各構件類的震害分析和破壞機理分析單層鋼筋混凝土排架柱廠房是由鋼筋混凝土柱與預制鋼筋混凝土屋架（或鋼屋架）組裝而成的預制裝配式結構。在全國的工業(yè)生產中應用非常廣泛。這種結構在我國經受了多次地震的考驗，積累了豐富的抗震經驗和大量的震害資料。例如，在1976年的唐山地震[47]中，就有許多該類結構震害的出現。單層鋼筋混凝土排架柱廠房在多次的地震中的一般震害現象[6、20、34、59、64、78]為：在7度區(qū)，廠房的主體結構和支撐系統基本完好，沒有破壞，發(fā)生震害的是磚圍護墻體的局部開裂或外閃；在8度區(qū)，主體結構（排架柱、屋架）開始出現開裂破壞，甚至是嚴重開裂。天窗架的立柱也發(fā)生開裂。屋蓋系統和柱間支撐中的桿件有很多出現了壓曲或拉脫現象。磚圍護墻體比7度區(qū)的開裂嚴重，部分甚至發(fā)生倒塌，山墻頂部多數外閃倒塌；在9度區(qū)，震害就更加嚴重，主體結構的開裂更為嚴重，屋蓋系統破壞，甚至倒塌。屋蓋系統和柱間支撐的支撐大部分發(fā)生屈曲，節(jié)點拉脫更為普遍。磚圍護墻體大面積倒塌。根據單層鋼筋混凝土排架柱廠房的結構特點及震害現象，我們將該類結構劃分為四大構件類：1）廠房柱；2）屋面及屋蓋支撐系統；3）墻體、連系梁、圈梁和構造柱；4）非結構構件、附屬建筑和小品。下面分別介紹各構件類的主要震害及破壞機理。在本章及第三章，我們首次提出將這兩種廠房結構各構件的震害分為輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞三種，并分析破壞原因。1.1廠房柱柱子是整個廠房的主要抗側力構件，因而在強度和剛度設計時讓其具有一定的抗側力能力。完全因為柱子的破壞而導致廠房倒塌的震害基本沒有，往往是柱子的抗震薄弱部位導致柱子產生各種開裂到破壞的震害。1.1.1柱身1.上柱根部和吊車梁頂面標高處出現水平開裂輕微破壞：上柱根部和吊車梁頂面標高處基本是完好的，或出現一些沒有貫穿的肉眼可見的細微裂縫，見圖2-5（a）；中等破壞:裂縫出現貫穿現象，裂縫寬度稍有發(fā)展，但未出現鋼筋外露、柱子混凝土保護層脫落等現象，見圖2-5（b）；嚴重破壞：裂縫寬度進一步加大，混凝土保護層脫落，柱子內層有明顯裂縫，鋼筋出現外露、扭曲等現象，見圖2-5（c）。此類震害產生的原因是，上柱根部在剛度和應力轉換的突變處，上柱的截面面積和配筋相對下柱都比較小，作用在柱頂的橫向水平地震力使上柱成為大偏壓受力，而上柱的抗彎抗壓此時難以滿足要求，所以就會在上柱根部出現水平開裂。吊車梁頂面出現的水平開裂，則是因為吊車梁與上柱之間的縫隙處在灌注混凝土或塞滿磚頭、石塊后，上柱根部的剛度突變位置上移到吊車梁頂所致?！督ㄖ拐鹪O計規(guī)范（2016版）》[81]（以下簡稱為《抗規(guī)》）第9.1.20條規(guī)定：牛腿頂面至吊車梁頂面以及吊車梁頂面300mm的范圍內均設置為箍筋加密區(qū)。1—上柱根部水平裂縫2—吊車梁頂面水平裂縫1—上柱根部水平裂縫2—吊車梁頂面水平裂縫(a)輕微破壞(b)中等破壞(c)嚴重破壞圖2-5上柱根部和吊車梁頂面水平開裂2.下柱根部在靠近地面處開裂；嚴重者受壓區(qū)混凝土破碎剝落，縱筋壓曲變形這種震害一般發(fā)生于單跨的邊柱、多跨的邊柱和中柱，且發(fā)生在8度及以上的地震區(qū)。破壞形式有兩種：=1\*GB3①橫向破壞，這是因為柱子的橫向抗震強度不足。當地震作用加強且反復作用時，就會出現壓區(qū)混凝土破碎剝落，縱筋壓曲破壞；=2\*GB3②縱向破壞。這種破壞一般會發(fā)生在離地面50cm的地方，通常出現的都是水平裂縫，且主要發(fā)生在未設柱間支撐的廠房。輕微破壞：下柱根部出現貫穿的肉眼可見的細微裂縫，裂縫基本發(fā)生在柱子表面，內部基本沒有出現，見圖2-6（a）；中等破壞:細微的貫穿裂縫寬度稍有發(fā)展，但未出現鋼筋外露、柱子混凝土保護層脫落等現象，見圖2-6（b）；嚴重破壞：裂縫寬度進一步加大，混凝土保護層脫落，柱子內層有明顯裂縫，鋼筋出現外露、扭曲等現象，見圖2-6（c）。原因是，沒有柱間支撐，全部的縱向地震作用轉由柱子承受，導致柱子在靠近地面處受力最大，而柱子在抗縱向壓彎的承載能力較弱，就會出現水平開裂。有部分設置柱間支撐的廠房也會出現此類震害，那是因為柱子本身的抗震強度能力弱，嚴重時柱根部混凝土剝落，縱筋外露甚至壓曲。《抗規(guī)》[81]第9.1.20條有規(guī)定：柱根的箍筋加密區(qū)取下柱柱底至室內地坪以上500mm。(a)輕微破壞(b)中等破壞(c)嚴重破壞圖2-6下柱根部貫穿裂縫3.不等高廠房中柱支撐低跨屋蓋牛腿以上柱截面水平開裂不等高廠房高低跨交界處中柱支撐低跨屋蓋的牛腿以上的柱截面開裂或嚴重剪斷[82]。輕微破壞：不等高廠房中柱支撐低跨屋蓋牛腿以上柱截面出現肉眼可見的細微裂縫，裂縫基本發(fā)生在柱子表面，或柱子基本完好，見圖2-7（a）；中等破壞:細微裂縫寬度稍有發(fā)展且出現貫穿現象，但未出現鋼筋外露、柱子混凝土保護層脫落等現象，見圖2-7（b）；嚴重破壞：裂縫寬度進一步加大，貫穿裂縫數量較中等破壞時增多?；炷帘Ｗo層脫落，柱子內層有明顯裂縫，鋼筋出現外露、扭曲等現象，見圖2-7（c）。發(fā)生此類震害的原因是：此類廠房的屋蓋不在一個標高，地震時容易出現高階震型，使高跨的上柱地震作用加大，進而導致高跨上柱根部的水平開裂?！犊挂?guī)》[81]第9.1.20條規(guī)定：承載低跨屋蓋的牛腿頂面上、下各300mm范圍為箍筋加密區(qū)范圍。1-高跨屋蓋2-低跨屋蓋3-1-高跨屋蓋2-低跨屋蓋3-交接處中柱(a)輕微破壞(b)中等破壞(c)嚴重破壞圖2-7不等高廠房高低跨交接處中柱高跨上柱水平開裂4.平腹桿雙肢柱和薄壁開孔預制腹板工字形柱嚴重開裂破壞這類震害一般在高烈度區(qū)比較普遍，像8度、9度。產生的裂縫特征是：平腹桿是各個平腹桿與兩側柱肢相交的兩端出現豎向剪切裂縫；薄壁開孔預制腹板工字形柱是上下孔腹板間出現交叉剪切裂縫。輕微破壞：平腹桿雙肢柱和薄壁開孔預制腹板工字形柱基本完好，或平腹桿雙肢柱的平腹桿與兩側柱肢相交的兩端出現肉眼可見的豎向細微裂縫，薄壁開孔預制腹板工字形柱的上下孔腹板間出現交叉剪切裂縫，裂縫基本發(fā)生在柱子表面，且裂縫基本沒有貫通現象，見圖2-8（a）；中等破壞:豎向和交叉剪切裂縫寬度有所發(fā)展，裂縫進一步出現貫通現象，裂縫寬度較輕微破壞變化明顯，但未出現鋼筋外露、柱子混凝土保護層脫落等現象，見圖2-8（b）；嚴重破壞：豎向和交叉剪切裂縫寬度進一步加大，貫穿裂縫數量較中等破壞時增多?；炷帘Ｗo層脫落，柱子內層有明顯裂縫，鋼筋出現外露、扭曲等現象，見圖2-8（c）。出現這兩種震害的原因是：這兩種柱子的抗側力剛度和強度相對其他柱子差，不利于抗震。《抗規(guī)》[81]第9.1.4條規(guī)定：高烈度地區(qū)如8、9度時，盡量選用斜腹桿雙肢柱、矩形、工字形截面柱，而不選用其他截面類型柱。(a)輕微破壞(b)中等破壞(c)嚴重破壞圖2-8平腹桿兩端剪裂破壞1.1.2柱頭和柱牛腿1.上柱柱頭的開裂和破壞在高烈度區(qū)，部分上柱柱頭出現斜向開裂破壞，嚴重時混凝土酥落，主筋壓曲。輕微破壞：上柱柱頭基本完好，或出現肉眼可見的細微裂縫，裂縫基本發(fā)生在柱子表面，且柱頭處裂縫長度較短，未出現貫穿現象，見圖2-9（a）；中等破壞:細微裂縫寬度稍有發(fā)展且出現貫穿現象，裂縫不但沿長度方向有所拓展，且向柱子內部也有發(fā)展，但未出現鋼筋外露、柱子混凝土保護層脫落等現象，見圖2-9（b）；嚴重破壞：裂縫寬度進一步加大，貫穿裂縫數量較中等破壞時增多?；炷帘Ｗo層脫落，柱子內層有明顯裂縫，鋼筋出現外露、扭曲等現象，見圖2-9（c）。出現此類震害的原因是：柱頭部位的受力一般比較復雜，壓、彎、剪同時作用的情況比較常見，而柱頭在設計時一般只考慮了軸向受力，配置的箍筋較少。另外，柱頭處混凝土本身的抗剪強度較低，也難以承受這種復合受力。屋架端頭支座的鋼板與柱頭預埋件焊接比較接近剛性，變形能力較差，也是發(fā)生該類震害的一個重要原因?！犊挂?guī)》[81]第9.1.20條有規(guī)定：柱頭的箍筋加密區(qū)為，柱頂以下500mm并不小于柱截面長邊尺寸；《抗規(guī)》[81]第9.1.25條對屋架與柱頂的連接、柱頂預埋件的錨筋等都有相關規(guī)定，這些規(guī)定也是進一步減輕上柱柱頭在地震中發(fā)生的損壞。(a)輕微破壞(b)中等破壞(c)嚴重破壞圖2-9上柱柱頭發(fā)生破壞2.不等高廠房支撐低跨屋蓋的中柱牛腿開裂這也是不等高廠房的典型震害，在8度、9度區(qū)比較常見。輕微破壞：不等高廠房支撐低跨屋蓋的中柱牛腿基本完好，或出現肉眼可見的斜向細微裂縫，見圖2-10（a）；中等破壞:細微裂縫寬度有發(fā)展且出現向牛腿深處貫穿現象，但未出現鋼筋外露、柱子混凝土保護層脫落等現象，見圖2-10（b）；嚴重破壞：裂縫寬度進一步加大，貫穿裂縫增多。混凝土保護層脫落，鋼筋出現外露、扭曲等現象，見圖2-10（c）。出現這類震害的原因：高低跨的廠房屋蓋不在同一個標高上，強震時會出現相反方向的振動，使牛腿遭受水平拉力作用。這種拉力在89版之前的《抗規(guī)》（78版）[8]是不考慮的，因而基于89版之前的《抗規(guī)》設計的牛腿會出現開裂或更嚴重的破壞。89版及以后的《抗規(guī)》[79-81]對不等高廠房支撐低跨屋蓋的牛腿中縱向受拉鋼筋截面面積的計算就有了明確的規(guī)定。因此，基于89版及以后的《抗規(guī)》設計的牛腿，這方面的破壞情況就比較少了。1-高跨屋蓋2-低跨屋蓋3-1-高跨屋蓋2-低跨屋蓋3-交接處中柱(a)輕微破壞(b)中等破壞(c)嚴重破壞圖2-10不等高廠房支撐低跨屋蓋的中柱牛腿開裂破壞1.1.3柱間支撐柱間支撐是廠房抗縱向地震作用的主要抗側力構件。支撐屈曲耗散了地震能量,保護了主體結構[30]。柱間支撐破壞一般發(fā)生在8度及以上烈度區(qū)，7度及以下較少。破壞的現象為，支撐桿在平面內或平外面壓曲、支撐與柱子連接節(jié)點拉脫。輕微破壞：支撐完好或出現輕微的拉伸變形，但不影響支撐的承載能力；中等破壞：支撐發(fā)生一定的變形，主要為桿件的屈曲，但支撐仍然可以承受地震力；嚴重破壞：支撐發(fā)生斷裂或節(jié)點發(fā)生破壞，此時支撐基本喪失繼續(xù)抵抗地震的能力。壓曲破壞主要是由于桿件截面的長細比過大導致的。壓桿的極限強度很低，長細比越大，壓曲出現得越早，變形也越大。連接節(jié)點的破壞，主要是因為節(jié)點的承載能力過低，埋件的錨固和節(jié)點板的焊縫強度滿足不了支撐桿地震時的受力需求，而導致節(jié)點埋板變形、焊縫拉脫?！犊挂?guī)》[81]第9.1.23條對柱間支撐的形式、交角、節(jié)點板設置等均有明確規(guī)定。1.1.4柱間支撐與柱連接處柱子的開裂這一類的震害現象一般為，混凝土剪裂、壓酥、拉裂、錨筋拔出等；更有甚者，柱子被剪斷。輕微破壞：連接處柱子基本完好，或出現肉眼可見的細微裂縫，裂縫未出現貫穿現象，見圖2-11（a）；中等破壞:裂縫寬度有發(fā)展且出現貫穿現象，裂縫向柱子深部有所擴展，但未出現鋼筋外露、柱子混凝土保護層脫落等現象，見圖2-11（b）；嚴重破壞：裂縫進一步變寬，貫穿裂縫數量較中等破壞時增多?；炷?/p>