汶川地震中砌體結(jié)構(gòu)樓梯間震害分析

汶川地震中砌體結(jié)構(gòu)樓梯間震害分析下主要震害有以下幾個(gè)方面。〔2〕梯段板在施工中往往存在施工接縫，接縫08抗震學(xué)術(shù)交流會(huì)-專家提出的新觀點(diǎn)-很震撼?。?008-12-1914:41/forum/viewthread.php

第九界全國抗震鑒定加固學(xué)術(shù)交流會(huì)于2008年10月24日在福建廈門順利舉行。

這次抗震會(huì)議上，來了很多國內(nèi)外知名專家，如上海交大劉希拉教授，同濟(jì)大學(xué)呂西林教授、顧祥林教授，中國建筑科學(xué)研究院邸小壇總工等等，此外還有來自中國臺(tái)灣和日本、德國等的專家。不少專家系統(tǒng)總結(jié)了汶川大地震的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，并針對建筑抗震問題提出了相當(dāng)多的新觀點(diǎn)、新認(rèn)識(shí)。感覺受益非淺，只不

過工作繁忙，到現(xiàn)在才有空總結(jié)一番。總結(jié)的不準(zhǔn)確，可能有些斷章取義。

這里就簡單介紹自己感覺比擬有意思的幾位專家的觀點(diǎn)：

1、汶川地震的震害調(diào)查說明，結(jié)構(gòu)的破壞特征和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)結(jié)果有明顯不同。例如不少專家指出框架結(jié)構(gòu)實(shí)際破壞狀態(tài)并非“強(qiáng)柱弱梁”，絕大多數(shù)情況下，節(jié)點(diǎn)塑性鉸并不出現(xiàn)在梁端；相反，大多數(shù)都出現(xiàn)在柱端！災(zāi)區(qū)的不少結(jié)構(gòu)都是按新標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，但實(shí)際破壞形態(tài)仍與設(shè)計(jì)原那么明顯相悖！劉希拉教授指出出現(xiàn)這種情況與框架柱在強(qiáng)烈地震作用下的彎剪扭復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)；在強(qiáng)烈地震作用下，底層框架柱將承受極大的水平剪力，而剪切破壞又是一種脆性破壞，因此在柱端的破壞更為嚴(yán)重；而梁那么主要還是受彎狀態(tài)，破壞不一定會(huì)先于柱發(fā)生。臺(tái)灣新竹交大的一位教授就大膽指出，“強(qiáng)柱弱梁只是人們一廂情愿的想法罷了，在實(shí)際結(jié)構(gòu)中不可能實(shí)現(xiàn)?！边@個(gè)觀點(diǎn)可能讓大多數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員無法接受，我也很難接受，但實(shí)際震害情況勝于雄辯。

2、砌體結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)與試驗(yàn)室構(gòu)件試驗(yàn)的結(jié)果相差很大。哈工大的一位老師就通過震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，實(shí)際砌體結(jié)構(gòu)的墻體破壞以X型裂縫為主，而試驗(yàn)室磚墻剪切試驗(yàn)的破壞形態(tài)那么主要以灰縫的水平剪切裂縫為主。

實(shí)際結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)與試驗(yàn)室結(jié)論相悖，再次對傳統(tǒng)試驗(yàn)方法提出挑戰(zhàn)！

3、冶金建筑設(shè)計(jì)研究院的已退休的研究員林志伸〔教授級高工〕提出的觀點(diǎn)更為新穎而震撼！林教授首先指出傳統(tǒng)的抗震設(shè)防烈度的制定存在不合理性，他從地質(zhì)學(xué)成因角度開始分析，指出從統(tǒng)計(jì)角度對各地區(qū)的歷史地震記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)而得到烈度的概率分布不合理！因?yàn)?，某一地區(qū)的潛在大震可能性并不一定在歷史上出現(xiàn)過，而出現(xiàn)過大震的區(qū)域由于板塊運(yùn)動(dòng)后能量已經(jīng)釋放，在未來相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)再積聚能量發(fā)生大震的可能性將非常小。他指出人類有地震烈度記錄的歷史不過5000多年，而一個(gè)地區(qū)地質(zhì)條件的形成早已在千萬年前，拿五千年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)想要準(zhǔn)確反映上千萬年的地質(zhì)變動(dòng)，猶如滄海一粟！而地質(zhì)學(xué)角度上看，烈度區(qū)劃圖時(shí)用到的兩個(gè)根本假定并不科學(xué)(兩個(gè)根本假定：a.某一地區(qū)在歷史記錄上發(fā)生過n度地震，那么以后還會(huì)發(fā)生n度地震；b.兩個(gè)地區(qū)地質(zhì)條件相似，那么這兩個(gè)地區(qū)將發(fā)生相同烈度的地震。)。這對傳統(tǒng)的抗震設(shè)防烈度根據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸得到的概率模型提出了挑戰(zhàn)！

林教授還指出結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算中輸入地震作用的方向不合理性：我們在做地震計(jì)算時(shí)總是以某一方向作為主軸輸入地震作用(x向、y向)，但實(shí)際地震地面振動(dòng)觀察記錄說明，地震作用的方向并不存在固定的方向性，也就沒有所謂的x向、y向所言！這個(gè)觀點(diǎn)我贊同。我們知道力有三個(gè)要素：大小、方向、作用點(diǎn)；眾所周知，地震作用具有明顯的隨機(jī)性，既然我們能夠考慮到地震作用大小的隨機(jī)性，為什么不能考慮到其作用方向也存在隨機(jī)性？強(qiáng)烈地震下，地面的運(yùn)動(dòng)可能存在各個(gè)方向的平動(dòng)分量，也存在平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)分量，而這些向量嚴(yán)格地講都是與時(shí)間有關(guān)的隨機(jī)過程。我的理解是地震作用不僅在大小上是個(gè)隨機(jī)過程，其作用方向也是隨機(jī)過程，實(shí)際上是個(gè)“隨機(jī)矢量”。例如時(shí)程分析中輸入地震波模擬地震作用，就要考慮其入射方向的隨機(jī)性，用數(shù)學(xué)表示就是方向隨機(jī)矢量{F(x,y,t)，n(x,y,t)}。

4、樓梯問題。震害說明，樓梯破壞嚴(yán)重，這里就不多說了。樓梯作為地震時(shí)逃生的主要手段〔大震時(shí)電梯肯定是不能用的〕，其抗震性應(yīng)該引起重視。以前我們做設(shè)計(jì)都只考慮樓梯板、樓梯梁在豎向荷載下承載力，在結(jié)構(gòu)模型中很少考慮樓梯在地震作用工況下的內(nèi)力計(jì)算，其實(shí)犯了大錯(cuò)！在大震作用下就算結(jié)構(gòu)能

夠防止倒塌，但作為逃生主要通道的樓梯如果已早已嚴(yán)重破壞，那讓人們往哪里跑？難到從十幾層樓往下跳？我想08修訂版抗震標(biāo)準(zhǔn)要求我們在結(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)時(shí)“應(yīng)考慮樓梯構(gòu)件的影響”(3.6.6條)，用“應(yīng)”而不用“宜”是有道理的！此外，樓梯在水平地震作用下有斜撐的受力狀態(tài)，對結(jié)構(gòu)的剛度影響較大；可能在結(jié)構(gòu)分析中考慮了樓梯的斜撐受力作用后，結(jié)構(gòu)的自振周期和振型就跟原先不考慮時(shí)會(huì)完全不同，這樣所有計(jì)算結(jié)論都將改變！〔剛度增大-自振周期減小-地震作用加大〕。我覺得樓梯問題值得進(jìn)行立項(xiàng)研究！我們原先不重視這個(gè)問題的后果是可怕的。

5、出屋面結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重；這與標(biāo)準(zhǔn)底部剪力法一節(jié)中的結(jié)論一致。

還有許多新觀點(diǎn)，這里就不一一指出了。

這次會(huì)議上很多專家都對結(jié)構(gòu)抗震問題大膽地提出了自己的觀點(diǎn)，我感覺受益匪淺。感覺結(jié)構(gòu)的抗震問題確實(shí)相當(dāng)?shù)仄D巨和復(fù)雜啊，現(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)方法真得有很多值得改良的地方，這里恕我斗膽直言。

以上是我對這次抗震會(huì)議的一些理解，我盡量按照專家的意思理解，可能有些出入，望大家批評指正。

針對上述第4條，樓梯問題的計(jì)算分析——結(jié)果令我吃驚！

為了定量分析樓梯對結(jié)構(gòu)的影響，我用以前做過的工程，利用Midas建了個(gè)模型，按建立樓梯和不建樓梯兩種情況，分別進(jìn)行了計(jì)算；另我吃驚的是，兩者的結(jié)果差異驚人！這里把一些主要結(jié)果給大家，歡送大家討論！

工程概況：

三層框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓，現(xiàn)澆樓板。用Midas建模，使用梁單元建立柱、梁模型。

考慮樓梯對上部結(jié)構(gòu)的作用：樓梯梁，樓梯柱按用梁單元建立，樓梯斜板和休息平臺(tái)板用板單元建立。

未考慮樓梯作用，樓梯不建入模型，只將其恒載倒算到樓梯梁上。

樓面、屋面板按剛性板假定。

荷載按標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際結(jié)構(gòu)輸入。

未考慮樓梯作用時(shí)，結(jié)構(gòu)自振周期：

模態(tài)號頻率

頻率

周期

(rad/sec)(cycle/sec)(sec)

18.7361

1.3904

0.7192

29.4640

1.5062

0.6639

311.7178

1.8650

0.5362

考慮樓梯作用時(shí)，結(jié)構(gòu)自振周期：

模態(tài)號頻率

頻率

周期

(rad/sec)(cycle/sec)(sec)

19.5543

1.5206

0.6576

211.9258

1.8981

0.5269

313.9830

2.2255

0.4493

分析：

考慮樓梯作用后，結(jié)構(gòu)剛度增大，自振周期減小，地震作用增大。由于樓梯板的斜撐作用，使得樓梯間的局部抗側(cè)剛度增大，形成類似于電梯間剪力墻的局部剛度突變區(qū)；根據(jù)水平荷載按抗側(cè)力構(gòu)件間按剛度分配的特點(diǎn)，樓梯間水平剛度的突變，更容易在水平地震作用下更吸收更大地震作用。

振型方面：考慮樓梯影響后，結(jié)構(gòu)的振型發(fā)生明顯變化！第一階振型變?yōu)榕まD(zhuǎn)振型！從第二階振型開始才出現(xiàn)平動(dòng)振型！而原先不考慮樓梯時(shí)，第一階振型為橫向的平動(dòng)振型。出現(xiàn)這種情況，我想與樓梯間的增加了結(jié)構(gòu)的局部剛度有關(guān)！

休息平臺(tái)和樓板在地震作用下，會(huì)發(fā)生相對錯(cuò)位〔即水平位移不相同〕，從而造成樓梯板的軸向拉壓受力狀態(tài)〔斜撐〕，而我們原先設(shè)計(jì)時(shí)就沒有考慮樓梯板在地震作用工況下的內(nèi)力組合〔甚至在計(jì)算機(jī)建模時(shí)候根本就沒有建樓梯構(gòu)件〕，這就容易造成樓梯板砼因受拉承載力缺乏而造成受拉破壞！這就是汶川地震中，為什么那么多樓梯板出現(xiàn)水平裂縫，甚至拉斷的原因之一！樓梯間構(gòu)件〔樓梯板、樓梯梁〕的在地震作用下的受力狀態(tài)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有我們原先想象的那么簡單！

此外通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，在水平地震作用下，休息平臺(tái)處的水平樓梯梁，在上下樓梯板之間的連接處出現(xiàn)較大變形和應(yīng)力集中！由于樓梯板的斜撐狀態(tài)，在地震作用下對休息平臺(tái)處的水平樓梯梁產(chǎn)生的雙向剪切，勢必造成上下樓梯板交界處樓梯梁出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致此處樓梯梁發(fā)生脆性剪切破壞。此外，樓梯梁端部也是應(yīng)力集中出現(xiàn)的區(qū)域，容易發(fā)生破壞。這就是為什么在汶川地震中，樓梯震害嚴(yán)重，經(jīng)常出現(xiàn)樓梯梁的跨中和支座處斷裂的原因之一。〔照片詳見《2008年汶川地震建筑震害圖片集》，中國建筑科學(xué)研究院編，p128～130頁〕

主要結(jié)論：

考慮樓梯作用后：

1、結(jié)構(gòu)的自振周期改變，振型改變；

2、在地震作用下樓梯間構(gòu)件〔樓梯板、樓梯梁〕的受力狀態(tài)改變，例如樓梯板由原先我們的“受彎構(gòu)件”轉(zhuǎn)為可能是“拉壓、彎”復(fù)雜內(nèi)力狀態(tài)，甚至可能在受壓的狀態(tài)下發(fā)生平面外失穩(wěn)；

3、水平地震作用在各層抗側(cè)力構(gòu)件間的分配改變。樓梯間局部剛度突變區(qū)可能將分配到更多的地震力，而樓梯間的設(shè)計(jì)又恰恰沒有考慮到地震作用的工況組合！

感想：

也許我們設(shè)計(jì)時(shí)的“平安儲(chǔ)藏”能夠?yàn)闃翘蓍g出現(xiàn)這種復(fù)雜情況提供一定的“富裕度”，所以不是所有的樓梯間在這次震害中都遭到致命破壞；但是，又有誰能保證這個(gè)“富裕度”在大震下就一定有保證呢。我們只有去