四川長寧6.0級(jí)地震下裝配式建筑震害調(diào)查及分析*

鄧世斌， 吳 靖， 羅 璐， 畢 瓊， 雷 雨， 張 瀑， 吳 勇， 王 鵬

(1 中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610041；2 四川省土木建筑學(xué)會(huì)，成都 610041；3 西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，成都 610041；4 四川仁銘住宅工業(yè)技術(shù)有限公司，宜賓 644000)

0 前言

近年來我國裝配式建筑技術(shù)迅速發(fā)展，相關(guān)理論及試驗(yàn)[1-2]取得了一系列成果，國家、行業(yè)和地方標(biāo)準(zhǔn)、圖集相繼出臺(tái)，初步形成了具有我國特色的裝配式建筑技術(shù)體系。但新標(biāo)準(zhǔn)[3-4]實(shí)施以來，國內(nèi)裝配式建筑經(jīng)歷實(shí)際地震震害極少，缺乏實(shí)際地震震害經(jīng)驗(yàn)研究[5-8]。

2019年6月17日四川省宜賓市長寧縣發(fā)生6.0級(jí)地震，為及時(shí)了解震區(qū)裝配式建筑的震害情況，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，2019年6月20日，四川省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳組織了裝配式建筑專項(xiàng)震害調(diào)查，本文將對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行論述。

1 地震概況

據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，本次地震發(fā)生于2019年6月17日22時(shí)55分，地點(diǎn)為四川省宜賓市長寧縣(北緯28.34°，東經(jīng)104.90°)，震級(jí)6.0級(jí)，震源深度16km。震源機(jī)制解結(jié)果顯示為走滑型地震。

宜賓市內(nèi)的地震觀測(cè)臺(tái)站中，51YBT觀測(cè)臺(tái)站(北緯28.71°，東經(jīng)104.57°)距離震區(qū)本文調(diào)查的裝配式建筑最近。根據(jù)四川省地震局提供的本次強(qiáng)震數(shù)據(jù)，51YBT觀測(cè)臺(tái)站記錄的地面運(yùn)動(dòng)加速度見圖1～3。南北向地震動(dòng)峰值加速度為59.0cm/s2，東西向55.5cm/s2，豎向24.9cm/s2；地震波有效持續(xù)時(shí)間28s。地震波反應(yīng)譜曲線見圖4。由圖可知，在0.1～0.40s周期段，東西、南北向地震影響系數(shù)為0.08～0.32，大于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[9](簡(jiǎn)稱抗規(guī))7度(0.1g)小震地震影響系數(shù)0.08，其余周期段地震影響系數(shù)均小于0.08。

圖1 東西向地面運(yùn)動(dòng)加速度曲線

圖2 南北向地面運(yùn)動(dòng)加速度曲線

圖3 豎向地面運(yùn)動(dòng)加速度曲線

圖4 51YBT觀測(cè)臺(tái)站地震波反應(yīng)譜曲線

2 震區(qū)裝配式建筑概況

本次調(diào)查的裝配式建筑位于宜賓市敘州區(qū)，金沙江以北，距離震中約50km，距51YBT觀測(cè)臺(tái)站1～11km?？拐鹪O(shè)防烈度為7度(0.10g)，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期為0.40s，多遇地震設(shè)計(jì)水平地震影響系數(shù)最大值為0.08，建筑抗震設(shè)防類別均為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。裝配式建筑項(xiàng)目、震中和51YBT觀測(cè)臺(tái)站位置見圖5，裝配式項(xiàng)目基本信息見表1。

裝配式項(xiàng)目基本信息 表1

圖5 裝配式建筑、震中和51YBT觀測(cè)臺(tái)站分布示意圖

3 裝配式建筑震害情況

根據(jù)地震烈度分布，本次調(diào)查的裝配式建筑所在區(qū)域地震烈度接近6度。調(diào)查組對(duì)項(xiàng)目一～四樓面、屋面、內(nèi)墻面、外墻面和樓梯間等區(qū)域進(jìn)行全面排查，對(duì)項(xiàng)目五和項(xiàng)目六的低、中、高區(qū)樓層分別進(jìn)行了抽查。調(diào)查結(jié)果如下。

項(xiàng)目一第2層和第3層外墻右上角室內(nèi)一側(cè)發(fā)現(xiàn)細(xì)微斜裂縫，見圖6、圖7，該裂縫在地震后產(chǎn)生。該墻體內(nèi)側(cè)建筑做法為：預(yù)制墻板、6mm厚水泥砂漿墊層、粘結(jié)層、40mm厚保溫砂漿、玻纖網(wǎng)、水泥砂漿層、膩?zhàn)?、防潮底漆一道、乳膠漆。表面裂縫寬度約為0.2～0.6mm，長度均約300mm，僅在內(nèi)側(cè)保溫砂漿內(nèi)開展，主體結(jié)構(gòu)未見裂縫，該墻板結(jié)構(gòu)構(gòu)造見圖8；其余部位未發(fā)現(xiàn)因本次地震而產(chǎn)生的裂縫。項(xiàng)目二～四室內(nèi)面層未發(fā)現(xiàn)開裂脫落，柱腳、梁柱節(jié)點(diǎn)、主次梁節(jié)點(diǎn)、樓板、樓梯表面未發(fā)現(xiàn)裂縫。項(xiàng)目五樓板面、樓板底、墻面、墻角、樓梯間和外墻墻面等部位均未發(fā)現(xiàn)裂縫或飾面脫落情況；在建的項(xiàng)目六已施工樓層的疊合板、樓梯和剪力墻均未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫，施工未受地震影響。

圖6 項(xiàng)目一外墻面窗角裂縫

圖7 項(xiàng)目一外墻面窗頂裂縫

圖8 外墻板A立面示意圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，該6個(gè)裝配式項(xiàng)目在地震作用下主體結(jié)構(gòu)完好，項(xiàng)目三、項(xiàng)目六預(yù)制構(gòu)件之間的連接部位未發(fā)現(xiàn)受損現(xiàn)象，其余項(xiàng)目連接部位因建筑面層覆蓋結(jié)構(gòu)部分不可見，但建筑面層未見受損現(xiàn)象；除項(xiàng)目一有兩片隔墻保溫砂漿輕微開裂外，項(xiàng)目一其余部位和項(xiàng)目二至六隔墻均未發(fā)現(xiàn)因地震作用開裂脫落等破壞現(xiàn)象。

4 項(xiàng)目一、項(xiàng)目二抗震分析

項(xiàng)目一、項(xiàng)目二承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件均預(yù)制，裝配率高。為進(jìn)一步研究其在本次地震作用下的抗震性能，筆者對(duì)這兩個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行了補(bǔ)充計(jì)算分析。

4.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目一為4層裝配整體式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖見圖9，項(xiàng)目其余基本信息見表1。預(yù)制剪力墻采用灌漿套筒連接，疊合板之間采用整體式接縫，外圍護(hù)墻和內(nèi)隔墻(衛(wèi)生間隔墻采用實(shí)心磚)采用PC非承重墻板，每間隔1～2m用1個(gè)灌漿套筒連接上下墻板的縱筋。內(nèi)外預(yù)制墻板間豎向接縫構(gòu)造見圖10。

圖9 項(xiàng)目一標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面示意圖

圖10 項(xiàng)目一預(yù)制墻板連接節(jié)點(diǎn)

項(xiàng)目二為3層裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面見圖11，項(xiàng)目其余基本信息見表1。上下層預(yù)制柱縱筋采用灌漿套筒連接，疊合板之間采用整體式接縫，外圍護(hù)墻和內(nèi)隔墻(衛(wèi)生間廚房少量墻體采用實(shí)心磚)采用PC非承重墻板，墻板和疊合梁分別預(yù)制，PC墻板與梁、柱和相鄰墻板連接構(gòu)造見圖12。

圖11 項(xiàng)目二標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖

圖12 項(xiàng)目二墻板和梁柱連接節(jié)點(diǎn)圖

在裝配式建筑中，PC墻板用于圍護(hù)墻可提高一體化程度，簡(jiǎn)化施工，提高效率和質(zhì)量。但由于其自身剛度大，和主體結(jié)構(gòu)采用不同的連接方式會(huì)對(duì)整體剛度和耗能機(jī)制產(chǎn)生不同的影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通?？筛鶕?jù)其連接方式選擇完全考慮、部分考慮和不考慮其剛度影響。

4.2 計(jì)算模型

為了考慮PC非承重墻板對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)墻板與主體結(jié)構(gòu)的連接方式，采用PKPM-SATWE和SAP2000軟件對(duì)項(xiàng)目一和項(xiàng)目二進(jìn)行分析。對(duì)項(xiàng)目一、項(xiàng)目二分別建立3個(gè)模型，見表2。模型M1，N1——PC非承重墻板僅考慮為線荷載，計(jì)算地震作用時(shí)對(duì)其自振周期進(jìn)行折減，折減系數(shù)分別取0.7和0.6；模型M2，N2——PC非承重墻板按殼單元考慮，不考慮接縫處影響；模型M3，N3——相對(duì)模型M2，N2，項(xiàng)目一PC非承重墻板底部“設(shè)縫”(上下層殼單元間共用的節(jié)點(diǎn)“斷開連接”)；項(xiàng)目二在其頂部和底部均“設(shè)縫”。

模型整體分析 表2

4.3 地震波的選取和輸入

兩棟建筑相鄰平行并排，建筑主軸(X”向)與東西向夾角64°。51YBT觀測(cè)臺(tái)站和項(xiàng)目一、項(xiàng)目二連線到震中距離相同，場(chǎng)地類別相同。51YBT觀測(cè)臺(tái)站和震中連線與項(xiàng)目一、項(xiàng)目二和震中連線間夾角為13°,見圖13。

圖13 研究對(duì)象與站點(diǎn)(51YBT)方位示意圖

將51YBT觀測(cè)臺(tái)站記錄的地震波矢量分解，得出的項(xiàng)目一、項(xiàng)目二X”向、Y”向地震動(dòng)加速度值分別為：

(1)

式中：x，y為觀測(cè)臺(tái)站記錄的東西向、南北向地震動(dòng)加速度；x”，y”為項(xiàng)目一、項(xiàng)目二在X”向和Y”向地震動(dòng)加速度。

按式(1)得到項(xiàng)目一、項(xiàng)目二主軸上地震動(dòng)(簡(jiǎn)稱6-17wave)，其峰值加速度分量分別為：X”向39.0 cm/s2，Y”向69.0 cm/s2，Z向24.9 cm/s2，有效持時(shí)為30s，時(shí)間間隔為0.005s。

4.4 模態(tài)分析

項(xiàng)目一結(jié)構(gòu)自振周期見表3。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：1)SATWE和SAP2000模型前3階自振周期相差10%以內(nèi)。2)模型M1～M3自振周期均小于場(chǎng)地特征周期0.4s。3)模型M1第一周期為Y向平動(dòng)，模型M2，M3第一周期為X向平動(dòng)，PC非承重墻板對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度影響明顯。4)X向平動(dòng)周期之比：模型M2/模型M1約為0.5，模型M3/模型M1約為0.5；Y向平動(dòng)周期之比：模型M2/模型M1約為0.4，M3/M1約為0.4。5)模型M2，M3前3階自振周期相差6%以內(nèi)，說明在PC非承重墻板底面“設(shè)縫”對(duì)其自振周期影響較小。

項(xiàng)目一結(jié)構(gòu)自振周期/s 表3

項(xiàng)目二結(jié)構(gòu)自振周期見表4。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：1)SATWE和SAP2000模型前3階自振周期相差10%以內(nèi)。2)模型N2，N3自振周期均小于場(chǎng)地特征周期0.4s，模型N1前3階自振周期大于0.4s。3)X向平動(dòng)周期之比：模型N2/模型N1為0.4，模型N3/模型N1為0.5；Y向平動(dòng)周期之比：模型N2/模型N1、模型N3/模型N1為0.3。模型N2，N3第二周期為扭轉(zhuǎn)周期。PC非承重墻板對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度影響明顯。4)模型N3與模型N2第一周期之比為1.3，PC非承重墻頂面和底面“設(shè)縫”后周期增大0.07s(約30%)。

項(xiàng)目二結(jié)構(gòu)自振周期/s 表4

4.5 彈性分析

在6-17wave作用下對(duì)模型M1～M3及模型N1～N3進(jìn)行彈性時(shí)程分析，并與7度(0.1g)小震振型分解反應(yīng)譜法(CQC法)計(jì)算結(jié)果對(duì)比，各模型基底剪力計(jì)算結(jié)果見表5。

6-17wave時(shí)程分析與CQC法的基底剪力 表5

由表5可知，SATWE和SAP2000計(jì)算的基底剪力結(jié)果基本相符，CQC法和6-17wave時(shí)程分析的基底剪力比值：X向最大值為1.85；Y向最大值為2.07。

項(xiàng)目一結(jié)果表明：1)模型M1，M2，M3的6-17wave時(shí)程分析與CQC法基底剪力比值均大于1，說明本次地震作用下基底剪力超過了小震作用下按CQC法計(jì)算的基底剪力，證明了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是一種安全可靠、質(zhì)量可控的結(jié)構(gòu)體系[11]; 2)由時(shí)程分析結(jié)果可知，PC非承重墻板對(duì)基底剪力影響明顯; 3)PC非承重墻板底面“設(shè)縫”后，基底剪力變化不大。

項(xiàng)目二結(jié)果分析表明：1)考慮PC非承重墻板剛度，本次地震作用下Y向基底剪力超過了小震作用下按CQC法計(jì)算的基底剪力設(shè)計(jì)值；2)由時(shí)程分析結(jié)果可知，PC非承重墻板對(duì)基底剪力影響明顯；3)CQC法的Y向基底剪力：模型N2和模型N3小于模型N1，這是因?yàn)槟Ｐ蚇2，N3的第2階振型為扭轉(zhuǎn)，第3階振型為Y向平動(dòng)，但第2，3階振型周期比大于1.7，耦聯(lián)系數(shù)約為0.03，振型組合后基底剪力仍小于模型N1基底剪力；4)PC非承重墻板頂面和底面“設(shè)縫”后，基底剪力變化不大。

對(duì)項(xiàng)目一和項(xiàng)目二在6-17wave作用下的傾覆力矩進(jìn)行分析，得出的結(jié)論與基底剪力基本相同，不再贅述。

4.6 構(gòu)件承載力復(fù)核和局部應(yīng)力復(fù)核

由表5得出的CQC法和6-17wave時(shí)程分析的基底剪力比值，可得到地震力放大系數(shù)，輸入模型M1或N1對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行放大，采用CQC法復(fù)核構(gòu)件承載力，結(jié)果見表6；原設(shè)計(jì)基本滿足本次地震作用下的承載力要求。

構(gòu)件承載力結(jié)果對(duì)比 表6

對(duì)模型M3進(jìn)行6-17wave作用下的時(shí)程分析，Y向地震作用下外墻板A(圖8)的應(yīng)力云圖見圖14。墻板剪應(yīng)力和水平向、豎向拉應(yīng)力分別為0.83,0.77,0.92MPa,均小于混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度Ftk=2.01 MPa；在保溫砂漿開裂處，混凝土剪應(yīng)力和拉應(yīng)力均小于1MPa。但墻體在門洞角部和門洞頂部均有應(yīng)力集中現(xiàn)象，該處應(yīng)力超過了保溫砂漿的抗拉強(qiáng)度。

圖14 外墻板A剪應(yīng)力和豎向拉應(yīng)力云圖/(N/mm2)

5 結(jié)論

(1)6個(gè)裝配式建筑在經(jīng)歷四川長寧6.0級(jí)地震作用后均保持了主體結(jié)構(gòu)完好，預(yù)制構(gòu)件間的連接部位未發(fā)現(xiàn)受損現(xiàn)象。

(2)6個(gè)項(xiàng)目的隔墻基本完好。

(3)在四川長寧6.0級(jí)地震作用下，采用預(yù)制墻板的兩棟高裝配率建筑項(xiàng)目一和項(xiàng)目二的基底剪力均超過了小震作用下基底剪力，兩個(gè)項(xiàng)目保持了主體結(jié)構(gòu)完好，項(xiàng)目一達(dá)到了抗規(guī)第1.0.1條“小震不壞”的設(shè)防目標(biāo)。

(4)PC非承重墻板與主體結(jié)構(gòu)連接方式對(duì)主體結(jié)構(gòu)剛度有較大影響，建議設(shè)計(jì)時(shí)考慮其影響，并加強(qiáng)PC墻板與主體結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造研究。