汶川地震鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的震害調(diào)查與分析

韓 娟

(西南科技大學土木工程與建筑學院,四川 綿陽 621010)

汶川地震后,通過對綿陽地區(qū)進行震害調(diào)研、地震現(xiàn)場考察,對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)的震害特征進行了歸納并予以統(tǒng)計。

以下對綿陽地區(qū)西南科技大學具有代表性的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋進行震害分析。

1 房屋破壞的典型特征

1.1 柱的破壞

柱頂縱筋壓屈、混凝土壓碎,柱出現(xiàn)斜裂縫或交叉的斜裂縫,柱底出現(xiàn)水平裂縫,柱頂?shù)恼鸷Ρ戎讎乐?短柱易發(fā)生剪切破壞,角柱的震害比其他部位的柱嚴重。

(1)角柱。角柱在一層頂梁柱節(jié)點區(qū)下方柱混凝土被壓碎,壓碎區(qū)高度為 300mm,柱縱筋外露。梁柱節(jié)點區(qū)也出現(xiàn)貫通節(jié)點的斜向壓碎條帶(圖 1)。

圖1 院系南樓某梁柱節(jié)點區(qū)的斜向壓碎條帶

(2)邊柱。在一層頂梁柱節(jié)點區(qū)下方柱混凝土被壓碎,壓碎區(qū)高度約 300mm,外側(cè)的混凝土出現(xiàn)劈裂破壞(圖 2)。

(3)短柱?？蚣芏讨L細比小于 4,在大震作用下發(fā)生剪切破壞。短柱一般在中上部斷裂,為水平裂縫。個別梯段梁在鄰近支柱處出現(xiàn)沿梯段梁梁高的豎向裂縫(裂縫寬度最大達 2mm),并有部分混凝土酥碎、脫落的現(xiàn)象。個別梯段梁、梯段板跨中附近也出現(xiàn)開裂,但裂縫寬度較小(圖 3)。

(4)柱頂?？蚣苤蠖鄶?shù)在柱頂部出現(xiàn)破壞,尤其在與框架梁交接處的節(jié)點下部破壞更為突出,柱端呈現(xiàn)水平裂縫、斜裂縫或交叉裂縫,鋼筋彎曲且外露,某些結(jié)構(gòu)該部位的鋼筋出現(xiàn)了屈服(圖 4)。

圖2 院系北樓某梁柱節(jié)點區(qū)柱混凝土被壓碎

圖3 院系南樓某柱上部斷裂

(5)柱底。柱底出現(xiàn)局部抹灰層脫落,局部混凝土壓碎,柱縱筋外露。梁柱加腋處下端出現(xiàn)周邊貫通的裂縫(圖 5)。

1.2 樓梯的破壞

梯段板在其施工縫處破損嚴重。主要表現(xiàn)為:施工縫兩側(cè)梯段沿施工縫發(fā)生明顯錯動,由于錯動導(dǎo)致施工縫附近混凝土碎落,板底縱筋局部外露;出現(xiàn)一條貫通梯段板厚度、長度為梯段寬度的裂縫(圖 6)。

圖4 新區(qū)圖書館某柱頂部被破壞

圖5 龍山體育場看臺某柱底局部混凝土壓碎

圖6 東 1教學樓某樓梯開裂

1.3 結(jié)構(gòu)間相碰破壞

結(jié)構(gòu)的伸縮縫、沉降縫未按抗震縫要求設(shè)置,地震時縫兩側(cè)建筑物相互碰撞,造成墻體和檐口局部破壞,外裝飾層崩裂在城區(qū)各類建筑中普遍存在。

1.4 節(jié)點處的破壞

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在遭遇震害時,節(jié)點破壞表現(xiàn)為:(1)受拉鋼筋屈服,受壓區(qū)混凝土壓碎,混凝土保護層剝落,梁上交叉斜裂縫嚴重,梁端形成塑性鉸;(2)柱筋壓曲,箍筋外鼓或崩斷,柱端形成塑性鉸;(3)鋼筋滑移或混凝土壓酥,梁筋拔出;(4)產(chǎn)生斜向?qū)橇芽p或交叉斜裂縫,嚴重時混凝土成塊剝落,箍筋外鼓或崩斷等(圖 7)。

圖7 院系南樓某梁柱節(jié)點混凝土剝落

1.5 填充墻的破壞

框架填充墻大多在山墻、窗間墻、門洞口的邊角部位產(chǎn)生斜裂縫或交叉裂縫,或沿窗口上下標高產(chǎn)生水平裂縫。在此次震害調(diào)查中,端墻有時發(fā)生填充墻的倒塌,而且以空心砌塊最為嚴重。山墻砌塊在中下部壓碎居多,在中部沿交叉裂縫方向空心磚壓碎。建筑角部受力復(fù)雜,在強震中出現(xiàn)不同程度的破壞,輕者裂縫,重者局部墻體壓碎(圖 8)。

圖8 東 6B樓局部墻體裂縫

2 震害分析

2.1 柱破壞的主要原因

(1)箍筋在柱上下兩端未加密,造成稀箍,約束不了主鋼筋,極易造成柱頭、柱腳主筋呈燈籠狀,混凝土酥碎;

(2)箍筋直徑取值偏小,約束主筋發(fā)生較大變形時有拉斷、拉脫現(xiàn)象;

(3)未考慮罕遇地震下結(jié)構(gòu)的彈塑性變形,層間位移值偏大,主筋數(shù)量不足,主筋屈服成塑性鉸;

(4)未考慮因剛度突變(上層為較多磚填充墻時也會發(fā)生),底部剛度偏小造成薄弱層,而發(fā)生柱頭、柱腳的塑性鉸,主筋數(shù)量不足;

(5)梁端配筋過大,柱承載力偏小成強梁弱柱,框架結(jié)構(gòu)未能做到“強柱弱梁”,使柱端先于梁端出現(xiàn)塑性鉸。柱鉸機構(gòu)的形成是導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)甚至倒塌的主要原因。規(guī)范要求鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)應(yīng)該設(shè)計成梁鉸機構(gòu),盡量避免柱鉸機構(gòu)尤其是層間側(cè)移機構(gòu)的形成;

(6)混凝土強度等級不足,強震下易酥碎;

(7)保護層過厚,個別柱達到 6～10 cm之多,大大減小了柱的凈高及抗彎承載能力;

(8)軸壓比較大,柱將發(fā)生小偏心受壓的壓潰型破壞,柱截面受壓區(qū)高度 x較大,受拉鋼筋尚未屈服,混凝土已被壓碎。

(9)其他因素,如配箍率,剪跨比,截面形狀,柱子的位置等。

2.2 樓梯水平斷裂和梯梁斷裂破壞的原因

由于結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件在建模計算時是不考慮的,在整個結(jié)構(gòu)計算時也就沒有考慮其協(xié)調(diào)受力和變形,往往對樓梯采用單獨構(gòu)件設(shè)計,于是忽略了地震作用,甚至有的是憑經(jīng)驗構(gòu)造畫圖解決樓梯結(jié)構(gòu)。因此建議在以后的設(shè)計中對樓梯板筋的配置時因考慮水平拉力作用,增加板筋配置,可以考慮雙層配置;對梯梁也應(yīng)加密箍筋配置。

其次,樓梯板過薄也是原因之一,這樣鋼筋的保護層厚度不足,導(dǎo)致裂縫過大,鋼筋與混凝土的粘結(jié)力不夠。

2.3 兩棟建筑間防震縫(或沉降縫、溫度縫)寬度設(shè)置不足,造成地震中建筑間發(fā)生碰撞,導(dǎo)致附屬設(shè)施的破壞

2.4 節(jié)點破壞的主要原因

節(jié)點破壞的主要原因是節(jié)點處柱箍筋接頭不到位,在地震作用下箍筋拔開脫落;節(jié)點處混凝土級配不合格,骨料過大,造成混凝土握裹力失效,致使節(jié)點破壞。

2.5 填充墻破壞的主要原因

由于框架結(jié)構(gòu)是柔性結(jié)構(gòu)而填充墻是剛性結(jié)構(gòu)。在地震力的作用下二者的變形不一致,使得填充墻與主體結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生裂縫。而填充墻自身產(chǎn)生以下主要破壞:

(1)一些填充墻出現(xiàn)抹灰剝落,主要原因砂漿與墻體的粘結(jié)力不足;

(2)一些填充墻出現(xiàn)抹灰剝落且墻體中上部出現(xiàn)倒塌,主要由于梁和柱對填充墻的約束作用小以及磚砌塊之間砂漿的粘結(jié)力不足;

(3)一些填充墻出現(xiàn)整體倒塌,一方面是由于主體結(jié)構(gòu)與填充墻的剛度相差較大,造成地震過程中兩者位移不僅不同步而且數(shù)值相差也很大,另一方面由于主體結(jié)構(gòu)對填充墻的約束不夠,如墻體過長但未在墻中采取豎向構(gòu)造措施;墻體過高時,未在墻中采取水平構(gòu)造措施。

(4)一些填充墻出現(xiàn) X或斜向裂縫,主要由于墻體受地震橫波對房屋產(chǎn)生水平搖擺及地震縱波對房屋產(chǎn)生豎向震動,兩者的合力產(chǎn)生了 45°斜向的拉應(yīng)力,從而使墻體產(chǎn)生斜向或者 X裂縫。

3 結(jié)論與建議

通過對綿陽地區(qū)地震震害情況的研究分析,我們可以初步得出結(jié)論:框架結(jié)構(gòu)建筑物只要完全按照現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2001)設(shè)計施工,再提高抗震設(shè)防水準,建筑物就可以在大震時不倒,可以保證室內(nèi)人員的生命安全。

在今后的抗震設(shè)計中,要充分重視和考慮地震作用的影響,進一步采取措施,確保框架建筑設(shè)計符合抗震概念設(shè)計的要求。

(1)驗算框架柱的結(jié)構(gòu)剛度比,剛度計算應(yīng)包括實心、空心磚等填充墻剛度;

(2)力求不要形成薄弱層,如無法避免形成薄弱層,應(yīng)加強薄弱層剛度,并加強薄弱層柱子的主配筋,避免發(fā)生柱頭、柱腳主筋屈服;

(3)宜進一步采取措施,確保建筑設(shè)計符合“強柱弱梁”、“強節(jié)點弱構(gòu)件”等抗震概念設(shè)計的要求。

除此之外,加大政府監(jiān)督、檢查力度,保證建筑材料的質(zhì)量,保證國家建筑設(shè)計與施工標準的有效執(zhí)行,從而確保新建建筑的良好質(zhì)量和性能。避免再發(fā)生大震下房屋建筑的大量垮塌。

[1]GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]

[2]GB 50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]

[3]婁宇,葉正強,胡孔國,等.四川汶川 5· 12地震房屋震害分析及抗震對策建議[J].建筑結(jié)構(gòu),2008(8)善[J].工程建設(shè)與設(shè)計,2001(6):37-39

[3]張堅,王振雄.考慮砌體填充墻剛度的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)分析方法[J].結(jié)構(gòu)工程師,2000(4):17-20

[4]林金逸,陳慶枝.磚填充墻鋼筋混凝土框架計算[J].福建建筑,1997(增刊):36-37

[5]沈聚敏,周錫元.抗震工程學[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000

[6]王旋,李碧雄.汶川地震中填充墻鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能思考[J].工業(yè)建筑,2009(1):25-29