屋的主要震害現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，分析其破壞機(jī)理，并從抗震措施方面提出加強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能的對策措施，作為改進(jìn)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計(jì)和提高施工質(zhì)量的參考。
關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),震害機(jī)理,抗震設(shè)計(jì)
鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋是指由鋼筋混凝土縱梁、橫梁和柱等構(gòu)件所組成的承重體系的房屋，框架房屋具有平面布置靈活、可任意分割房間，容易滿足生產(chǎn)工藝和使用要求。它既可以用于大空間的商場、工業(yè)生產(chǎn)車間、禮堂，也可用于住宅、辦公樓、醫(yī)院和學(xué)校建筑。因此，框架房屋在單層和多層工業(yè)與民用建筑中獲得了廣泛應(yīng)用。
框架結(jié)構(gòu)自身重量輕，能有效減小地震作用。如果設(shè)計(jì)合理，框架結(jié)構(gòu)的抗震性能一般較好，能達(dá)到很好的延性，但同時(shí)由于側(cè)向剛度較小，地震時(shí)水平變形較大，易造成非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。結(jié)構(gòu)較高時(shí)，過大的水平位移引起的P—△效應(yīng)也較大，從而使結(jié)構(gòu)的損傷更為嚴(yán)重[1-2]。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格限制框架結(jié)構(gòu)的最大適用高度。
1 震害特性
1.1框架梁、柱的震害
框架梁、柱的震害主要反映在梁柱節(jié)點(diǎn)處。柱的震害重于梁，柱頂震害重于柱底，角柱震害重于內(nèi)柱，短柱震害重于一般柱，震害情況如下。
1.1.1框架柱上下端出現(xiàn)塑性鉸
為了實(shí)現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)，對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，要求采用“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的設(shè)計(jì)原則。然而地震中在框架梁基本完好的情況下，柱端出現(xiàn)塑性鉸的情況非常普遍，如圖1所示。地震災(zāi)區(qū)很多框架結(jié)構(gòu)的垮塌源于柱端先于梁端破壞，發(fā)生一垮到底的現(xiàn)象。對此，不免產(chǎn)生這樣的疑問：現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計(jì)方法能實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”嗎？地震作用在板、梁、柱中的傳遞路徑與設(shè)計(jì)時(shí)所采用的假定一致嗎？因此，如何提高柱的承載力，如何考慮樓板對框架梁強(qiáng)度和剛度的貢獻(xiàn)，以真正實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”值得商榷。
圖1框架柱上下端出現(xiàn)塑性鉸
1.1.2柱頂周圍有水平裂縫、斜裂縫或交叉裂縫。
重者混凝土壓碎崩落，柱內(nèi)箍筋拉斷，縱筋壓曲成燈籠狀，如圖2所示，上部梁、板傾斜。
圖2縱筋壓曲成燈籠狀
由于節(jié)點(diǎn)處的彎矩、剪力和軸力都比較大，柱的箍筋配置不足或錨固不好，在彎、剪、壓共同作用下，使箍筋失效而導(dǎo)致出現(xiàn)此種震害。
1.1.3短柱破壞
當(dāng)有錯層、夾層或有半高的填充墻，或不適當(dāng)?shù)卦O(shè)置某些連系梁時(shí)，容易形成短柱（柱高與柱截面的邊長之比小于4）。如：由于窗臺墻體對柱子的約束作用，使柱子的有效長度減小了50%，成為短柱，如圖3所示。
圖3 短柱剪切破壞
柱子較短時(shí)，剪跨比過小，剛度過大，柱中吸收的地震力也較大，容易導(dǎo)致柱子的脆性剪切破壞，形成交叉裂縫乃至脆斷。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免形成短柱。
1.1.4節(jié)點(diǎn)破壞
節(jié)點(diǎn)核心區(qū)產(chǎn)生對角方向的斜裂縫或交叉斜裂縫，如圖4所示，混凝土剪碎剝落。節(jié)點(diǎn)內(nèi)箍筋很少或無箍筋時(shí)，柱縱向鋼筋壓曲外鼓。節(jié)點(diǎn)破壞將導(dǎo)致梁柱失去相互之間的聯(lián)系。節(jié)點(diǎn)破壞的主要原因是節(jié)點(diǎn)的受剪承載力不足，約束箍筋太少，梁筋錨固長度不夠以及施工質(zhì)量差所引起。
圖4節(jié)點(diǎn)破壞
1.1.5角柱破壞
房屋不可避免地發(fā)生扭轉(zhuǎn)，因此角柱所受承載力最大，同時(shí)角柱又有雙向彎矩作用，而其約束又較其他柱小，所以震害重于內(nèi)柱。
1.1.6框架梁產(chǎn)生斜裂縫
在地震作用下，部分框架梁有斜裂縫產(chǎn)生，受損嚴(yán)重的梁，裂縫貫通。
1.2填充墻的震害
填充墻能夠增加框架結(jié)構(gòu)的整體剛度，人們想利用其剛度來減小框架結(jié)構(gòu)在水平力作用下的側(cè)移。在水平地震作用下，填充墻與框架是共同作用的，由于填充墻早期剛度大，吸收了較大的地震作用，然而因墻體受剪承載力低，變形能力小，墻體與框架缺乏有效的拉結(jié)，在往復(fù)變形時(shí)墻體易發(fā)生剪切破壞和散落。所以在地震中，框架結(jié)構(gòu)中填充墻的破壞非常普遍，即使在地震烈度較低的地區(qū)，也會出現(xiàn)部分建筑物的填充墻和梁柱界面上出現(xiàn)明顯的裂縫。填充墻的破壞形態(tài)與填充墻的幾何形狀、填充墻所用的砌體材料、填充墻與主體結(jié)構(gòu)的連接情況等因素有關(guān)填充墻自身嚴(yán)重破壞的情況有出平面破壞（圖5a 和圖5b）、出現(xiàn)明顯的45度斜裂縫（圖5c）和部分壓碎或坍塌（圖5d）。用空心砌塊砌體作為框架結(jié)構(gòu)填充墻時(shí)，填充墻的自身破壞相比于實(shí)心磚砌體更為嚴(yán)重，此時(shí)填充墻的破壞有助于耗散地震能量，結(jié)構(gòu)剛度降低，減小地震反應(yīng)，從而保護(hù)了主體框架。此外，由于填充墻布置不均勻、不對稱，造成建筑物的質(zhì)量中心和剛度中心不重合，地震作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生整體扭轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)致梁柱或填充墻發(fā)生破壞的情況在地震災(zāi)區(qū)也較為常見。
圖5 填充墻的破壞形態(tài)
填充墻與主體之間采用強(qiáng)連接，則其剛度參與整體工作不明確，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件造成破壞；填充墻與主體之間采用弱連接，其自身穩(wěn)定性則難以保證。地震中部分房屋建筑填充墻坍塌與人員逃生發(fā)生在同一時(shí)間，特別是作為逃生通道的樓梯間的填充墻倒塌，都造成了嚴(yán)重的人員傷亡，且修復(fù)費(fèi)用高、難度大。綜合考察其破壞情況，墻體與主體結(jié)構(gòu)之間缺乏可靠連接，墻柱之間拉結(jié)鋼筋數(shù)量不足甚至未布設(shè)拉結(jié)鋼筋，填充墻自身穩(wěn)定性未得到保證是重要原因�？拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范2008年修改后已經(jīng)新增了提高框架結(jié)構(gòu)填充墻和維護(hù)結(jié)構(gòu)安全性的內(nèi)容，在今后的設(shè)計(jì)施工當(dāng)中，輕質(zhì)墻板是高層建筑、超高層建筑不錯的選擇。對于重要逃生通道的樓梯間過道的填充墻穩(wěn)定性尤其值得重視，建議采用鋼筋混凝土墻或配筋砌體。
從填充墻的破壞形態(tài)可以分析其在地震過程中所起的作用，有助于人們認(rèn)識填充墻和框架結(jié)構(gòu)相互作用的機(jī)理。在框架中合理地布置填充墻，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)合理地考慮填充墻的影響，是確�？蚣芙Y(jié)構(gòu)獲得良好的抗震性能的基本途徑。
1.3結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則的震害
1.3.1扭轉(zhuǎn)破壞
如果建筑物的平面布置不當(dāng)而造成剛度中心和質(zhì)量中心有較大的不重合，或者結(jié)構(gòu)沿豎向剛度有過大的突然變化，則極易使結(jié)構(gòu)在地震時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，這是由于過大的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)或變形集中而引起的。
1.3.2薄弱層的破壞
圖6 軟弱底層房屋倒塌
出于對建筑物使用功能的考慮，如上部為住宅、下部為商業(yè)用房或車庫，相對上部其他層，底層填充墻較少，甚至于沒有填充墻，導(dǎo)致層間側(cè)移剛度相差較大，地震作用下建筑物的側(cè)移集中在底層，使之成為薄弱層。這種由于豎向剛度不連續(xù)造成側(cè)移集中在底層的情況，在地震中屢見不鮮。如圖6所示。
1.3.3應(yīng)力集中
結(jié)構(gòu)豎向布置產(chǎn)生很大突變時(shí)，在突變處由于應(yīng)力集中會產(chǎn)生嚴(yán)重震害。
1.3.4防震縫處破壞
兩建筑物間防震縫寬度留設(shè)不足，在地震時(shí)發(fā)生相互碰撞而破壞。
2 震害原因分析
2.1設(shè)計(jì)方面的原因
結(jié)構(gòu)選型不合理，出現(xiàn)平、立面不規(guī)則的結(jié)構(gòu)布置；未按強(qiáng)柱弱梁的抗震概念進(jìn)行設(shè)計(jì)，柱子斷面小、材料強(qiáng)度低、層剛度弱、實(shí)際軸壓比超限；施工混凝土強(qiáng)度低，往往形成薄弱層，大震下彈塑性變形過大，形成層間屈服機(jī)制，從而造成框架柱壓潰、折斷、傾斜及節(jié)點(diǎn)破壞等，或造成整幢房屋或房屋底層的壓扁、傾斜、平移等整體破壞。
規(guī)范中對填充墻的豎向布置并無量化的規(guī)定，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員無章可循。即使在汶川地震后的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范局部修訂版中，也僅提出了如下要求“框架結(jié)構(gòu)的圍護(hù)墻和隔墻，應(yīng)考慮其設(shè)置對結(jié)構(gòu)抗震的不利影響，避免不合理設(shè)置而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的破壞。”雖然作為新增的強(qiáng)制性條文列入規(guī)范，但設(shè)計(jì)人員在執(zhí)行過程中仍存在很大的主觀性。
2.2施工方面的原因
施工單位偷工減料，施工方法不當(dāng)，澆注混凝土強(qiáng)度不足，梁柱配筋不足。特別是框架柱子的混凝土強(qiáng)度及配筋不足，實(shí)際軸壓比往往超限，柱抗彎、抗剪、抗拔能力差，是造成整幢房屋傾倒、傾斜、壓扁及柱子折斷、壓潰的重要原因。柱箍筋彎鉤不是135度，大部分為90度，箍筋錨固差，加上無加密區(qū)等，對柱子混凝土約束很差，造成柱子壓屈、壓潰、剪切破壞等。柱局部抗壓抗剪十分薄弱，大震下局部柱壓潰或折斷，造成整幢房屋傾倒或傾斜。
3 抗震設(shè)計(jì)
3.l平面布置結(jié)構(gòu)、對稱、質(zhì)量和剛度變化均勻
一幢房屋的動力性能基本上取決于它的建筑布局和結(jié)構(gòu)布置。建筑布局簡單合理，結(jié)構(gòu)布置符合抗震原則，就能從根本上保證房屋具有良好的耐震性能。
如果平面不規(guī)則，質(zhì)心和剛心不重合，易發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞使結(jié)構(gòu)破壞；立面不規(guī)則，易產(chǎn)生突然削弱的薄弱層，導(dǎo)致地震力作用下的變形集中，從而使建筑物首先從該部位發(fā)生嚴(yán)重破壞，甚至整個(gè)建筑的破壞。
因此，建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜規(guī)則、對稱，并應(yīng)具有良好的整體性；建筑的立面和豎向剖面宜規(guī)則，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變。
3.2保證結(jié)構(gòu)的延性抗震能力
合理選擇了建筑結(jié)構(gòu)后，就需要通過抗震措施來保證結(jié)構(gòu)確實(shí)具有所需的延性抗震能
力，從而保證結(jié)構(gòu)在中震、大震下實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)，抗震措施包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容：強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件。保證結(jié)構(gòu)延性以防止脆性破壞、承受某些偶然因素的作用、實(shí)現(xiàn)塑性內(nèi)力重分布而有利于抗震，同時(shí)也符合經(jīng)濟(jì)要求。
3.3設(shè)置多道設(shè)防的抗震結(jié)構(gòu)體系
多道抗震防線對抗震結(jié)構(gòu)是必要的，當(dāng)?shù)谝坏婪谰�的抗側(cè)力構(gòu)件在強(qiáng)烈地震襲擊下遭到破壞后，后備的第二道至第三道防線的抗側(cè)力構(gòu)件立即接替，抵擋住后續(xù)的地震動的沖擊，可保證建筑物最低限度的安全，免于倒塌。
3.4利用贅余構(gòu)件增多抗震防線
在超靜定結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，贅余構(gòu)件是第一道防線，由于主體已是靜定或超靜定結(jié)構(gòu)，贅余構(gòu)件破壞不會影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。超靜定結(jié)構(gòu)在超過其荷載能力時(shí)，先使多余桿件發(fā)生塑性變形，消耗吸收一部分能量，而保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少地震破壞。超靜定結(jié)構(gòu)次數(shù)多，則消耗地震能量也就愈多，建筑抗震性能越強(qiáng)。
當(dāng)建筑物受到地震動主脈沖卓越周期的作用時(shí)，一方面利用結(jié)構(gòu)中增設(shè)的贅余構(gòu)件的屈服和變形，來耗散輸入的地震能量；另一方面利用贅余構(gòu)件的破壞和退出工作，使整個(gè)結(jié)構(gòu)從一種穩(wěn)定體系過渡到另一種穩(wěn)定體系，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)周期的變化，以避開地震動卓越周期長時(shí)間持續(xù)作用所引起的共振效應(yīng)。
3.5 增強(qiáng)構(gòu)件的相互連接
多個(gè)構(gòu)件有可靠的連接才能保證各個(gè)構(gòu)件的強(qiáng)度充分發(fā)揮，才能更好地傳遞地震力，使各個(gè)構(gòu)件都能充分地吸收地震力，提高整個(gè)構(gòu)件的延性。構(gòu)件連接不破壞，整個(gè)結(jié)構(gòu)才能保證其整體性，各構(gòu)件之間的連接必須可靠。
3.6填充墻的利用
填充墻在地震力作用時(shí)可減輕主體結(jié)構(gòu)的破壞，但混凝土填充墻可能會造成框架比較顯著的局部破壞，所以說填充墻對主體結(jié)構(gòu)抗震有有利和不利兩種影響，應(yīng)該在結(jié)構(gòu)抗震時(shí)加以具體分析，深人研究不同填充墻布置情況下填充墻對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，以期提出對填充墻布置的量化規(guī)定，具有重要的工程價(jià)值。同時(shí)要使隔墻和圍墻在平面上要對稱均勻分布、沿豎向連續(xù)均勻分布。
3.7隔震與消能減震設(shè)計(jì)問題
使用了隔震技術(shù)的建筑在 1994年美國洛杉磯地震和 1995年阪神地震中經(jīng)受住了考驗(yàn)，隔震技術(shù)的可靠性和優(yōu)越性逐漸得到了認(rèn)識和承認(rèn)。2001抗震設(shè)計(jì)規(guī)范吸收國內(nèi)外研究成果中比較成熟的內(nèi)容，增加了“隔震與消能減震”一章，但由于當(dāng)時(shí)受各種條件制約，實(shí)際應(yīng)用較少。隔震技術(shù)對于低層和多層建筑比較合適，隔震技術(shù)近年來發(fā)展較為成熟，2008年抗震規(guī)范修改以后，也取消了隔震與消能減震設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于對功能有特殊要求和抗震設(shè)防8度、9度建筑的限制。與復(fù)雜的主動控制技術(shù)相比，隔震技術(shù)簡單而容易掌握；與傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)相比，在取得同樣抗震能力時(shí)，造價(jià)更低。中國 70%以上的大城市位于7度或 7度以上地區(qū)，隔震與消能減震設(shè)計(jì)在未來在中國一定會有很好的發(fā)展。
4 結(jié)論
地震極具偶然性，但同時(shí)也極具破壞性，有難于把握的復(fù)雜性和不確定性。要準(zhǔn)確預(yù)測建筑物所遭遇的地震的特性和參數(shù)，因此，建筑抗震概念設(shè)計(jì)顯得十分重要。它從總體上把握了抗震設(shè)計(jì)的基本原則，主要包括：選擇有利的抗震場地，優(yōu)化的平立面布置，利用結(jié)構(gòu)延性，設(shè)置多道防線，強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件的指導(dǎo)思想，構(gòu)件之間應(yīng)的可靠連接，重視非結(jié)構(gòu)因素。同時(shí)，通過抗震計(jì)算提供定量手段，構(gòu)造措施以保證結(jié)構(gòu)整體性，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)局部薄弱環(huán)節(jié)，保證抗震計(jì)算結(jié)果的有效性。
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