唐山地區(qū)民用建筑物抗震性能研究

李曉杰 李 利

0 引言

中國是個(gè)多地震的國家，在中國五個(gè)地震區(qū)中，華北地震區(qū)的地震強(qiáng)度和頻度僅次于青藏高原地震區(qū)。華北地震區(qū)共分為四個(gè)地震帶，其中華北平原地震帶是對(duì)京、津、唐地區(qū)威脅最大的地震帶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，本帶共發(fā)生 4.7級(jí)以上地震 140多次，其中1976年唐山 7.8級(jí)地震就發(fā)生在這個(gè)帶上。

地震的危害性非常大，其造成的建筑物倒塌直接給人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在世界上 130次巨大的地震災(zāi)害中，90%～95%的傷亡是由于建筑物倒塌造成的。地震災(zāi)害學(xué)上有一句名言:“殺人的不是地震，而是建筑?！壁嫔翊蟮卣鹩腥嗽H眼看到一幢辦公大樓整體震倒，結(jié)構(gòu)卻依然完整，樓內(nèi)所有的人都是從窗戶里“走”出來的。因此，建筑物的抗震性能就顯得尤為重要，建筑物能否抗御大地震的襲擊是能否把地震災(zāi)害損失降到最低的關(guān)鍵所在。

1 從結(jié)構(gòu)形式分析建筑物抗震性能

1.1 多層建筑中的砌體結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)

砌體結(jié)構(gòu)是唐山地區(qū)震后低層建筑物采用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式，此類結(jié)構(gòu)屬脆性結(jié)構(gòu)，抗震性能較差，在民用住宅中約占90%，直到現(xiàn)在許多老舊小區(qū)還有大量的此類結(jié)構(gòu)的建筑物。一般低層和多層住宅主要為鋼筋混凝土制作的樓板、過梁、樓梯、陽臺(tái)等配件與磚、石等做的承重墻相結(jié)合的結(jié)構(gòu)體，也稱為磚混結(jié)構(gòu)。由于磚、石砌塊之間的連接較差，雖然設(shè)置了鋼筋混凝土構(gòu)造柱、圈梁等加強(qiáng)措施，但當(dāng)遇到強(qiáng)震時(shí)，在水平和豎向交替振動(dòng)作用下，砌塊之間的連接容易被破壞，導(dǎo)致砌體松散，豎向受力構(gòu)件破壞，建筑物垮塌，所以其抗震性能一般。

框架結(jié)構(gòu)是繼砌體結(jié)構(gòu)后發(fā)展的一種建筑結(jié)構(gòu)形式，又叫現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，它是以梁和柱來承重，它的梁、柱還有樓板都是現(xiàn)澆而成的。結(jié)構(gòu)形式主要由鋼筋混凝土澆灌成承重梁柱，組成骨架，再用空心磚或預(yù)制的加氣混凝土、膨脹珍珠巖、陶粒等輕質(zhì)板材作隔墻分戶裝配而成的住宅。墻主要是起圍護(hù)和隔離的作用，由于墻體不承重，可以用各種輕質(zhì)材料制成。框架最適宜層數(shù)在 10層左右，這時(shí)候的性價(jià)比最高，一般最高不高于 18層。目前，唐山地區(qū)高層住宅的建筑結(jié)構(gòu)主要采用這種方式。雖然框架結(jié)構(gòu)能夠提供較為寬敞的使用空間，有利于建筑功能的組織和分割，但其抗側(cè)剛度較弱，在強(qiáng)震作用下易出現(xiàn)較大位移，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，因此也屬抗震不利結(jié)構(gòu)。

1.2 多高層住宅、公共建筑中的框剪結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)

唐山地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的大幅提高促使住宅形態(tài)向更為舒適、方便的方向發(fā)展，板式高層住宅(10層 ～18層并聯(lián)單元式住宅)，以其通風(fēng)采光好、層次豐富、視野開闊等優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前城市住宅中的一個(gè)亮點(diǎn)。板式高層住宅的結(jié)構(gòu)與普通高層住宅既有一定的共性又存在著較大的區(qū)別，目前本地區(qū)這種住宅多采用框架—剪力墻形式的結(jié)構(gòu)。它是框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)體系的組合，在承受水平力時(shí)，框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)體系。框架體系主要承受垂直荷載，剪力墻主要承受水平剪力，體系的位移曲線呈彎剪型，從而減小了結(jié)構(gòu)的層間相對(duì)位移比和頂點(diǎn)位移比，這樣不但增大了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，使建筑物的水平位移減小，同時(shí)框架承受的水平剪力顯著降低且內(nèi)力沿豎向的分布趨于均勻。從受力特點(diǎn)看，一般情況下約80%以上水平荷載主要由剪力墻來承受。由于框剪結(jié)構(gòu)中的剪力墻側(cè)向剛度比框架的側(cè)向剛度大得多，使框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下所分配的樓層剪力，沿高度分布比較均勻，各層梁柱的彎矩比較接近。在地震作用下，破壞會(huì)局限于門窗洞口處出現(xiàn)裂縫，即使墻體開裂，各墻肢也可支承樓板，不會(huì)發(fā)生大規(guī)模的垮塌。

鋼結(jié)構(gòu)是以鋼材材料為受力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，是主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一。一般整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成剛性框架結(jié)構(gòu)，平面采用普通梁格體系，豎向荷載由梁、板、柱承擔(dān)?？蚣艿牧号c梁、梁與柱、柱與基礎(chǔ)均按剛性連接設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)連接采用高強(qiáng)螺栓與焊接共同作用。鋼材的特點(diǎn)是強(qiáng)度高、自重輕、剛度大，同時(shí)由于鋼材料的勻質(zhì)性和韌性好，可有較大變形，能很好地承受動(dòng)力荷載，具有很好的抗震能力。

鋼結(jié)構(gòu)首要的優(yōu)點(diǎn)就是重量輕，相同的建筑造型，6層鋼結(jié)構(gòu)住宅重量?jī)H相當(dāng)于 4層磚混結(jié)構(gòu)住宅的重量。建筑總質(zhì)量小，地震力效應(yīng)小，且延性好，相應(yīng)抗震性能就優(yōu)良。鋼結(jié)構(gòu)房子的主要材料是鋼材，鋼材與混凝土相比，比較突出的一個(gè)特點(diǎn)就是韌性好，使其具有較好的抗沖擊脆斷能力，對(duì)動(dòng)力荷載的適應(yīng)性強(qiáng)，其良好的延性和耗沖擊能的能力使鋼結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的抗震性能。

針對(duì)上述各種結(jié)構(gòu)形式的抗震性能，其結(jié)構(gòu)在地震作用下的表現(xiàn)各不相同。總的來說，鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能較好，砌體結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的抗震性能相對(duì)差一些。

2 建筑抗震技術(shù)的發(fā)展

建筑物的抗震性能指建筑物抵御地震破壞的綜合能力。地震造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，主要是建筑物抗震性能差所致。為了減少地震對(duì)建筑物的影響，提高建筑物的抗震性能，我國眾多科研機(jī)構(gòu)對(duì)建筑物的基礎(chǔ)及整體構(gòu)造的各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行了多方面的研究。其中磚房“構(gòu)造柱”和“圈梁”是唐山大地震以后，我國在建筑抗震方面的一件發(fā)明專利。幾十年來，除了傳統(tǒng)的增設(shè)鋼筋混凝土構(gòu)造柱和圈梁、抗震墻、夾板墻、鋼拉桿、鋼支撐、鋼構(gòu)套，以及擴(kuò)大受力構(gòu)件截面等方法之外，還應(yīng)用了碳纖維布、高強(qiáng)結(jié)構(gòu)膠、高強(qiáng)鋼絞線、聚合物砂漿等材料和預(yù)應(yīng)力等技術(shù)，使唐山地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)抗震達(dá)到了較高水平。

但是，目前唐山地區(qū)大多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)都是插入式整體結(jié)構(gòu)，即將建筑物的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為不可分割的整體插入地球，這種結(jié)構(gòu)是以吸收地震能量為主，由此接受地震的沖擊就是硬抗式的。在地震時(shí)，地震破壞力直接傳遞給上部結(jié)構(gòu)，通常都在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的交面上，破壞的形式是剪切破壞，而整個(gè)建筑物不是倒塌就是傾斜，在這種情況下，人們?yōu)榱嗽鰪?qiáng)建筑物的抗震能力，通常加強(qiáng)鋼筋水泥的強(qiáng)度，但是仍然不能解決問題。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)、新材料甚至新的設(shè)計(jì)思想得到大量的應(yīng)用，大大豐富了提高建筑抗震能力的手段。如在現(xiàn)代建筑中在基礎(chǔ)與地基之間設(shè)置彈性墊、在樓中設(shè)置反向平衡重物、利用高科技手段阻尼地震，都能有效地減輕地震災(zāi)害。其中，隔震和消能減災(zāi)就是兩種減輕建筑結(jié)構(gòu)地震災(zāi)害的新技術(shù)。

隔震和消能減震技術(shù)雖然能夠大幅度提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，并且新的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范已給出了隔震和消能減震技術(shù)工程應(yīng)用的指導(dǎo)性意見，但目前建造成本較高，且該技術(shù)從設(shè)計(jì)到構(gòu)造，施工復(fù)雜。正確合理地把握和實(shí)施尚存在一些新問題，因此新技術(shù)距離大規(guī)模推廣和應(yīng)用還需要一定時(shí)間的預(yù)備。

3 合理的建筑設(shè)計(jì)也可提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性

1)場(chǎng)地選擇。場(chǎng)地選擇的原則是避開地震時(shí)可能發(fā)生地基失效的松軟場(chǎng)地，選擇堅(jiān)硬場(chǎng)地。建房時(shí)要選擇基巖或干燥密實(shí)的土層作為地基。不宜在人工填土層、古河道、松散砂層、淤泥層及活動(dòng)斷層地段建房。

2)體形均勻規(guī)整。建房時(shí)房屋平面布局首先要力求平面上的對(duì)稱，無論是在平面或立面上，結(jié)構(gòu)的布置都要力求使幾何尺寸、質(zhì)量、剛度、延性等均勻、對(duì)稱、規(guī)整，避免突然變化。

3)提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強(qiáng)度和延性。結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)破壞來自地震動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，在不增加重量、不改變剛度的前提下，提高總體強(qiáng)度和延性是兩個(gè)有效的抗震途徑。

4)多道抗震防線。使結(jié)構(gòu)具有多道支撐和抗水平力的體系，則在強(qiáng)地震的作用下，建設(shè)工程的一道防線破壞后尚有第二道防線可以支撐結(jié)構(gòu)，避免倒塌。

5)防止脆性與失穩(wěn)破壞，增加延性。脆性與失穩(wěn)破壞常常導(dǎo)致倒塌，故應(yīng)防止。這種破壞常見于設(shè)計(jì)不良的細(xì)部構(gòu)造。

合理的抗震設(shè)計(jì)必須通過高質(zhì)量的施工才能起到抗御地震的作用。只有把好抗震設(shè)計(jì)和施工兩道關(guān)才能有效地提高建設(shè)工程的抗震性能。

4 結(jié)語

工程抗震是一門在實(shí)踐中不斷發(fā)展的學(xué)科，每一次地震都會(huì)為我們提供新的信息，推動(dòng)建筑抗震設(shè)計(jì)向更好的方向發(fā)展，從而提高建筑的安全性。我國的建筑結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計(jì)與研究 50多年來取得了巨大的進(jìn)步，隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的安全儲(chǔ)備大幅提高。近年來，新技術(shù)、新型建材以及新的設(shè)計(jì)思想得到越來越多的應(yīng)用，建造出大批高質(zhì)量的建筑。這些在新的抗震規(guī)范指導(dǎo)下設(shè)計(jì)的建筑，基本能夠保證在地震下的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

因此，為了提高建筑物的抗震性能，最大限度地減輕地震災(zāi)害，建筑工程技術(shù)人員應(yīng)在抗震設(shè)防、抗震技術(shù)、抗震設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量四方面都提高到一個(gè)新的水平，才能確保建筑工程具備合理的抗御地震的能力。

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