我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的震害調(diào)查與分析

0電阻率抗震設(shè)計(jì)基本要求在5.12汶川大地震中，房屋和工程設(shè)施在不同時(shí)期的建設(shè)過(guò)程中得到了考驗(yàn)。震害調(diào)查表明,經(jīng)過(guò)抗震設(shè)防、特別是在1990年以后設(shè)計(jì)建造的建筑表現(xiàn)良好,即使在極震區(qū)實(shí)際烈度高出設(shè)防烈度3～4度(地震動(dòng)強(qiáng)度超出預(yù)計(jì)的10倍)的情況下,除了個(gè)別建筑物外,大多數(shù)建筑受到中等至嚴(yán)重破壞,但不倒塌,達(dá)到了“小震不壞,中震可修,大震不倒”的三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)。本文繼文獻(xiàn)之后,結(jié)合實(shí)際震害調(diào)查,對(duì)三水準(zhǔn)設(shè)防和抗震設(shè)計(jì)基本要求的若干問(wèn)題進(jìn)行研討,包括:砌體結(jié)構(gòu)構(gòu)造柱和圈梁設(shè)置、結(jié)構(gòu)整體性和傳力路徑、地基基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)、設(shè)備支座抗震設(shè)計(jì)、抗震縫設(shè)置、建筑疏散通道以及抗震加固效果等。本文不局限于對(duì)震害做簡(jiǎn)單描述,而是結(jié)合震害(包括歷史地震震害)進(jìn)行分析和必要的計(jì)算,判別震害原因,希望能得到一些啟示,供工程技術(shù)人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)參考。1比較振動(dòng)破壞和抗強(qiáng)設(shè)計(jì)的基本要求1.1我國(guó)獨(dú)特的抗震結(jié)構(gòu)形式在我國(guó)實(shí)行了“三鹿茸”《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2001)第3.5.4條第1款規(guī)定,“砌體結(jié)構(gòu)應(yīng)按規(guī)定設(shè)置鋼筋混凝土圈梁和構(gòu)造柱、芯柱,或采用配筋砌體等?！钡?.3.1條和第7.3.3條作為強(qiáng)制性條文,對(duì)構(gòu)造柱和圈梁的設(shè)置,有非常詳細(xì)的規(guī)定。砌體加混凝土構(gòu)造柱和圈梁的結(jié)構(gòu)形式是1976年唐山地震以來(lái),我國(guó)的工程技術(shù)人員發(fā)明的抗震技術(shù)。對(duì)于由脆性材料組成的砌體結(jié)構(gòu),構(gòu)造柱、圈梁除作為約束構(gòu)件外,既提高了砌體的延性,又加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性,也可視為第二道抗震防線。經(jīng)歷了多次地震檢驗(yàn),證明這種獨(dú)特的抗震結(jié)構(gòu)形式行之有效而且非常適合我國(guó)國(guó)情,已在我國(guó)地震區(qū)得到廣泛應(yīng)用。只要嚴(yán)格按照規(guī)范要求設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁,完全可以達(dá)到三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)要求。圖1所示為位于設(shè)防烈度7度、實(shí)際烈度8度(相當(dāng)于“大震”水準(zhǔn))的白鹿鎮(zhèn)中心小學(xué)的一幢砌體結(jié)構(gòu)教學(xué)樓,在達(dá)到大震水準(zhǔn)的地震作用下,墻體裂縫由于受到構(gòu)造柱和圈梁的約束,大多局限在窗肚墻而不擴(kuò)展,雖嚴(yán)重破壞,但不倒塌,達(dá)到“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。在映秀鎮(zhèn),實(shí)際地震烈度高達(dá)11度,漩口中學(xué)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓嚴(yán)重破壞、甚至倒塌。而在同一地點(diǎn)相鄰的多層砌體結(jié)構(gòu)辦公樓房屋,由于合理地設(shè)置了構(gòu)造柱和圈梁,在豎向和水平地震作用下,磚墻砌體嚴(yán)重開裂,主體結(jié)構(gòu)裂而不倒(見圖2)。相反地,如果構(gòu)造柱和圈梁設(shè)置不當(dāng),例如在房屋四角和內(nèi)外磚墻交接處不設(shè)構(gòu)造柱,就可能產(chǎn)生局部破壞或倒塌,如圖3和圖4所示。1.2結(jié)構(gòu)體系完整,路徑復(fù)雜,容易導(dǎo)致地震破壞抗震規(guī)范第3.5.2規(guī)定,結(jié)構(gòu)體系“應(yīng)具有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和合理的地震作用傳遞途徑”;第3.5.3條規(guī)定,結(jié)構(gòu)體系“宜具有合理的剛度和承載力分布,避免因局部削弱或突變形成薄弱部位產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中或塑性變形集中”。不論是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)還是砌體結(jié)構(gòu),均要求結(jié)構(gòu)體系完整,傳力路徑明確。但是在設(shè)計(jì)中,建筑師為了達(dá)到建筑功能上對(duì)大空間、好景觀的要求,不惜“拔除”結(jié)構(gòu)構(gòu)件,或在承重墻開大洞,或在房屋四角開門、窗洞,設(shè)計(jì)所謂“飄窗”、“轉(zhuǎn)角陽(yáng)臺(tái)”和圓形樓梯間,其結(jié)果是破壞了結(jié)構(gòu)整體性及傳力路徑,最終導(dǎo)致地震破壞。這種震害在國(guó)內(nèi)外的許多地震中幾乎都能發(fā)現(xiàn),而在汶川地震中,更比比皆是,需要引起我們的注意。圖5～圖9表示了各種形式的轉(zhuǎn)角墻體不正交咬砌所導(dǎo)致的破壞。1.3同一功能不能部分采用天然地基抗震規(guī)范第3.3.4規(guī)定,“地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列要求:(1)同一結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)不宜設(shè)置在性質(zhì)截然不同的地基上;(2)同一結(jié)構(gòu)單元不宜部分采用天然地基部分采用樁基”。圖10和圖11所示為距北川極震區(qū)直線距離僅為10km的安縣某工廠,3個(gè)車間分別采用鉆孔灌注樁和振動(dòng)碎石地基兩種性質(zhì)不同的基礎(chǔ),所造成的結(jié)果是采用振動(dòng)碎石地基的廠房(圖10左側(cè))在地震前就已發(fā)生沉降,地震(達(dá)到大震作用)時(shí)沉降差達(dá)到300mm,主體排架結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞,局部倒塌。1.4裝置基礎(chǔ)承臺(tái)抗剪破壞抗震規(guī)范第3.7.1條規(guī)定,“非結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和建筑附屬機(jī)電設(shè)備自身及其與結(jié)構(gòu)主體的連接應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)”;第3.7.3條規(guī)定,“附著于樓屋面結(jié)構(gòu)上的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)有可靠的連接或錨固,避免地震時(shí)倒塌傷人或砸壞重要設(shè)備”;第3.7.6條規(guī)定,“安裝在建筑上的附屬機(jī)械電氣設(shè)備系統(tǒng)的支座和連接應(yīng)符合地震時(shí)使用功能的要求且不應(yīng)導(dǎo)致相關(guān)部件的損壞”。但是,阿壩鋁廠的冷卻風(fēng)機(jī)機(jī)組由于采用軌道滾動(dòng)支座,地震時(shí)脫軌滑出和傾覆,造成破壞。如圖12和圖13所示。安縣某廠一大型管道通過(guò)滑移支座放置在鋼支架上,管道端部設(shè)置限位鋼支架,限位支架與鋼筋混凝土基礎(chǔ)承臺(tái)固定,承臺(tái)以下設(shè)兩根600鉆孔灌注樁,樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25。地震時(shí),安裝在滑移支座上的大型設(shè)備滑移15cm,撞擊限位支架(見圖14和圖15),并造成灌注樁斷裂,見圖16?；A(chǔ)承臺(tái)梁剪壞(圖17)。由于無(wú)法得到當(dāng)?shù)氐膹?qiáng)震記錄,不能知道地面加速度峰值。可以做個(gè)簡(jiǎn)單的估算:假定限位鋼支架將設(shè)備水平慣性力傳到樁基礎(chǔ),灌注樁受剪斷裂(見圖16),管道重量為420t,設(shè)地面加速度峰值為¨uu¨g,則樁受水平地震力為Q=m¨ug=4.2×105¨ugQ=mu¨g=4.2×105u¨g樁的總水平受剪承載力為R=2fcvAc=4ftAc=4×1.78×3.14×600×600÷4=2.0×106ΝR=2fcvAc=4ftAc=4×1.78×3.14×600×600÷4=2.0×106N樁身破壞條件為Q>RQ>R由此估計(jì)地面加速度峰值為¨ug>4.8m/s2=0.49g相應(yīng)的實(shí)際地震烈度約為9度強(qiáng),與該廠所在地的建筑震害和地質(zhì)破壞現(xiàn)象一致。以此加速度峰值來(lái)驗(yàn)算圖15所示的該廠另外兩個(gè)設(shè)備基礎(chǔ)承臺(tái)(設(shè)備未安裝)之間的連系梁的抗剪破壞。連系梁左邊設(shè)備基礎(chǔ)重750t,右邊設(shè)備基礎(chǔ)重1000t,基礎(chǔ)梁斷面400mm×600mm,混凝土強(qiáng)度為C25,計(jì)算受剪承載力等于R=fcvAb=2ftAb=2×1.78×400×600=8.544×105Ν假設(shè)地表地面運(yùn)動(dòng)加速度為4.8m/s2,則基礎(chǔ)承臺(tái)慣性力、即連系梁所受到的水平剪力等于Q=m¨ug=1.0×106×4.8=4.8×106Ν可見,Q>R,連系梁被剪壞。1.5設(shè)計(jì)建筑平、立面布置時(shí),設(shè)計(jì)施工會(huì)因結(jié)構(gòu)是否需留縫抗震規(guī)范規(guī)定,“抗震縫應(yīng)根據(jù)抗震設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)材料種類、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)單元的高度和高差情況,留有足夠的寬度,其兩側(cè)的上部結(jié)構(gòu)應(yīng)完全分開。”正確理解本條規(guī)定應(yīng)該是,建筑平、立面布置應(yīng)盡可能規(guī)則,盡量避免采用抗震縫;如果必須留的話,寬度應(yīng)該留夠。實(shí)際工程中,往往碰到稍微不規(guī)則的結(jié)構(gòu)就留縫,留的縫又不夠?qū)?有時(shí)在施工中,澆搗混凝土后的抗震縫兩側(cè)的模板沒有拆除,或留下許多雜物堵塞,結(jié)果等于沒留,地震時(shí)必然撞壞。圖18和圖19為2007年6月3日云南寧洱6.4級(jí)地震公安局大樓抗震縫碰撞(7/8),縫寬達(dá)15cm。本次地震中,絕大多數(shù)抗震縫均造成碰撞破壞,如圖20所示,的確值得深思。1.6縱向地震反應(yīng)在樓梯間文獻(xiàn)已就砌體結(jié)構(gòu)樓梯間震害作過(guò)分析,但隨著筆者在地震災(zāi)區(qū)考察的深入,又發(fā)現(xiàn)了更多此類震害,在此對(duì)典型的震害做進(jìn)一步分析。由于樓梯間的山墻較高,梯段構(gòu)件側(cè)向剛度較大,而且交叉布置,樓梯休息平臺(tái)與樓層錯(cuò)層,地震時(shí)最容易破壞。在橫向地震作用下,樓板與休息平臺(tái)板之間,水平力形成力偶,使梯段往復(fù)受拉,梯段受拉彎破壞,休息平臺(tái)梁被剪壞;在縱向地震作用下,由于梯段的側(cè)向剛度很大,地震力集中,作用于樓梯間山墻,導(dǎo)致山墻破壞,甚至倒塌。圖21和圖22為樓梯踏步板破壞情況,由于施工縫設(shè)在樓梯踏步板三分之一高度處,地震時(shí)在該處折斷。圖23所示的綿竹市一幢三層教學(xué)樓,由于樓梯間未按規(guī)范要求設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁,地震時(shí)墻體破壞導(dǎo)致樓梯間倒塌,而兩側(cè)教學(xué)主樓未倒。相反的震害現(xiàn)象發(fā)生在都江堰聚源中學(xué)教學(xué)樓,大樓中部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)樓梯間,大樓兩側(cè)為磚混結(jié)構(gòu)教室,東側(cè)建于1988年,西側(cè)建于1993年。地震時(shí)兩側(cè)磚混結(jié)構(gòu)教室一塌到底,僅留下中部鋼筋混凝土框架樓梯間,如圖24所示?？拐鹨?guī)范還要求,不宜在建筑端部設(shè)置樓梯間,這是因?yàn)榻ㄖ啥说牡卣鹋まD(zhuǎn)效應(yīng)明顯,極易產(chǎn)生破壞。圖25和圖26所示為設(shè)于建筑端部樓梯間倒塌的案例。1.7鋼筋混凝土柱加固方案德陽(yáng)市第一幼兒園為三層外廊式砌體結(jié)構(gòu),建于1985年,6度設(shè)防,于2005年花費(fèi)60萬(wàn)元進(jìn)行加固。具體做法是:加大底部二層外廊磚柱(由400mm×400mm加大至800mm×800mm),增設(shè)小牛腿;拆除第3層屋蓋,增設(shè)圈梁,外廊磚柱改為鋼筋混凝土柱。如圖27和圖28所示。地震時(shí),承重磚墻開裂(圖29),樓面大梁出現(xiàn)裂縫(圖30),但整體結(jié)構(gòu)不倒,加固效果很好。都江堰市寧江幼兒園,為三層磚混結(jié)構(gòu)房屋,建于上世紀(jì)七十年代,1992年加固采用外包混凝土構(gòu)造柱、設(shè)置鋼拉桿進(jìn)行抗震加固,如圖31和圖32所示。甘肅天水某廠建于1952年的單層磚柱鋼木屋架車間,1976年唐山地震之后,采用外加角鋼圍套加固承重磚柱。本次地震中,表現(xiàn)良好(圖33a)。位于甘肅武都某廠車間磚柱采用相同方法加固,遭受8度中震作用,磚柱嚴(yán)重開裂,但由于角鋼圍套的約束作用,沒有倒塌(圖33b)。2結(jié)構(gòu)體系與震害5·12汶川大地震后,筆者數(shù)度進(jìn)入地震災(zāi)區(qū)進(jìn)行震害調(diào)查,針對(duì)在文獻(xiàn)中所提及的“小震不壞、中震可修、大震不倒”三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo),發(fā)現(xiàn)有更多的例子證明,只要嚴(yán)格按照抗震設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)和保證施工質(zhì)量,在大震情況下,多數(shù)建筑受到中等至嚴(yán)重破壞,但不倒塌。三水準(zhǔn)抗震設(shè)計(jì)原則體現(xiàn)了基于性能的抗震設(shè)防理念,適合我國(guó)國(guó)情。震害調(diào)查還表明,抗震規(guī)范在抗震設(shè)計(jì)基本要求中,關(guān)于結(jié)構(gòu)體系的規(guī)定,對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震性能具有重要意義。相對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)而言,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)疑具有更好的抗震性能,但不意味著砌體結(jié)構(gòu)就不能使用,只要保證結(jié)構(gòu)的整體性,傳力路徑明確,砌體結(jié)構(gòu)也具有良好的抗震性能。相反地,在結(jié)構(gòu)的受力集中部位和整體連接的關(guān)鍵部位,如果構(gòu)造不良,必然導(dǎo)致破壞。砌體結(jié)構(gòu)的構(gòu)造柱和圈梁對(duì)于提高結(jié)構(gòu)延性、防倒塌具有重要作用。前文已經(jīng)提到,作為疏散通道的樓梯間設(shè)計(jì),應(yīng)給予充分重視。本文再次