建筑震害原因与抗震方式研讨

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本文作者：梅巧林 单位：湖北省机电研究设计院

钢筋混凝土体系包括：框架结构、剪力墙结构、框架－剪力墙结构、框筒结构、筒中筒结构。钢结构体系包括：钢框架结构、钢框架－支撑结构、钢框架－砼剪力墙结构、钢框架－砼核心筒结构、框－筒结构、桁架－筒结构、筒中筒结构、束筒结构。

由于高层建筑的结构特点，目前高层建筑普遍采用钢筋混凝土材料。相对其他材料建造的房屋而言，钢筋混凝土结构的房屋具有较好的抗震性能，但如果设计不合理，施工质量不良，钢筋混凝土结构房屋也会产生严重震害，建筑结构震害的严重程度主要取决于地震动特性和自身特征两个因素。地震对建筑物的破坏程度不仅与震级有关，还与震源深浅、震中距、场地土特征以及建筑物自身动力特性有关。一般来说建筑物在震级小、震源深、离震中距远的情况下遭到破坏的可能性较小。

研究表明：地震波在土介质中传播时，地面运动中的短周期分量容易衰减，而长周期分量却传播较远[4]。在硬土中，短周期地震波保留较多。而在软土中，长周期的地震波传播得更远，且软土层愈厚，卓越周期愈长，地震波的振幅也愈加放大。场地土的卓越周期和建筑物的自振周期较为接近时，易发生共振，震害较为严重（见图1）。结构布置不合理：如果建筑物平面布置不规则、质量和刚度分布不均匀、不对称而造成刚度中心和质量中心有较大的不重合，易使结构在地震时产生过大的扭转反应而严重破坏。如果结构沿竖向布置的刚度有局部削弱或过大突变，地震时变化处产生应力集中，也会产生严重震害（见图2）。鞭梢效应：结构顶部有较高突起且与顶部一下结构刚度相差较大时，地震作用下产生鞭梢效应，加剧高阶振型对结构的影响。结构碰撞：国内外大地震中相邻结构碰撞造成的震害十分普遍，主要是在设置温度缝或抗震缝时，缝宽度过小，地震摇摆使距离过近的结构碰撞，导致结构损伤（见图3）。

常见结构形式的建筑震害特点

由于框架结构、剪力墙结构、框架－剪力墙结构最为常见，下面主要介绍了这三类结构的震害特点。框架结构的整体破坏形式可分为延性破坏和脆性破坏。若结构的塑性铰出现在梁端，形成梁铰机制（强柱弱梁），此时结构能承受较大的整体变形，吸收较多地震输入能量，结构发生延性破坏；当塑性铰出现在柱端，形成柱铰机制（强梁弱柱），此时结构的变形往往集中在某一薄弱层，结构发生脆性破坏，严重时会出现房屋倒塌。框架结构的震害多发生于柱端和节点，梁端震害相对较小。框架柱的主要震害形态有：柱端弯剪破坏、柱身剪切破坏、角柱弯剪破坏以及短柱的剪切破坏；框架梁的震害相对较轻，其基本表现为竖向弯曲裂缝或剪切斜裂缝；框架梁柱节点是连接框架梁河柱的关键部位，地震中节点核心区常产生对角方向的斜裂缝或交叉斜裂缝，严重时混凝土剪碎剥落，柱纵筋压屈外鼓，这种破坏的主要原因是受剪承载能力不足或施工质量较差所致，节点核心区箍筋不足是主要原因。框架填充墙的震害形态表现为：发生墙面斜裂缝。并沿柱周边开裂，在端墙、窗间墙或门洞口的边角部位产生斜裂缝或交叉裂缝，震害更为严重。发生这些破坏的主要原因是：墙体抗拉、抗剪能力低，变形能力小，墙体与框架缺乏有效的拉结。

相对于框架结构而言，剪力墙结构、框架剪力墙结构的震害较轻。高层建筑结构中剪力墙的破坏主要有两种类型：一种是剪力墙底部破坏，这主要是由于狭而高的墙肢工作性能类似于悬臂梁，震害常出现在底部；另一种是连梁的剪切破坏，连梁是位于上下门窗洞口之间联系墙肢的水平构件，墙肢之间是剪力墙结构变形集中之处，故连梁很容易产生破坏。实际工程中由于剪力墙的布置使建筑平面布置和空间利用受到限制，因此实际工程中多采用框架-剪力墙的形式。

在框架-剪力墙结构中，框架主要用来承担竖向荷载，剪力墙承担大部分的水平荷载。框架-剪力墙（核心筒）结构，由于具有较大的抗侧刚度和承载力，显示出了优越的抗震性能，尤其是与同一地区的框架结构相比，框架-剪力墙（核心筒）结构的非结构构件的损坏要轻很多。图5为汶川地震中的绵阳新益大厦，在地震中仅少数围护结构产生细微裂缝。

基于震害基础上的抗震概念设计

抗震概念设计是指一些在计算中或在规范中难以作出具体规定的问题，必须由工程师运用“概念”进行分析，作出判断，以便采取相应的措施。例如结构破坏机理的概念，力学概念以及由震害试验现象等总结提供的各种宏观和具体的经验等，这些概念及经验要贯穿在方案确定及结构布置过程中，也体现在计算简图或计算结果的处理中。

目前地震及结构所受地震作用还有许多规律未被认识，人们在总结历次大地震灾害经验中认识到：一个合理的抗震设计，在很大程度上取决于良好的“概念设计”。为了保证结构具有足够的抗震可靠性而对建筑工程结构做的概念设计主要考虑了以下因素：场地条件和场地土的稳定性；建筑物的平、立面布置及其外形尺寸；抗震结构体系的选取、抗侧力构件的布置以及结构质量的分布；非结构构件与主体结构的关系及其两者之间的锚拉；材料与施工质量等。

结语

在上文中，笔者基于常见高层建筑在地震下的震害特点介绍了高层建筑在抗震设计中概念设计。在地震频繁发生和高层建筑结构大量建设并迅速发展的客观情况下，工程师应将概念设计贯穿在结构设计的每一步骤，创作出更加安全、适用、经济、美观的高层建筑。最后根据这些震害特点和概念设计的方法提出我的一些建议和想法。

对于震害的一些特点，我有以下一些建议：对工程建设的监督和管理仍需加强，避免在设计和施工环节出现不符合抗震规范的建筑工程。随着我国经济建设的发展，在资金充裕的条件下，应优先选择更有利于抗震的结构形式，保证可靠的抗震措施。加强各级政府、行政部门和普通群众的抗震防灾意识，做好抗震预防工作，特别是保证房屋建筑达到规定的抗震设防标准，以最大程度的减少因建筑物抗震能力不足而倒塌破坏造成的人员伤亡。