高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)震害及抗震設(shè)計(jì)初探

賀高凱

高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)震害及抗震設(shè)計(jì)初探

賀高凱

我國位于世界兩大地震構(gòu)造系的交匯區(qū)域，是地震多發(fā)的國家之一，當(dāng)前我國正處于新的地震活躍期。我國位于六度區(qū)以上的城市占城市總數(shù)的70%以上，近60%的大城市位于七度及七度以上的地震區(qū)。作為一種突發(fā)的自然災(zāi)害，地震具有不可預(yù)測性且發(fā)生的頻率較高，目前高層建筑中多以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系為主。因此我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》及《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》（本文后分別簡稱《抗規(guī)》及《高規(guī)》）規(guī)定在抗震設(shè)防烈度為6度及以上的地區(qū)，必須進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，并且要求建筑物基本的抗震設(shè)防目標(biāo)滿足 “大震不倒，中震可修，小震不壞”的要求。本文將對高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的地震災(zāi)害及抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行初步探析。

一、高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的震害分析

相較于其他材料建造的房屋而言，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋整體性好，因而具有良好的抗震性能，但若抗震設(shè)計(jì)不合理或不符合要求，高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的震害。而建筑結(jié)構(gòu)震害的嚴(yán)重程度主要取決于地震特性和建筑結(jié)構(gòu)自身特征兩個(gè)因素。因此，下面就結(jié)構(gòu)平面布置、框架結(jié)構(gòu)、抗震墻結(jié)構(gòu)、樓梯結(jié)構(gòu)及填充墻結(jié)構(gòu)等方面的震害進(jìn)行簡單介紹。

1.結(jié)構(gòu)布置的震害

建筑物的平面布置不規(guī)則、質(zhì)量和剛度分布不均勻、不對稱而造成剛度中心和質(zhì)量中心有較大的不重合，易使結(jié)構(gòu)在地震時(shí)產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)變形而嚴(yán)重破壞。另外，結(jié)構(gòu)沿豎向布置的剛度嚴(yán)重不均勻時(shí)，剛度較小的樓層會(huì)成為薄弱層，將會(huì)導(dǎo)致局部變形過大，極易發(fā)生破壞甚至倒塌，如汶川地震時(shí)，大量的“下柔上剛”的結(jié)構(gòu)或底部大空間結(jié)構(gòu)的建筑底部完全破壞導(dǎo)致房屋整體倒塌；又如日本阪神地震時(shí)，大量的20層左右的高層建筑在第五層處因豎向剛度突變導(dǎo)致倒塌，主要是因?yàn)槿毡井?dāng)時(shí)規(guī)范允許結(jié)構(gòu)剛度及抗力在第五層以上相對較弱。除此之外還有結(jié)構(gòu)布置中抗震縫設(shè)置問題，因相鄰房屋或結(jié)構(gòu)單元防震縫設(shè)置的寬度不夠，導(dǎo)致其兩側(cè)的房屋或結(jié)構(gòu)單元發(fā)生碰撞而產(chǎn)生震害。

2.框架結(jié)構(gòu)的震害

框架結(jié)構(gòu)的整體破壞形式一般分為延性破壞和脆性破壞，當(dāng)塑性鉸出現(xiàn)在框架梁兩端，形成強(qiáng)柱弱梁，此時(shí)結(jié)構(gòu)能承受較大整體變形，吸收較多地震能量，結(jié)構(gòu)發(fā)生延性破壞；而當(dāng)塑性鉸出現(xiàn)在柱端，形成了強(qiáng)梁弱柱機(jī)制，結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞?？蚣苤瑫r(shí)承受豎向軸力和兩個(gè)主軸方向的彎矩與剪力的作用，受力狀態(tài)復(fù)雜，一旦底部柱子發(fā)生破壞，整棟房屋就有倒塌的危險(xiǎn)，因此在框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中提倡 “強(qiáng)柱弱梁”的承載能力設(shè)計(jì)原則。

3.抗震墻的震害

相較于框架結(jié)構(gòu)而言，抗震墻結(jié)構(gòu)、框架—抗震墻結(jié)構(gòu)的抗震性能較好、震害相對較輕，高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中抗震墻的破壞主要是抗震墻底部的破壞和連梁的剪切破壞?？拐饓Φ撞科茐谋憩F(xiàn)為受壓區(qū)混凝土大片壓碎剝落，縱筋壓屈，震害常出現(xiàn)在底部；而連梁是位于上下門窗洞口之間的聯(lián)系墻肢的水平構(gòu)件，往往高度大而跨度小，能吸收較多的地震作用，剪切效應(yīng)明顯，在反復(fù)荷載作用下易形成X形剪切裂縫，墻肢之間的連梁是抗震墻結(jié)構(gòu)變形集中之處，所以連梁很容易發(fā)生破壞。

4.樓梯的震害

樓梯的震害是汶川地震中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)新問題，以往的設(shè)計(jì)中沒有考慮樓梯參與抗震計(jì)算，僅對樓梯進(jìn)行豎向荷載作用下的靜力分析分析和設(shè)計(jì)，而實(shí)際上樓梯對結(jié)構(gòu)提供了較大的抗側(cè)力剛度，并且對樓梯休息平臺處框架柱抗震設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大的不利影響。同時(shí)在水平地震的往復(fù)作用下，樓段板承受反復(fù)拉壓作用，樓段板受力筋壓屈或個(gè)別斷裂，樓梯板完全拉斷塌落。所以現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范把樓梯結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)做了兩類明確的設(shè)計(jì)要求。

5.填充墻的震害

填充墻顯著改變主體結(jié)構(gòu)抗震性能，但由于其材料強(qiáng)度顯著的變異性及脆性破壞模式，其抗震性能不易預(yù)測，填充墻通常被當(dāng)作非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不參與結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算，目前國內(nèi)外尚無明確的關(guān)于填充墻自身抗震性能的指標(biāo)。砌筑式填充墻的砌塊和砂漿抗拉強(qiáng)度都不高，其界面的粘結(jié)強(qiáng)度也較低，使得砌筑式填充墻在地震作用下很容易開裂，會(huì)引起使用者的心理恐慌，而填充墻倒塌的后果則更加嚴(yán)重。

二、高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

1.結(jié)構(gòu)材料的選擇

對于高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，為保證整體結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力和延性，《抗規(guī)》及《高規(guī)》都對高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級、鋼材強(qiáng)度等建筑材料做了相應(yīng)的規(guī)定，因此，在抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格遵守規(guī)范、規(guī)程的規(guī)定。

2.結(jié)構(gòu)抗震慨念設(shè)計(jì)

對于高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)最大限度做到建筑形體（包括建筑平面形狀及豎向變化）的規(guī)則、對稱；建筑結(jié)構(gòu)平面布置及剛度設(shè)計(jì)均勻、對稱，豎向剛度均勻或變化均勻；各樓層質(zhì)量延豎向分布均勻或變化合理；并優(yōu)先選擇符合《抗規(guī)》及《高規(guī)》規(guī)定的結(jié)構(gòu)方案，確保《抗規(guī)》及《高規(guī)》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在單項(xiàng)工程抗震設(shè)計(jì)中的有效性和適宜性，同時(shí)應(yīng)盡量避免選擇復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)。

3.結(jié)構(gòu)規(guī)則性

應(yīng)嚴(yán)格控制建筑結(jié)構(gòu)方案的規(guī)則性設(shè)計(jì)，控制結(jié)構(gòu)單元建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則的項(xiàng)次以及單項(xiàng)不規(guī)則的程度。不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)方案應(yīng)按規(guī)定采取超過規(guī)范規(guī)定的加強(qiáng)措施；特別不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)方案應(yīng)進(jìn)行專門的研究和論證，并采取特別的加強(qiáng)措施；嚴(yán)重不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)方案不應(yīng)采用。

4.結(jié)構(gòu)體系的選擇

高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系的選擇應(yīng)優(yōu)先滿足建設(shè)物功能的要求，確保建筑的適用性；其次應(yīng)根據(jù)建筑物高度及功能、建筑結(jié)構(gòu)最大適用高度、抗震設(shè)防要求及場地的地震條件，綜合選擇安全、適用、合理、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)體系，高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系的選擇主要區(qū)別是建筑結(jié)構(gòu)適用高度及結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)力性能，結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)力剛度過小難以滿足建筑結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)要求，結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)力剛度過大則會(huì)在相同的地震條件下產(chǎn)生相對較大的地震作用，且建筑經(jīng)濟(jì)合理性較差。

5.結(jié)構(gòu)布置原則

在結(jié)構(gòu)布置中結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件及豎向、水平承重構(gòu)件宜平面全方向均勻、對稱地設(shè)置，至少應(yīng)沿縱橫兩個(gè)正交方向均勻、對稱地設(shè)置，盡量避免不規(guī)則、非對稱的斜交抗側(cè)力構(gòu)件布置，各類作用的傳遞應(yīng)直接、就近、明確；對于框架結(jié)構(gòu)尚應(yīng)優(yōu)先采用縱橫雙向框架或橫向框架承重體系，另外為了保證結(jié)構(gòu)具有足夠的贅余度（約束）和耗能能力，高層建筑鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)不應(yīng)采用單跨框架。

6.合理設(shè)置防震縫

當(dāng)結(jié)構(gòu)體系不同、平面形狀不規(guī)則或豎向高度相差過大時(shí)，宜設(shè)置防震縫，將不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)劃分成若干較為簡單、規(guī)則的結(jié)構(gòu)，提高建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，為防止由于防震縫寬度不夠?qū)е碌膬蓚?cè)結(jié)構(gòu)在地震中發(fā)生碰撞，防震縫寬度應(yīng)考慮防震縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)體系、高度等不同的不利組合影響，同時(shí)應(yīng)特別注意考慮抗震縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)單元不同地震工況下位移的不利組合影響。

7.隔墻與填充墻的選擇

隔墻與填充墻墻體的材料及類型選擇，應(yīng)該根據(jù)抗震設(shè)防要求和預(yù)期目標(biāo)、房屋高度、建筑體型及隔墻與填充墻墻體自身抗側(cè)力性能等因素確定，應(yīng)優(yōu)先采用較為輕質(zhì)的墻體材料；剛性隔墻與填充墻墻體的布置，應(yīng)該避免結(jié)構(gòu)形成剛度分布上的突變，同時(shí)隔墻與填充墻墻體與主體結(jié)構(gòu)應(yīng)該有可靠的拉結(jié)或連接，并能夠適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)不同方向的層間位移，高層建筑外墻板的連接件應(yīng)該具有足夠的延性和適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)動(dòng)能力。

三、結(jié)語

總而言之，目前我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)程已經(jīng)對符合規(guī)范規(guī)程規(guī)定和要求的高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)做了詳盡的規(guī)定，只要抗震設(shè)計(jì)中嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)定，在規(guī)定內(nèi)的地震發(fā)生時(shí)，房屋建筑的抗震性能是可以保證的，地震震害就可以控制在預(yù)期的水平。

（作者單位：河南省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司）