1、建筑樁基地震控制問題探討盧偉煌福建省建筑設(shè)計(jì)研究院350001引言上部結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)是：“小震不壞，中震可修，大震不倒”，而現(xiàn)有的建筑 樁基技術(shù)規(guī)范對樁基的設(shè)計(jì)沒有抗震設(shè)防目標(biāo)要求，對于建筑最為重要的樁基僅有小 震控制，沒有中震和大震復(fù)核，是不妥的，如果樁基先壞，即使上部結(jié)構(gòu)沒有問題，也 不能達(dá)到上部結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)，因此建議樁基與上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗震設(shè)防目標(biāo)需一 致。一、概述：上部結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)是：當(dāng)遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時(shí)， 一般不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用，當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震影響時(shí)， 可能損壞，經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用，當(dāng)遭受高于本地區(qū)

2、抗震設(shè)防烈度預(yù)估 的罕遇地震影響時(shí)，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。簡單的概括為“小震不壞， 中震可修，大震不倒”?，F(xiàn)有的建筑樁基技術(shù)規(guī)范對樁基的設(shè)計(jì)沒有抗震設(shè)防目標(biāo) 要求，僅有對小震控制驗(yàn)算，沒有對中震和大震復(fù)核，在軟弱地基上，對于小截面的樁 基，特別是鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力管樁，在中震和大震地震影響下，其豎向和水平承載力的 不足尤為明顯，尤其是水平承載力的不足更為明顯。二、小震、中震和大震基底剪力的比較：小震、中震、大震地震加速度時(shí)程曲線的最大值（cm/s2）（見表1）和水平地震影響 系數(shù)最大值（見表2），表1、小震、中震、大震地震加速度時(shí)程曲線的最大值（cm/s2）地震影響6度7度（7.5度

3、）8度（8.5度）9度小震1835 （55）70 （110）140中震4998 （147）196 （294）392大震125220 （310）400 （510）620表2、水平地震影響系數(shù)最大值:地震影響6度7度(7.5度)8度(8.5度)9度小震0.040.08（0.12）0.16（0.24）0.32中震0.110.23（0.32）0.45（0.64）0.90大震0.260.50（0.72）0.90（1.20）1.40從表2中可看出，水平地震影響系數(shù)最大值中震比小震大2.8倍左右，大震比小震 大6倍左右，也就是說當(dāng)建筑物的側(cè)向剛度不衰退的情況下，基底剪力中震比小震大2.8 倍左右，大震比小震

4、大6倍左右。在中震影響下，結(jié)構(gòu)有可能局部出現(xiàn)塑性，結(jié)構(gòu)水平 剛度有一定的衰退，但衰退的不是很嚴(yán)重，因此基底剪力減小的也不很嚴(yán)重。在大震影 響下，雖然結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，但基底剪力還是比小震和中震來得大，因此，建議樁 基與上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗震設(shè)防目標(biāo)一致。三、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)的水平承載力驗(yàn)算：對于采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)的建筑，應(yīng)驗(yàn)算樁基的水平承載力，在福建省建 筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)暫行規(guī)定有明確的規(guī)定，但不等于其它樁型的基礎(chǔ)不要驗(yàn)算樁基的水平承 載力，而是由于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)的水平承載力較低，特別重視而已。建筑物樁基的布置，一般按豎向承載力布置樁基，設(shè)計(jì)院不重視樁基的水平承載力 驗(yàn)算，由于預(yù)應(yīng)力混

5、凝土管樁抗壓承載力遠(yuǎn)大于水平承載力，對于底部剪力較大的結(jié)構(gòu)， 按豎向承載力控制的樁基，其樁基水平承載力不經(jīng)驗(yàn)算是不安全的。當(dāng)單樁基礎(chǔ)和單排樁基縱向軸線與水平力方向相垂直時(shí)，樁頂按鉸接考慮，否則樁頂 約束狀態(tài)介于鉸接與固接之間。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的單樁水平承載力特征值如下：地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m=2.5(5.0)MN/m4，水平位移允許值穴=10mm，樁 的換算深度ah 4.0，樁與承臺連接按鉸接。PHC400-95單樁水平承載力特征值r = 22.4(34.0)KNPHC500-100單樁水平承載力特征值r = 34.0(51.5)KNPHC500-125單樁水平承載力特征值r = 35

6、.0(53.0)KN承臺下屬淤泥層土層(其水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m=2.5MN/m4)，預(yù)應(yīng)力混凝土管 樁PHC500-125A，其單樁水平承載力特征值僅有35 KN ；對于無地下室的建筑，為了滿足樁基水平承載力要求，對于剪重比為1.6%的結(jié)構(gòu)，其單樁抗壓承載力特征值不應(yīng)高于 2187KN；對于剪重比為2.4%的結(jié)構(gòu)，其單樁抗壓承載力特征值不應(yīng)高于1458KN；對于 剪重比為3.0%的結(jié)構(gòu)，其單樁抗壓承載力特征值不應(yīng)高于1166KN；從中可看出，單樁水平承載力與單樁抗壓承載力不匹配，因此必須驗(yàn)算樁基的水平 承載力。對于中震和大震下，圖2樓梯梯板拉裂的震害圖3水泥廠結(jié)構(gòu)的震害圖4白鹿鎮(zhèn)中學(xué)在地震

7、斷裂帶兩側(cè)教學(xué)樓的震害圖5都江堰都江之春樓盤底層柱破壞圖6漢旺鎮(zhèn)東方汽輪機(jī)廠，框架結(jié)構(gòu)的辦公樓隔墻震害圖7漢旺鎮(zhèn)東方汽輪機(jī)廠單層廠房震害圖7小魚洞大橋的震害三、結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)問題：1、多道抗震防線：結(jié)構(gòu)必須有多道抗震防線，這是抗震設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)基本概念。在這次汶川 地震中也充分表現(xiàn)出來，有些建筑倒塌，而有些建筑不倒，下面從空曠建筑倒塌來看結(jié) 構(gòu)有多道抗震防線的必要性：這次震害學(xué)校教學(xué)樓較為嚴(yán)重，一般說來，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能要優(yōu)于 砌體結(jié)構(gòu)，但這次震害表明空曠的學(xué)校（框架結(jié)構(gòu)）教學(xué)樓倒塌（如映秀鎮(zhèn)漩口中學(xué)教 學(xué)樓，建于2007年3月），而附近的4層砌體結(jié)構(gòu)辦公樓，盡管破壞非常嚴(yán)重，

8、但并沒 倒塌。為什么在強(qiáng)震作用下，性能比較好的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)反而不如抗震性能相對較 差的磚混結(jié)構(gòu)？其主要原因就是純框架結(jié)構(gòu)只有一道防線，在大震時(shí)，一旦這道防線突 破，結(jié)構(gòu)就喪失了全部的承載力而倒塌；而砌體結(jié)構(gòu)住宅和辦公樓，由于小開間布置， 縱、橫墻體較多，按照規(guī)范設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁，其整體性和延性較好。砌體裂縫被約束 在鋼筋混凝土構(gòu)造柱和圈梁的框格內(nèi)，不致發(fā)生脆性破壞而倒塌。再舉一個(gè)例子，漢旺鎮(zhèn)東方汽輪機(jī)廠，框架結(jié)構(gòu)的辦公樓，由于上、下均有磚隔墻， 雖然隔墻震害嚴(yán)重，有些產(chǎn)生裂縫甚至倒塌，但對主框架結(jié)構(gòu)而言，看不出有裂縫，這 是由于填充墻與框架形成二道抗震防線，填充墻承擔(dān)第一道防線，填充墻先

9、破壞，而保 住主框架，因此2008年版建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范也把隔墻的布置，提供剛度這些內(nèi)容也 寫進(jìn)去了，關(guān)于框架結(jié)構(gòu)的圍護(hù)墻和隔墻，其平面布置的位置和上、下均勻性對結(jié)構(gòu)的 抗震性能有很大影響，避免不合理布置；其實(shí)墻體的布置就像剪力墻一樣，需平面上對 稱，上、下均勻。2、填充墻對結(jié)構(gòu)剛度的影響：這次汶川地震震害表明，填充墻對結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)很大。目前規(guī)范及現(xiàn)有計(jì)算手段 尚無法對填充墻對結(jié)構(gòu)剛度的影響進(jìn)行量化分析，因此由于填充墻不均勻布置引起整體 結(jié)構(gòu)上、下剛度，水平剛度的不均勻變化，其問題均未解決，這種影響是不容忽略的。 目前，必須根據(jù)概念去判斷。填充墻其實(shí)就像磚剪力墻，其布置原則必須按砼剪力墻布置原

10、則去考慮，平面上對 稱、均勻，豎向必須貫通，填充墻布置不當(dāng)造成的框架結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞震害例子很多，如 都江堰都江之春樓盤有一幢純框架結(jié)構(gòu)的七層建筑，底層空曠（即沒有隔墻），上部有隔 墻，由于上部填充墻提供了很大剛度，造成底部形成薄弱層，底層柱頂、柱底出現(xiàn)塑性 餃，結(jié)構(gòu)瀕臨倒塌。但其最直接原因是底層沒有二道抗震防線和底層與上一層側(cè)向剛度 相差較大。3、強(qiáng)柱弱梁基本理念：抗震設(shè)計(jì)的基本理念之一是“強(qiáng)柱弱梁”，規(guī)范的實(shí)現(xiàn)方法是加大柱的設(shè)計(jì)彎矩，但 從這次震害來看，強(qiáng)柱弱梁普遍未能實(shí)現(xiàn)。強(qiáng)柱弱梁普遍未能實(shí)現(xiàn)主要有以下原因：、樓板起到關(guān)鍵作用：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析時(shí)，都是假定荷載傳遞路徑為：板

11、一梁一柱。 而實(shí)際上，普通的梁板結(jié)構(gòu)屬于無梁樓蓋的一種特殊情況，有一部分荷載通過板直接傳 給了柱。根據(jù)假定算出來的框架梁彎矩是個(gè)“假彎矩”，和實(shí)際情況有差別，由于樓板的 作用，對于框架梁來說，其截面形式為T形梁，而非矩形梁，T形梁翼板內(nèi)的板筋對框 架梁抗彎承載力提高起到很大作用。以上兩方面的作用，框架梁的鋼筋按目前計(jì)算結(jié)果 的抗彎承載能力大大超過其實(shí)際承擔(dān)的設(shè)計(jì)彎矩。、設(shè)計(jì)人員超配梁鋼筋又起到推高作用：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員實(shí)配鋼筋比計(jì)算結(jié)果來得大，更可怕的是，梁通過裂縫寬度驗(yàn)算，又 大大加大梁的配筋，有的甚至提高50%。我認(rèn)為除了大跨度，特殊使用條件的梁需驗(yàn)算 裂縫外，均可不驗(yàn)算裂縫，按這種方法增加梁

12、配筋，對整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全度沒好處，如確 需要加大梁配筋，相應(yīng)的柱截面和配筋也需加大。要做到強(qiáng)柱弱梁的抗震設(shè)計(jì)原則，就要反其道而行之。在計(jì)算上，充分考慮樓板的 作用，框架梁支座彎矩取到柱邊，充分考慮板的鋼筋作用，因此需把鋼用在刀刃上，加 強(qiáng)豎向構(gòu)件截面和配筋，設(shè)法讓框架梁先出現(xiàn)屈服，實(shí)現(xiàn)比較好的延性機(jī)制，對抗震耗 能比較有利，同時(shí)也帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)除了強(qiáng)度需滿足外，剛度也需控制，柱的線剛度必須大于梁的線剛 度1.11.5倍，即柱截面不能太小。業(yè)主和建筑師總是要求柱子截面越小越好，鋼筋可以 多加，尺寸都沒得商量，從這次地震看，倒塌框架的廢墟中可以發(fā)現(xiàn)細(xì)細(xì)的柱子，框架 柱截面太小，直

13、接的結(jié)果是柱頭壓碎和底層柱壓塌。4、抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)問題：目前抗震規(guī)范是把基本烈度降低1.55度進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，也就是所謂的小震設(shè)計(jì)。這 次汶川地震后，很多結(jié)構(gòu)專家提出豎向構(gòu)件設(shè)計(jì)過渡到中震設(shè)計(jì)（框架梁還按小震設(shè)計(jì)）， 保證豎向構(gòu)件的承載力，有利于真正實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)計(jì)意圖。實(shí)際上，發(fā)達(dá)國家 都按中震設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。通過豎向構(gòu)件承載力提高和中震作用的切入，這種細(xì)分的性能設(shè)計(jì) 比較容易落實(shí)，實(shí)際工程中也比較容易操作，更容易達(dá)到強(qiáng)柱弱梁的基本指標(biāo)。5、防震縫的問題：這次地震中，由于房屋相互碰撞產(chǎn)生的巨大灰沙煙霧，給人留下深刻的印象，相互 碰撞主要原因是設(shè)計(jì)預(yù)留的縫寬不能滿足地震發(fā)生時(shí)建筑物的搖擺幅度，防震

14、縫處的構(gòu) 造處理不當(dāng)，這類破壞修復(fù)非常麻煩。6、樓梯間梯板受力問題：汶川地震樓梯間的梯板拉裂的情況比較普遍，說明梯板的空間抗側(cè)力作用明顯，但 很少被拉斷的情況，梯板被拉裂的位置有些專家說屬后澆帶位置，但我認(rèn)為是梯板支座 負(fù)筋截?cái)帱c(diǎn)處，因?yàn)橛行┨莅逵袃商幚训奈恢谩Ｐ抻喛拐鹨?guī)范要求考慮樓梯構(gòu)件的影 響。7、預(yù)制板問題：預(yù)制板建筑，這次汶川地震震害特別嚴(yán)重，我認(rèn)為不能用預(yù)制板。原因有：預(yù)制板 的擱置長度有限，把豎向承重墻體在每層樓板處隔斷，整體性差，雖然規(guī)范要求要有可 靠連接，但實(shí)際施工起來難以做到。8、慎用單跨框架：兩根柱子，一根梁，組成的單跨框架，是最簡單的結(jié)構(gòu)形式，用于教學(xué)樓可以兩邊 通風(fēng)采光，再加個(gè)懸挑外廊可以讓學(xué)生進(jìn)行戶外活動(dòng)，所以常見于中小學(xué)教室，但是這 種結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有二道防線，一根結(jié)構(gòu)柱破壞，框架馬上倒塌，汶川地震中小學(xué)教學(xué)樓破 壞嚴(yán)重，甚至倒塌，可能與此相關(guān)。對有些教學(xué)樓外部改懸挑為柱子支承，單跨變雙跨，情況就好很多。這次修訂的抗 震規(guī)范就明確高層的框架結(jié)構(gòu)不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)