單層鋼筋混凝土柱廠房的震害及其分析

陳琬靈

摘 要：本文主要闡述了單層鋼筋混凝土柱廠房在地震中受到的破壞，根據(jù)其破壞的表現(xiàn)分析震害在各個(gè)構(gòu)件上所引起的原因，找出房屋的抗震薄弱環(huán)節(jié)，總結(jié)出有益的抗震措施。

關(guān)鍵詞：地震；單層廠房；震害；混凝土

單層鋼筋混凝土柱廠房是我國(guó)當(dāng)前建筑業(yè)中使用最廣泛的一種建筑廠房形式，由于廠房結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成和鏈接方式與一般民用混凝土框架建筑有相當(dāng)大的區(qū)別，使之具有脆性性質(zhì)，結(jié)構(gòu)的抗剪、抗拉、抗彎的強(qiáng)度低，未經(jīng)合理抗震設(shè)計(jì)的多數(shù)遭到嚴(yán)重破壞。鑒于未來(lái)地震施加給結(jié)構(gòu)物的地震作用具有很大的不確定性，過(guò)高地要求技術(shù)結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)和地震反應(yīng)，目前還很困難。因此必須重視房屋震害的實(shí)地考察，找出房屋的抗震薄弱環(huán)節(jié)，總結(jié)出有益的抗震措施。

單層鋼筋混凝土柱廠房的一般震害表現(xiàn)為：在6地震烈度、7地震烈度地區(qū)主體結(jié)構(gòu)完好，少數(shù)圍護(hù)磚墻開(kāi)裂外閃，突出屋面的Π形天窗架局部損壞；在8地震烈度區(qū)主體結(jié)構(gòu)有不同程度的破壞，例如，有相當(dāng)多的上柱裂縫，與柱和屋蓋拉結(jié)不好的圍護(hù)墻局部倒塌，Π形天窗架傾倒，個(gè)別重屋蓋廠房屋蓋塌落等；在9地震烈度區(qū)主體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，磚圍護(hù)墻大量倒塌，Π形天窗架大量?jī)A倒，不少?gòu)S房屋蓋塌落；在10地震烈度、11地震烈度地區(qū)，大多數(shù)廠房倒塌毀壞。

從震害調(diào)查結(jié)果來(lái)看，現(xiàn)有未抗震設(shè)防的單層鋼筋混凝土柱廠房，凡經(jīng)正規(guī)設(shè)計(jì)而由于考慮了類似于水平地震作用的風(fēng)荷載和吊車水平荷載，對(duì)于抵抗7地震烈度地震作用是有足夠能力的，但也存在若干薄弱環(huán)節(jié)；而對(duì)于7地震烈度以上地震，則顯示出其抵抗能力的不足。特別是單層鋼筋混凝土柱廠房存在著縱向抗震能力較差以及構(gòu)件聯(lián)結(jié)構(gòu)造單薄，支撐體系較弱，構(gòu)件若干截面強(qiáng)度不足等薄弱環(huán)節(jié)。位于第Ⅳ類建筑場(chǎng)地的廠房震害加重，主要是由于廠房自振周期與場(chǎng)地土卓越周期接近而產(chǎn)生了類共振所造成的。單層鋼筋混凝土柱廠房的主要震害表現(xiàn)如下：

1 屋蓋體系

屋蓋體系在7地震烈度區(qū)基本完好，僅在個(gè)別柱間支撐處屋面板支座酥裂；8地震烈度區(qū)發(fā)生屋面板錯(cuò)動(dòng)、移位、震落，造成屋蓋局部倒塌；9地震烈度區(qū)發(fā)生屋架傾斜、位移，屋蓋部分塌落，屋面板犬量開(kāi)裂、錯(cuò)位；9地震烈度以上地區(qū)則發(fā)生屋蓋大面積倒塌。

屋面板的端部預(yù)埋件小，且預(yù)應(yīng)力屋面板的預(yù)埋件又未與板肋內(nèi)主筋焊接，加上施工中有的屋面板擱置長(zhǎng)度不足，屋面板與屋架焊接連接點(diǎn)數(shù)量不足，焊接質(zhì)量差甚至漏焊，板間沒(méi)有灌縫或灌縫質(zhì)量很差等原因，造成大型屋面板與屋架上弦間的連結(jié)質(zhì)量差，同時(shí)屋蓋支撐布置稀少或不符合抗震傳力的要求，這樣將使很多廠房因屋蓋整體剛度差，而導(dǎo)至地震時(shí)屋蓋體系發(fā)生上述的震害。

另外，從屋蓋縱向地震作用的傳遞來(lái)看，柱間支撐所在開(kāi)間是屋蓋地震作用最后集中的地方。由于在這一開(kāi)間沒(méi)有設(shè)置屋蓋上弦水平支撐，地震力由屋面板集中傳遞，結(jié)果則造成在柱間支撐的開(kāi)間內(nèi)屋面板與屋架的連接破壞。連接較強(qiáng)時(shí)，則可能引起強(qiáng)度不足的屋架端角破壞，甚至使屋架上弦剪切破壞，并可能導(dǎo)至屋蓋倒塌。

2 天窗架

Π形天窗架的震害普遍。7地震烈度區(qū)出現(xiàn)天窗架立柱與側(cè)板連接處及立柱與天窗架垂直支撐連接處混凝土開(kāi)裂的現(xiàn)象；在8地震烈度區(qū)，上述裂縫貫穿全截面，混凝土酥碎，嚴(yán)重者天窗架在立柱底部折斷倒塌，并引起廠房屋蓋倒塌；9-10地震烈度區(qū)Π形天窗架大面積傾倒。這充分地反映了突出屋面天窗架縱向抗震能力的薄弱。Π形天窗架的震害如此嚴(yán)重，其主要原因是天窗架垂直支撐布置不合理和不足；另外，天窗架本身在設(shè)計(jì)和構(gòu)造上也存在一些問(wèn)題，天窗架豎桿截面強(qiáng)度不足，天窗側(cè)板與豎桿剛性連接形成剛度突變，易于造成應(yīng)力集中。突出屋面天窗架的縱向側(cè)移剛度要比廠房柱列剛度小得多，這樣，高振型的影響使天窗縱向水平地震作用顯著增大。在縱向地震作用下，一旦支撐破壞而退出工作，地震作用全部由天窗架承受，而天窗架本身又存在上述缺陷，當(dāng)天窗架承受不了這此地震作用時(shí)，必然沿縱向破壞。由于天窗架的縱向倒塌也可能引起屋蓋倒塌。調(diào)查表明，井式天窗降低了廠房高度，震后基本完好，是抗震性能較好的一種天窗型式。

3 柱

鋼筋混凝土柱在7地震烈度區(qū)基本完好；在8地震烈度、9地震烈度區(qū)破壞一般較輕，個(gè)別比較嚴(yán)重者，發(fā)現(xiàn)有上柱根部折斷的震害；在10地震烈度、11地震烈度區(qū)有部分廠房發(fā)生傾倒。一般情況下，鋼筋混凝土柱具有一定的抗震能力，但它的局部震害是普遍的，有時(shí)甚至嚴(yán)重的，下面分項(xiàng)敘述其震害情況：

3.1 上柱根部或吊車梁處出現(xiàn)水平裂縫、酥裂或折斷。上述震害的原因是，上柱在地震中承受著直接從屋蓋傳來(lái)的地震力，而上柱的截面與側(cè)向剛度都比下柱要小，其變形與內(nèi)力比下柱大；上柱根部或吊車梁頂處（吊車梁也起到嵌固作用）是剛度突變和應(yīng)力集中的部位；對(duì)于高低跨廠房的中柱；受高振型的影響，彎矩較大，上柱本身也存在著抗震強(qiáng)度不足的缺陷。

3.2 高低跨廠房中柱支承低跨屋蓋的牛腿（肩梁）的豎向劈裂。這一震害的發(fā)生，主要是因?yàn)楦叩涂鐝S房在地震時(shí)存在著高振型的影響，高低兩個(gè)屋蓋產(chǎn)生相反方向的運(yùn)動(dòng)；增大了柱牛腿（肩梁）的地震水平拉力，致使其豎向開(kāi)裂。

3.3 設(shè)有柱間支撐的廠房，在柱間支撐與柱的聯(lián)結(jié)部位，由于支撐的拉力作用和應(yīng)力集中的影響，柱上多有水平裂縫出現(xiàn)，嚴(yán)重者，也有柱間支撐把柱腳剪斷的震害。

3.4 實(shí)腹柱下柱由于彎矩和剪力過(guò)大，強(qiáng)度不足，在柱根附近往往產(chǎn)生水平裂縫或環(huán)裂，嚴(yán)重時(shí)可發(fā)生酥碎或錯(cuò)位乃至折斷。

平腹桿雙支柱由于剛度較小和腹桿構(gòu)造單薄，多數(shù)在平腹桿兩端有環(huán)形裂縫。開(kāi)孔的預(yù)制腹板工字形柱，多數(shù)在腹板孔間產(chǎn)生交叉裂縫。

4 連接

房裝配式構(gòu)件的連接破壞是相當(dāng)普遍的震害現(xiàn)象。前面已敘述了屋面板與屋架、天窗架與屋架間連接薄弱所造成的震害。在8地震烈度、9地震烈度區(qū)，屋架與柱頂連接發(fā)生一般損壞或破壞；10地震烈度區(qū)，則往往遭到嚴(yán)重破壞。由于上述連接的破壞而使屋蓋墜落，帶來(lái)了嚴(yán)重的震害。這是由于這些連接部位未考慮抗震必需的強(qiáng)度和一定延性的要求，屋架與柱頂采用剛性焊接，受力后不起鉸接作用；柱頂范圍箍筋配置稀少，類似素混凝土構(gòu)件。在水平地震作用下，連接節(jié)點(diǎn)處于彎矩、水平剪力和豎向軸力等的共同作用。由于柱頂混凝土承受不了上述外力作用，輕則柱頂開(kāi)裂壓酥，重則混凝土剝落，埋件拔出，錨筋拉斷，屋架端頭破裂，甚至將上柱折斷。位于廠房單元中部的柱，由于變形大上述震害更明顯。

此外，在縱向地震作用下，個(gè)別廠房吊車梁與柱連接破壞，使吊車梁繳向位移，甚至掉落。山墻柱上端與屋架的連接處，震后也常見(jiàn)有不同程度的破損現(xiàn)象。

5 支撐系統(tǒng)

在廠房支撐系統(tǒng)的震害中，以天窗架垂直支撐最為嚴(yán)重，其次是屋蓋垂直支撐和柱間支撐。在過(guò)去未抗震設(shè)防的廠房中，支撐只按構(gòu)造設(shè)置，間距過(guò)大、支撐數(shù)量不足、形式不盡合理、桿件剛度偏弱、強(qiáng)度偏低、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造單薄等，地震后即發(fā)生桿件壓曲、部分節(jié)點(diǎn)扭折、焊縫撕開(kāi)、錨件拉脫、，錨筋拉斷等現(xiàn)象，也有個(gè)別桿件拉斷的。上述破壞使支撐部分失效或完全失效，結(jié)果造成主體結(jié)構(gòu)錯(cuò)位或傾倒。有時(shí)，震后支撐雖未失效，但因間距過(guò)大造成其撐桿對(duì)廠房結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，則可能導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的破壞。