2008汶川大地震中砌體結構震害分析

2008汶川大地震中砌體結構震害分析

砌體結構的抗震性能樁結構是一種歷史悠久的結構。由于其良好的一些優(yōu)點，它在土木工程中得到了廣泛應用。根據(jù)我國的基本國情和砌體結構的一些優(yōu)勢(就地取材、施工方便、造價相對低廉和良好的耐久性、耐候性及耐火性等),砌體結構仍是近期或相當一段時期內被延用的一種結構形式。并且隨著砌體材料工業(yè)的發(fā)展和科學研究的不斷深入,砌體結構的使用范圍在不斷擴大,特別是在中小城市和新農(nóng)村建設中,將被廣泛采用,因此,研究砌體結構的抗震性能仍具有重要意義。根據(jù)地震部門提供的數(shù)據(jù),2008年5月12日汶川地震基本參數(shù)如下:震級:M8.0;斷層:龍門山斷裂;斷層類型:逆沖右旋走滑斷層;斷裂長度:主震185km,余震300km;震源深度:14km;烈度分布:6～11度。設在什邡八角臺的強震站記錄的地震加速度記錄為:豎向632.9cm/s2;水平向東—西:548.9cm/s2,南—北585.7cm/s2。從這個數(shù)據(jù)可以看到震中區(qū)地面豎向加速度大于水平加速度。砌體結構房屋,由于砌體材料的脆性性質,抗剪、抗拉和抗彎的強度很低,使得這種房屋抗御地震災害的能力較差。大量震害統(tǒng)計表明,未經(jīng)抗震設防的多層砌體結構房屋,震害相當嚴重。本文主要通過汶川5.12大地震典型震害現(xiàn)象[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15],探尋砌體結構震害規(guī)律,感悟抗震理念,吸取本次震害教訓,啟示今后新建砌體結構房屋的抗震概念設計。1地震破壞(1)混凝土結構房屋的整體坍塌參見圖1和圖2,分為3種情況:底層先倒,上層隨之倒塌;中、上層先倒,砸塌底層;上、下層同時散碎倒塌。(2)墻單元的破壞局部倒塌較多,常發(fā)生在以下部位:房屋墻角部位;縱橫墻連接處;房屋平面凹凸變化處,在地震時產(chǎn)生較大的應力集中,造成局部倒塌;樓梯間墻體、房屋的變形縫處、鋼筋混凝土預制樓板、房屋附屬物倒塌。如圖3～圖6所示。(3)砌體墻的剪切破壞1)墻體交叉斜裂縫或出現(xiàn)貫穿的X形裂縫。墻體上的斜裂縫主要是由于水平地震剪力在墻體中引起的主拉應力超過墻體的抗拉強度所致。這種現(xiàn)象在縱墻,尤其是非承重縱墻上非常普遍,基本上每個樓層都有,多集中在門洞之間和窗下的縱墻。當這些墻體內有預埋的管線、線槽或接線盒時,由于截面的削弱導致震害更加嚴重。在少量的承重橫墻上也發(fā)現(xiàn)這種X形的貫穿裂縫。這種裂縫和斜裂縫產(chǎn)生的原因基本相同,只是由于墻片的寬度較小、抗震能力較弱導致斜裂縫變成了X形裂縫。這種裂縫的寬度一般都超過1mm,相當一部分墻體出現(xiàn)砂漿震松、墻體壓酥的情況,已經(jīng)基本喪失了承載力。水平地震產(chǎn)生的圖7中的窗間墻的單斜裂縫和交叉斜裂縫在以往地震中常常發(fā)生,但圖8中的窗下墻的交叉斜裂縫卻很少見。究其原因可能為在豎向地震作用下,窗下墻因為窗戶斷開,豎向剛度較窗間墻及其下墻的整體剛度小,故發(fā)生這樣的剪切破壞。圖9中的砌體墻發(fā)生了典型X形裂縫震害。2)墻體出現(xiàn)貫穿的斜裂縫。這種情況在一至三層的承重橫墻上比較多見,部分縱墻上也有發(fā)現(xiàn)。對于底框的砌體結構,這種震害現(xiàn)象則集中在框架以上的一至三層,墻體開裂的范圍大致在墻片寬度的1/3以上,裂縫寬度有大有小。這種裂縫一般屬于主拉應力超過砌體強度所引起的剪切破壞現(xiàn)象,墻體開裂后出現(xiàn)滑移、碎落等現(xiàn)象,直至局部倒塌、壓塌。如圖10所示。3)水平裂縫。由于地震作用使墻體受彎受剪,或在地震作用下水平錯動引起。這種震害現(xiàn)象一般出現(xiàn)在靠近樓屋蓋的梁板附近的墻體上下兩端,沿灰縫出現(xiàn)水平的通縫后引起滑移和錯動,破壞加劇后導致預制樓板等的脫落。同時,在一些承重磚柱上也發(fā)現(xiàn)水平裂縫,裂縫基本貫穿,開裂部位多集中在柱端,嚴重時會導致磚柱在裂縫部位錯位、墻體壓酥,從而基本喪失承載力。這種裂縫是由墻體水平剪切破壞所引起的,地震時的豎向震動較大也是原因之一。圖11為磚柱的水平貫穿裂縫。圖12中的樓梯間的破壞在以往地震中很少見,一般來說樓梯間為現(xiàn)澆整體,怎么可能發(fā)生這樣的破壞呢?分析原因:由于樓梯間的山墻較高,梯段構件側向剛度較大,而且交叉布置,樓梯休息平臺與樓梯錯層,地震時最容易破壞。在橫向地震作用下,樓梯板與休息平臺板之間,水平力形成力偶,使梯段往復受拉,梯段受拉彎破壞,休息平臺被剪壞;在縱向地震作用下,由于梯段的側向剛度很大,地震力集中,作用于樓梯間山墻,導致山墻破壞,甚至倒塌。在調查中發(fā)現(xiàn),大多數(shù)樓梯踏步板都在1/3～1/2的部位發(fā)生破壞,這是由于當?shù)氐氖┕ち晳T,把施工縫留在這個位置,有些鋼筋還在這里進行搭接。這種不遵守規(guī)范的做法導致了樓梯板喪失整體性而斷裂。4)縱橫墻的脫開導致墻體失穩(wěn),引起平面外的倒塌。這種情況多見于空斗墻或半磚墻,外縱墻與橫墻之間拉裂,導致外墻外傾失穩(wěn)而倒塌,部分連帶樓板等構件一起倒塌,這種情況在木屋架結構的頂層發(fā)生較多,如圖13所示。在實心墻的結構中也發(fā)現(xiàn)了縱橫墻脫開的情況,但一般未見墻體倒塌,這和施工時咬槎砌筑不到位,甚至直槎砌筑是密切相關的。5)墻體角部出現(xiàn)縱橫方向的V形斜裂縫,嚴重時局部墻體塌陷。如圖14所示。6)木屋架部分損壞較嚴重,上鋪的瓦片大量震落,木屋架震松或震散,嚴重時會導致頂層的縱橫墻脫開,墻體外傾,房屋墻體和樓屋蓋同時傾折,房屋破壞,如圖15所示。(4)結構體系的地震響應當?shù)撞靠蚣艽u房的上部采用較密的縱橫砌體墻承重時,上部結構的抗剪剛度比底層的鋼筋混凝土框架結構高很多,從而形成了“上剛下柔”的結構體系。震害表明,由于底層是薄弱層,是典型的“雞腿式建筑”,強震時底層將率先屈服,出現(xiàn)較大的側移而嚴重破壞,甚至倒塌。圖16為底層砌體墻體出現(xiàn)嚴重開裂并破壞;圖17為框架柱頂?shù)男纬伤苄糟q的典型破壞;圖18、19為房屋整體倒塌破壞;圖20中的建筑底部框架完全損毀倒塌,上部磚房落地。(5)圈梁、構造柱的做法雖然未經(jīng)過正規(guī)的設計和施工,但只要設置圈梁和構造柱,砌體結構房屋也可以達到“小震不壞,中震可修,大震不倒”的設防要求。這些震而不倒的建筑如圖21、圖22所示。2結構體系的震害資震害經(jīng)驗可歸納如下:(1)鋼筋混凝土圈梁、構造柱和現(xiàn)澆樓板是防止房屋倒塌的重要措施,未設置圈梁、構造柱的房屋震害比較嚴重,甚至出現(xiàn)了整體倒塌、局部倒塌。由此可見,設置圈梁和構造柱的必要性,并且構造柱截面要有足夠的尺寸,否則地震時很容易破壞,喪失拉結、約束磚墻的功能。(2)和橫墻承重結構相比,縱墻承重結構的震害嚴重,應盡量避免縱墻承重。橫墻較少的空曠房屋震害嚴重,會議室、教室等大空間部位的承重縱墻,容易發(fā)生預制樓板等構件下落的危險。在住宅樓中預制板搭在外縱墻上,是常見的做法,但這不是好的支承方式?？v墻是磚混結構中的薄弱環(huán)節(jié),它非常容易倒塌。唐山地震已有深刻的教訓,這次汶川大地震中再次出現(xiàn)這種情況。為了設置教室、會議室等大空間,往往以混凝土大梁代替橫墻,梁端擱在縱墻上。這種單擺浮擱的支承方式加上縱墻上常常震裂震散,很容易導致樓面墜落。震區(qū)一些學校教學樓一垮到底,恐怕與采用縱墻抬梁的結構體系有關。早在唐山地震中就有過這個教訓,當時提出大梁應設混凝土柱支承的措施。與此相似,采用單柱內框架也要特別慎重從事,因為一條腿獨立,解決不了兩頭垮的問題。(3)縱橫墻拉結不好的砌體結構震害嚴重,要加強縱橫墻拉結。除了圈梁對所有的墻體起拉結作用外,縱橫墻交會處的拉結措施也非常重要。橫墻應設馬牙槎,即沿端部砌成凹凸形,伸入縱橫墻內。還要設拉接鋼筋,拉結鋼筋宜每六皮磚一道,至少兩根6mm鋼筋,伸入磚縫長度不少于400mm。不設凹凸馬牙槎,橫墻根本拉不住縱墻,地震時縱墻將向外倒塌。橫墻、柱子設置拉結筋伸入縱墻或山墻是有效連結方式。(4)平面或立面不規(guī)則的建筑物震害要重。當?shù)赜胁簧俚腖形的建筑,未設縫分開,且在結合部設置樓梯間,加劇了房屋的震害,這類建筑多被判定為需要立即拆除的危險房屋。(5)突出屋面的小樓(樓梯間、電梯間、水箱間、屋頂涼亭、塔樓)、女兒墻、陽臺欄桿等處的震害嚴重甚至出現(xiàn)局部倒塌,花格窗、高門臉等外裝飾出現(xiàn)掉落現(xiàn)象,這些是容易導致人員傷亡的潛在隱患,被判定需要立即局部拆除。(6)屋蓋采用木屋架和瓦片,頂層結構的震害嚴重,屋架和墻體多為存在安全隱患的部位。(7)底框多層住宅震害明顯。汶川地震中底框表現(xiàn)各有不同,取決于底層框架剛度降低是否在允許范圍內;還取決于配筋是否合理,使底框有足夠的抗剪承載力和位移能力。有些底框倒塌,使原先的二層變底層;但也有不少底框表現(xiàn)良好,經(jīng)受住了地震的沖擊。底層框架加強后,二層成為磚混結構的最下一層,變成相對薄弱環(huán)節(jié),應適當加強,否則容易產(chǎn)生嚴重震害。3抗疲勞(1)家庭結構格局的設計1)建筑物的平面、立面宜規(guī)則、對稱,防止局部有過大的突出或凹進。2)多層房屋承重墻布置,宜優(yōu)先采用橫墻承重方案,或縱橫墻共同承重方案,不宜采用縱墻承重方案。3)縱橫墻的布置宜均勻、對稱,以便沿房屋主軸方向的地震作用能均勻地分配到各個墻段而不出現(xiàn)應力集中。4)樓梯間不宜在房屋的端部。5)在房屋內設置煙道、風道、垃圾道等附屬設施時,不應削弱墻體;否則應采用加強措施。6)不宜采用無錨固措施的鋼筋混凝土預制挑檐。(2)筋混凝土構件柱、圈梁、預制板樓板的拉接和固定砌體結構的抗震性能需要嚴格的構造措施和施工質量給予保證,包括合理設置鋼筋混凝土構造柱和圈梁、預制板樓板的有效拉接和擱置長度和增加現(xiàn)澆層等。最好采用現(xiàn)澆樓蓋,特別是應加強構造柱和承重墻的安全儲備,否則這種結構形式極易在地震中發(fā)生嚴重破壞,尤其是單跨、大開間、外挑走廊、縱墻承重的教學樓。1構造柱圈梁的設置砌體結構的住宅和辦公樓,只要小開間布置,縱、橫墻布置較多,按規(guī)定設置構造柱圈梁,整體性和延性就較好,砌體被約束在鋼筋混凝土框格內,減少因發(fā)生脆性破壞而倒塌。2樓屋蓋形式中、小學校教學樓多為單邊懸臂外廊,室尺寸為6(或7)m×9m,樓屋蓋為預制花籃梁(縱墻承重)+預制空心板形式。學校建筑的基本特點為單跨、大開間、大窗口、懸挑走廊,這種結構的縱橫向剛度不均勻,地震扭轉效應明顯,抗震的確很弱。3構造柱和圈梁的結構1966年邢臺地震以后,提出了“基礎深一點、墻體厚一點,屋頂輕一點”的概念;1976年唐山地震以后,創(chuàng)造了構造柱和圈梁的結構形式;1988年瀾滄-耿馬地震以后,修訂89規(guī)范時,明確提出了“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三設防水準。本文震害部分圖1～圖13中的磚混結構在大震,或者稍微大于大震的地震作用下,出現(xiàn)了倒塌情況,表現(xiàn)為磚墻倒塌,空心板脫落、折斷。墻體為什么會倒塌?就是因為圈梁和構造柱沒有做好,整體性不強。4底層大空間的問題底部框架上部磚房這種建筑形式是為了解決底層或底層大空間的問題而產(chǎn)生的。上部墻體無法落地,形成了所謂“雞腿”結構,上下剛度突變,對于抗震是十分不利的。在歷次地震中多有破壞、甚至倒塌。5留縫寬度不足《抗震規(guī)范》規(guī)定“防震縫應根據(jù)抗震設防烈度、結構材料種類、結構類型、結構單元的高度和高差情況,留有足夠的寬度,其兩側的上部結構應完全分開。這次地震中,由于房屋相互碰撞產(chǎn)生了巨大灰沙煙霧,有的因防震縫處碰撞導致一幢磚混結構局部倒塌,連遠離震區(qū)的西安市,居然也出現(xiàn)了防震縫兩側建筑的碰撞。所以一方面留縫寬度要足夠;另一方面有一些工程在施工中,澆搗混凝土后的防震縫兩側的模板沒有拆除,等于沒留防震縫。6砌體結構的要求樓梯間作為人員疏散通道,緊急情況發(fā)生時,大量人員集中在此,如果在地震時破壞,極有可能造成傷亡,也使救援工作無法進行。對于砌體結構,《抗震規(guī)范》第7.3.1條要求,樓、電梯間的四角,錯層部位橫墻與外縱墻交接處要設構造柱,這是非常重要的經(jīng)驗。另一方面,樓梯踏步板的剛度非常大,在地震中吸收的能量大,地震時將首當其沖。休息平臺的錯層極易引起墻體倒塌。4關于進一步提高共鑄結構的抗疲勞性能的建議(1)構造柱加密與約束1)加密砌體房屋構造柱的設置間距,即將現(xiàn)有規(guī)范中構造柱設置要求提高1度設防,即6度提高到7度,7度提高到8度,8度提高到9度,9度是否提高待定。如前所述,設置構造柱和圈梁的多層砌體結構體系是我國唐山地震后在總結震害和試驗研究的基礎上提出的一種我國特有的抗震體系,這種體系能滿足我國抗震設防的三水準要求。但其中6～8度的構造要求偏弱,比國外的約束砌體結構在適用范圍或建筑層數(shù)的限制方面偏松。當發(fā)生較高烈度地震時破壞的涉及面是很大的,較弱的構造設防措施難以避免嚴重的破壞。構造柱加密以后,其對砌體的約束可顯著減輕其破壞程度,較密的構造柱對部分開裂或失效的砌體起到一定程度分擔豎向荷載的作用。2)在加密構造柱的同時,在外墻窗臺標高及橫墻半高處設置一道等于磚厚和墻厚的混凝土配筋帶。試驗表明這樣能顯著提高墻體的延性和結構的整體抗震能力,而在施工和用材方面對砌體建筑造價影響不大。江蘇地方標準《約束磚砌體建筑技術規(guī)程》(DB32/113-95)就屬于這種強約束砌體的例子,可供借鑒。3)提高無筋砌體結構墻體平面外的抗彎能力或出平面的整體穩(wěn)定性。以往的建筑抗震主要側重于承重墻體平面內的抗震性能要求,而忽略了平面外的抗彎能力或結構在大變形條件下的穩(wěn)定性要求。例如對大開間的砌體房屋,弱約束的構造柱和圈梁,在大震時,墻體一旦發(fā)生大面積倒塌,構造柱并不能獨立支承樓板傳來的荷載。因此砌體結構用于大開間大窗戶的教學樓時,應特別加強結構抗震設計及構造措施,或采用配筋砌體結構。提高墻體出平面抗彎能力可采用構造柱加密,而且構造柱在沿墻面的配筋應通過出平面的抗彎要求設置,并與樓板有可靠連接。對汶川地震中未倒塌的砌體結構分析可見,如果砌體結構設計得好,即使遭遇強震作用也能維持結構的整體性能,不發(fā)生非常嚴重的破壞和倒塌,這也驗證了砌體結構的可靠連結構造措施是何等的重要。(2)建筑隔震建筑隔震和耗能減震是建筑結構減輕地震災害的新途徑。隔震體系通過延長結構的自振周期減少結構的水平地震作用,已被國外強震所證實。耗能減震體系通過耗能器增加結構阻尼來減小結構在風作用下的位移是公認的事實,對減小結構水平和豎向的地震反應也是有效的。隔震技術有多種方案,如橡膠支座隔震、摩擦滑移隔震、滾動隔震、支撐式擺動隔震和混合隔震等。目前研究和應用最多