震后受损房屋处理方法的研究

1、南阳师范学院土木建筑学院 震后受损房屋处理方法的研究 震后受损房屋处理方法的研究指导老师：姓 名：姓 名：姓 名：姓 名：目录 目录 绪论2绪论31,良好的施工性是加固工程方案必须考虑的条件之一52不同类型加固工程与加固方案分析53几种典型加固方法的工程施工要求5一.砖木结构6木结构房屋抗震存在的问题7关于砖木结构，由于自己结构的独特性，决定了自己的修复方法，一般有两种：8二.砖混结构9多层砌体房屋的震害特征9多层砌体房屋的抗震概念设计要求12结合网上案例及现实专家的经验，提出几个常用的方法：14三、钢筋混凝土结构15钢筋混凝土震害破坏主要有：152 抗震结构设计17四.钢结构19两种罕见的破

2、坏现象19另外几种破坏形式23绪论近年来，地壳活动比较活跃，世界范围内地震活动频发，给人类的生产、生活带来了极大的危害，如图地震过程中产生的巨大地震作用力会给建筑结构带来不同程度的损伤，严重的会导致房屋倒塌，造成比较严重的人员伤亡、财产损失.灾后房屋的损伤处理一直以来都受到了工程人员的重视，取得了一些成效，提出了有效的处理办法，并将其运用到工程中去，取得了不错的效果。但是，由于地震作用比较复杂，对建筑结构产生的损伤现象不尽相同。不同的地区、不同的建筑结构类型、不同的建筑材料都会影响到结构的损伤效果。为了能够做好房屋的损伤处理，保证加固处理之后的房屋具有较高的安全性、可靠性，必须细致分析地震作用

3、对结构的真实损伤原因，对于不同的结构类型、采用不同材料的建筑提出针对性的、切实有效的处理方法。加固施工及加固方案的制定尤为重要，对于需要加固的构筑物，应根据构筑物的不同情况制定不同的加固方案。方案的确定要遵循安全、经济、快捷、施工方便的原则，只有这样，加固工程才能收到良好的社会效益和经济效益。优秀的加固方案具体体现在其施工作业方便、施工技术先进、经济效果好、加固质量高等四方面的特点。1,良好的施工性是加固工程方案必须考虑的条件之一加固工程方案的优劣，首先要把是否具有施工作业方便作为必要条件。有的加固方案虽然具有解决问题的可行性，但是，由于其方案在施工过程中增加了一定的施工难度，而造成施工工期长

4、，劳动用工大，安全系数低的弊端，结果将影响到加固质量。2不同类型加固工程与加固方案分析一般来说，加固工程常采用的方法有加大截面加固法、外包钢加固法、预应力加固法和改变结构传力途径加固法等，随着科学技术的不断进步，应用新技术、新材料、新工艺进行工程加固的方法，如，化学灌浆法、粘钢锚固法、碳纤维加固法应运而生，并开始广泛应用于各类加固工程中。具体那个方案最能体现加固工程所要求的短、平、快、省的特点，应根据需要加固的构件情况，综合确定加固方案。3几种典型加固方法的工程施工要求工程加固的目的就是要通过加固施工达到修复、补强、提高承载力、增强使用功能、满足使用要求，因此，选择加固方案要以提高加固工程质量

5、为根本目的。对于不同的加固方案也有不同的施工方法和质量评定标准。根据混凝土结构加固技术规范中几种典型的加固方法，依照施工经验，不同的加固方法在施工时应“对症下药”。常见的房屋结构有砖混结构、钢筋混凝土结构、框架结构、框剪结构、钢结构、核心筒结构等，各种结构有其自身的特点。按建筑物以其，可以分为砖木结构、砖混结构、钢筋混凝土结构和钢结构四大类。1、砖木结构用砖墙、砖柱、木屋架作为主要承重结构的建筑，像大多数农村的屋舍、庙宇等。这种结构建造简单，材料容易准备，费用较低。2、砖混结构砖墙或砖柱、钢筋混凝土楼板和屋顶承重构件作为主要承重结构的建筑，这是目前在住宅建设中建造量最大、采用最普遍的结构类型。

6、3、钢筋混凝土结构即主要承重构件包括梁、板、柱全部采用钢筋混凝土结构，此类结构类型主要用于大型公共建筑、工业建筑和高层住宅。钢筋混凝土建筑里又有框架结构、框架剪力墙结构、框筒结构等。目前2530层左右的高层住宅通常采用框架剪力墙结构。4、钢结构主要承重构件全部采用钢材制作，它自重轻，能建超高摩天大楼；又能制成大跨度、高净高的空间，特别适合大型公共建筑。 结构类型的不同，受损后加固方法也有不同，下面就不同结构介绍不同加固方法。一.砖木结构木结构房屋的结构骨架是一个由木柱、木梁(或木屋架)组成的框架结构,梁与柱的节点实际上是一种半刚性、半铰接节点,柱底直接搁置于石质基础上,或直接嵌入基础的凹槽,或

7、将木柱做成浅榫与基础连接。木框架起承担和传递屋顶全部荷载的作用,而墙体仅起围护空间的作用,在地震作用下,梁柱榫卯连接处摩擦滑移耗能,而柱底转动滑移减震, 形成良好的隔震消能结构体系,在小震和中震作用下,震害较轻。木结构房屋中,结构构件的联结均采用榫卯联结,虽然榫卯削弱了木构件的承载面积,使结点处的承载力有所下降,但古建筑结构中材料余度很大, 削弱后的木截面面积仍足以承受较大荷载,从而充分利用了半刚性接头的柔性。榫卯联结不仅改变了结构的特性,而且在地震中由于榫卯接触面的摩擦, 耗散了地震能量,相当于在节点处安装了阻尼器,从而减小了结构的地震响应,典型的榫卯结构如图所示。燕尾榫结构,可以承受拉、压

8、两个方向的力。直榫结构的梁能承受极限荷载内的压力,但由于它仅仅是插人柱子中部的矩形孑L中,所以它所能承受的拉力只是榫头与柱子上榫孔之间的最大摩擦力。当 拉力超过最大摩擦力时,榫头与柱将产生相对位移, 其结果是导致结构构件之间出现很大的相对变形, 这种变形一方面改变了结构的整体性,另一方面也调整了结构的内力分配。这种结构的另一个可取之 处是在地震等动力荷载作用下,由此导致的结构松动和构件之间的摩擦吸收了相当部分的能量,从而提高了结构的抗震能力。木结构房屋抗震存在的问题通过对古建木结构房屋的调查研究和单体房屋的受力分析,认为木结构房屋本身具有很多有利于抗震的特性,是一种抗震性能良好的结构形式,但古

9、建木结构房屋大多数建造年代久远,抗震能力的好坏受诸多因素的影响,如采用的木材种类、构造形式、工匠技艺、保护措施等,特别是木材的腐朽程度与填充墙体的形式、质量和联结措施,对其抗震能力有很大的影响。(1)木柱木梁房屋的高度不宜超过3m。在所调查的木结构房屋中,其高度均已超过3m;(2)8度和9度时,柱脚应采用铁件或其它措施与基础锚固。由于现有的木结构房屋大都年代久远,柱底直接搁置于基础上或直接嵌入基础的凹槽,并没有考虑相应的锚固措施;(3)围护墙应与木结构可靠拉结,土坯、砖等砌筑的围护墙不应将木柱完全包裹,宜贴砌在木柱外侧。从调查的情况来看,这些房屋并没有做到这一点。加固保护措施(1)对木材质量好

10、,木结构框架强度下降不多、维护保养较好的房屋,主要是观察建筑的节点连接、填充墙材料和砌法及其与木柱的联结方式等,视情况采取构件间的拉接和墙体的加固;(2)对木结构框架的木材已有腐朽、强度下降较多的房屋,或木结构房屋的基础出现不均匀沉降,或其它强度方面的问题,要进行主体的加固措施,若房屋无保留价值,应考虑退役;(3)对于木结构框架完好,填充墙为土坯或为砖砌体但已开裂损坏的,可考虑加固或更新墙体,在加固或更新的过程中,应注意柱与墙体的连接,如采取沿墙高每600800mm设置一木压条,压条与木柱钉牢等措施。关于砖木结构，由于自己结构的独特性，决定了自己的修复方法，一般有两种：一 钢筋混凝土加固法（）

11、清理现场，凿除组砌在砖墙内木柱、木梁被烧毁的部分。 （）按建筑复原设计图设计钢筋混凝土内框架结构施工图。 （）按结构图和建筑复原图施工。 此方法的抗震性能好，耐久性长，防火能力提高，维修量少，但没有做到修旧如旧。已将内 部木结构受力体系改为钢筋混凝土受力体系，破坏了文物原有的状态。二木结构加固法（）清理现场，凿除组砌在砖墙内木柱、木梁被烧毁的部分。 （）按建筑复原设计图设计木结构施工图，加强木结构的防腐、防蛀、防火，提高砖木古塔 的耐久性，采用锚固、补砌、灌浆等方法加固好新建木结构体系与原砖墙结构体系的连接，提高建筑物的抗震能力。 （）按结构图和建筑复原图施工。 （）加固平面、剖面施工图（）加

12、固木柱、木梁的节点大样。此方案修旧如旧，抢救性地保护了砖木结构建筑物的原汁原味的文物价值，该方案也容易被省、市 文物保护管理委员会批准。但加固后的砖木结构体系的抗震性能一般，耐久性不长，防火能力 没有提高，而且木结构维修量大二.砖混结构多层砌体房屋的震害特征不同烈度时的破坏部位变化不大，破坏程度有显著差别！层数与总高度是影响砖混房屋震害的最重要因素！房屋的底层、四角、大房间、楼梯间的墙体是薄弱部位！结构体系不合理引起的震害（1）结构冗余度不足：结构冗余度不够，地震中一旦某些构件破坏，整体结构形成机构而倒塌！都江堰聚源中学倒塌教学楼结构体系不合理引起的震害（2）体系规则性 唐山市某招待所，五层砖

13、混结构，采用半凹半凸阳台，该处外纵墙破坏加重墙体承载能力不足引起的墙体破坏（1）平面内破坏多层砌体结构纵向开有较多的门窗洞口，抗震能力低，地震时易开裂破坏，裂缝发生在窗间或窗下墙部位，且贯穿整个墙段。映秀漩口中学严重破坏的教学楼 （窗间墙X形裂缝）住宅类砌体结构横向墙体数量相对较多、开洞较少，抗震能力相对要高，地震时开裂破坏轻微，但对于教学楼、医院等横墙数量较少的建筑，破坏也比较严重绵阳市汉旺镇中心幼儿园横墙开裂严重，但未倒塌墙体承载能力不足引起的墙体破坏（2）出平面破坏纵墙支承大梁房屋中多发生在纵墙承重整体性不足引起的震害（1）内外墙交接处纵横墙连接薄弱，地震中致使外纵墙大片闪落，唐山大地震

14、此类震害较为明显。目前砌体结构抗震设计中重视了纵横墙连接，震害减少，但农村自建房中仍有此类震害发生。整体性不足引起的震害（2）圈梁未设置或设置不当唐山陡河电站办公楼。五层砖混结构，圈梁兼作窗过梁，未设在楼板平面处，顶层部分倒塌，圈梁甩落在地。历次震害表明，砌体结构设置圈梁构造柱是提高结构整体性与防倒塌的重要措施。整体性不足引起的震害（3）楼屋盖体系房屋局部部位的破坏（1）转角部位应力集中房屋局部部位的破坏（2）墙肢尺寸不足房屋局部部位的破坏（3）山墙开洞过多多层砌体房屋的抗震概念设计要求体系要求（优先采用横墙承重或纵横墙共同承重）规则性要求（防震缝问题）下列情况之一时宜设防震缝：房屋立面高差在

15、6m以上房屋有错层，且楼板高差较大各部分结构刚度、质量截然不同规范的原则：尽可能不设缝（震害经验、建筑要求） 不设缝时的处理：计算模型要符合实际，抗震分析要精确，易损部位要加强。设缝时的处理：设双墙，缝宽满足中震不碰撞。截面抗震验算可仅取最不利墙肢进行验算最不利墙肢一般指承受地震剪力大或竖向压应力小的墙肢规范中给出了普通（水平配筋）砖（多孔砖）截面验算公式对于普通砖（多孔砖）可考虑墙段中部设置构造柱的有利影响构造柱截面240X240，间距4m多层砌体房屋的抗震构造措施（1）构造柱构造柱作用约束墙体，提高砌体墙的极限变形能力，使砌体墙在遭遇强烈的地震作用时，虽然开裂严重但不至于突然倒塌；增强了内

16、外墙联接的整体性，而且形成了一个由圈梁和构造柱组成的带钢筋混凝土边框的抗侧力体系，大大增强了砌体结构的整体作用。对墙体抗震抗剪承载能力有一定的提高。构造柱设置部位关键部位必须设置（楼梯间、外墙四角等）其他部位与烈度、层数有关08版规范对楼梯间的要求加严对于外廊式、单面走廊式的多层砖房，应根据房屋增加一层的层数，按表的要求设置钢筋混凝土构造柱，且单面走廊两侧的纵墙均要按外墙的要求设置构造柱。对于教学楼、医院等横墙较少的多层砖房，应根据房屋增加一层后的层数，按表的要求设置钢筋混凝土构造柱；当教学楼、医院等横墙较少的房屋为外廊式或单面走廊式时，应按上一条要求设置构造柱，但6度不超过四层、7度不超过三

17、层和8度不超过二层时，应按增加二层后的层数考虑。多层砌体房屋的抗震构造措施（2）圈梁圈梁作用增强房屋的整体性，提高房屋的抗震能力。由于圈梁的约束，预制板散开以及砖墙出平面倒塌的危险性大大减小。使纵、横墙能够保持一个整体的箱形结构。充分地发挥各片砖墙在平面内抗剪承载力。作为楼盖的边缘构件，提高了楼盖的水平刚度，使局部地震作用能够分配给较多的砖墙来承担，也减轻了大房间纵、横墙平面外破坏的危险性。圈梁还能限制墙体斜裂缝的开展和延伸，使砖墙裂缝仅在两道圈梁之间的墙段内发生，斜裂缝的水平夹角减小，砖墙抗剪承载力得以充分地发挥和提高。抗震鉴定应强调综合抗震能力的评定，一是要区分整体影响因素和局部影响因素是

18、对抗震措施和抗震承载力进行综合分析。多层砌体房屋的抗震鉴定主要从房屋高度和层数、墙体实际材料强度、结构体系的合理性、主要构件整体性连接构造的可靠性、局部易损构件自身及与主体结构连接的可靠性和抗震承载力验算要求等几个方面进行综合评定。结构整体性连接构造墙体布置墙体布置在平面内应闭合，无敞口墙􀂾纵横墙体的连接纵横墙连接处不应被烟道、通风道等竖向孔道削弱。纵横墙交接处应咬槎较好，当为马牙槎砌筑或有钢筋混凝土构造柱时，沿墙高每10皮砖（中型砌块每道水平灰缝）或500mm应有26拉结钢筋；空心砌块有钢筋混凝土芯柱时，芯柱在楼层上下应连通，且沿墙高每隔600mm应有4点焊钢筋网片与墙拉结

19、。构造柱或芯柱设置（表5.4.2-1）A类多层砌体房屋按乙类设防时，需检查构造柱设置一般情况下按本地区设防烈度查表，砌块类房屋按提高一度的要求查表横墙较少时，按增加一层的层数查表横墙较少、且为外走廊或单面走廊时，按增加二层的层数查表圈梁设置与构造现浇或装配整体式楼屋盖，可无圈梁；装配式楼屋盖，按表5.2.4-2要求检查；砌块类房屋要求砖拱楼屋盖要求圈梁构造 结合网上案例及现实专家的经验，提出几个常用的方法： 1. 钢筋混凝土销键法采用在墙体裂缝位置骑缝开凿竖向条带,在条带内配置钢筋,用高强无收缩灌浆料(带骨料)将条带灌实堵严, 与墙体形成整体,以达到恢复墙体裂缝截面受剪承载力和加强整体刚度为目

20、的一种裂缝修补方法。2. 预应力套箍加固法采用在墙角设置 角钢,通过对钢筋箍或钢板箍进行横向拉接建立预应力,再经抹压水泥砂浆方法形成横向围套,起到侧向约束作用,提高墙体受压和受剪承载力的一种加固方法 。 3. 预制板整体性能加固方法 本方法是 对预制板板缝间出现水平拉裂裂缝时进行整体性捆绑加固,以避免预制楼板单块塌落引起楼盖坍塌情况发生,同时加强其整体性。三、钢筋混凝土结构1钢筋混凝土震害破坏主要有：扭转破坏；薄弱层破坏；应力集中；防震缝处碰撞。俩部分振动不协调平面不规则：扭转效应破坏1.1结构层间屈服强度有明显的薄弱楼层 钢筋混凝土框架结构在整体设计上存在较大的不均匀性,使得这些结

21、构存在着层间屈服强度特别薄弱的楼层。在强烈地震作用下,结构的薄弱层率先屈服,弹塑性变形急剧发展,并形成弹塑性变形集中的现象。如1976年唐山大地震中,13层蒸吸塔框架,由于该结构楼层屈服强度分布不均匀,造成第6层和第11层的弹塑性变形集中,导致该结构6层以上全部倒塌。 1.2 柱端与节点的破坏较为突出 框架结构的构件震害一般是梁轻柱重,柱顶重于柱底,尤其是角柱和边柱易发生破坏。除剪跨比小的短柱易发生柱中剪切破坏外,一般柱是柱端的弯曲破坏,轻者发生水平或斜向断裂;重者混凝土压酥,主筋外露、压屈和箍筋崩脱。当节点核芯区无箍筋约束时,节点与柱端破坏合并加重。当柱侧有强度高的砌体填充墙紧密嵌砌时,柱顶

22、剪切破坏严重,破坏部位还可能转移至窗洞上下处,甚至出现短柱的剪切破坏。 1.3 砌体填充墙的破坏较为普遍 砌体填充墙刚度大而变形能力差,首先承受地震作用而遭受破坏,在8度和8度以上地震作用下,填充墙的裂缝明显加重,甚至部分倒塌,震害规律一般是上轻下重,空心砌体墙重于实心砌体墙,砌块墙重于砖墙。 防震缝处的破坏2 抗震结构设计 较合理的框架地震破坏机制,应该是节点基本不破坏,梁比柱屈服可能早发生、多发生,同一层中各柱两端的屈服历程越长越好,底层柱底的塑性铰宜最晚形成。即:框架的抗震设计应使梁、柱端的塑性铰出现尽可能分散,充分发挥整个结构的抗震能力。 2.1 抗震计算中的延性保证 从用楼层水平地震

23、剪力与层间位移关系来描述楼层破坏的全过程可反映出,在抗震设防的第二、三水准时,框架结构构件已进入弹塑性阶段,构件在保持一定承载力条件下主要以弹塑性变形来耗散地震能量,所以框架结构需有足够的变形能力才不致抗震失效。试验研究表明,“强节点”、“强柱弱梁、“强底层柱底”和“强剪弱弯”的框架结构有较大的内力重分布和能量消耗能力,极限层间位移大,抗震性能较好。 强梁弱柱型破坏综合大量实验研究成果,影响不同受力特征节点延性性质的主要综合因素有:相对作用剪力、相对配筋率、贯穿节点的梁柱纵筋的粘结情况。 2.2 构造措施上的延性保证 四川大地震实践证明,当建筑结构在大地震中要求保持足够的承载能力来吸收进入塑性

24、阶段而产生的巨大能量,因为此时的结构在震中进入到一个塑性阶段,容易产生变形。所以,根据这种特点和抗震的要求,多发地震的国家钢筋混凝土结构抗震设计均要求按延性框架结构进行设计,所以建筑结构的设计必须保证结构局部薄弱区的承载力与刚度,保证了建筑构造的整体性,延性的增加也就提高了变形能力,这样可以减少地震的破坏性,提高了建筑的抗震能力。 在结构布置上,按扩大了的柱端抗弯承载力进行设计,理论上可将柱屈服的可能性减少,保证“强柱弱梁”的设计原则。但因各种原因,如梁的实际抗弯承载力可能增大,高振型使柱中反弯点的转移等综合因素影响,要使柱中完全避免塑性铰是困难的,同时为实现“强剪弱弯”的要求,保证塑性铰区域

25、的局部延性,也必须通过一定的构造措施来保证结构的延性,具体做法如下: 2.2.1 限制轴压比与纵筋最大配筋率合理的受力过程可明显提高构件延性,为实现受拉钢筋的屈服先与受压区混凝土压碎的破坏形态,以提高塑性铰区域的转动能力,规范限制轴压比与纵筋最大配筋率,同时对混凝土受压区高度也提出相应要求。 2.2.2 限制约束配筋和配筋形式。加密塑性铰区内的箍筋间距是很重要的一点,为保证“强节点”、“强柱弱梁”、“强底层柱底”和“强剪弱弯”的设计原则及塑性铰区域的局部延性,有必要加密塑性铰区内的箍筋间距,这不但可提高柱端抗剪能力,还可约束核心区内混凝土,对纵向钢筋提供侧向支承,防止大变形下纵筋压曲,从而改善

26、塑性铰区域的局部延性。 2.2.3 限制材料。拒绝豆腐渣工程的第一关就是把握好材料质量,材料延性对确保构件(结构)延性极为重要。钢筋混凝土框架结构是我国大量存在的建筑结构形式之一,历年震害资料表明:钢筋混凝土架结构的柱端与节点的破坏较为严重,其抗震设计中必须满足“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点”、“强底层柱底”等延性设计原则和有关规定。在多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计的实践中,由于设计人员对规范的理解和掌握尺度上,以及因地因人在结构选型、布置以及计算方法上相互差异较多而对设计产生较多的争议,抗震设计方法值得深入研究。四.钢结构1.两种罕见的破坏现象即，钢柱脆断和多层钢结构房屋中间楼层整层

27、被震塌现象，这是令人一时不解和意想不到的钢结构罕见破坏现象。1) 钢柱的脆断发生在芦屋市海滨城高层住宅小区的厚板箱形钢柱的脆断，和神户市JR三之宫车站的圆钢管桂脆断，是阪神钢结构震害中最为实出而又罕见的构件脆断代表实例(见图2-2)图2-2 钢柱截面脆断实例(a)厚50mm的500mm×500mm箱形柱脆断(中间为硬币，以示断缝大小)；(b)厚壁圆钢管柱的脆断这在日本也是从来没见到过的。这种脆性破断，如果没有很大的外部拉力作用，是很难想象会出现这样断裂的，这种破坏显然不属于正常设计和施工问题，至多有所牵连。以芦屋市海滨城高层住宅钢柱的破断为例，小区高层住宅是1975年至1979年期间

28、建成的。为柱、梁、斜撑等构件组成的巨型钢框架结构。该区为人工填土层，住宅基础采用了钢管桩支承处理。柱子为壁厚50mm的500mm×500mm箱形断面，材料为SM50。设计和加工是比较精心的，不会存在较大问题。然而，此次地震中，使整个占地20万的海滨城小区共计5l栋高层住宅中，经统计一共出现有53根柱子被震断的现象。有焊缝处破断的，也有母材上破断的。芦屋市海滨城小区高层住宅鸟瞰图见图2-3。图2-4 小区住宅框架结构的基本形式（住户；x桁梁方向；y开间方向）图2-3 芦屋市海滨城小区高层住宅鸟瞰图按巨型框架结构设计考虑(见图2-4) ，则该基本框架结构第7层和第12层(包括推及17层、

29、22层)是起巨型梁作用的，其第6层、第11层的柱子，就相当于框架柱的柱头，第l层和第8层柱子相当于柱脚，地震时在这些较弱的柱头柱脚层破坏是可以理解的。然而异常的是，如第4层也发生了总计有12根柱子在焊接部位(包括热影响区)脆断(见图2-5)，这就使人难以解答了，除非焊接有缺陷，否则难以解释，那么究意问题何在呢?图2-5 某栋住宅柱子的脆断（见缺线部位）例示图2-6 支撑杆件的被切断(a)框架柱； (b)支撑的破坏； (c)梁上翼缘开裂现在，我们先从层数方面来看，小区计有l 4层、19层、24层、29层等4种住宅形式。但破坏现象以19层和24层住宅居多，14层的住宅总共只有6处出现裂缝，且较轻微

30、，而所有29层的超高层钢结构房屋，则一根未损。图2-6中所示出的某栋住宅破坏的柱子是：第4层有5根，第l层有1根(见虚线部位)。据了解，当初设计时是考虑地震中的框架，是由支撑梁柱顺序屈服的，而且即使是柱子屈服，也应该是第6层或第l层先屈服。不料此次地震中杆件破坏的情况却恰好相反，不但未出现屈服现象，却突然出现被拉断破坏；同时，支撑和粱的破坏是由柱子先破坏引起的，破坏的梁仅有16处，支撑则仅有6处，远远少于柱子的破坏的5l处数量。(且都发生在第6层以下)，整个破坏顺序被颠倒过来了。当然，在此次地震力作用下，柱、梁和支撑都是满负荷作用的，也无所谓破坏顺序的先后了。但它却可以给我们的分析提供启示。我

31、们可以从图2-6中进一步看到，被震裂的支撑，其腹板和下翼缘有明显的开裂和屈曲现象，紧邻的柱子有一通裂缝，下面梁的上翼缘也出现了裂缝，这种破坏现象：很可能就是柱子被上拨拉断后引起的，当然梁的裂缝与焊接固索也有关；这一破坏现象，留下的各杆件破坏程度和可依循的破坏顺序痕迹，是表露得甚为明显的。在上述柱子破坏的情况下，整个框架结构的梁和支撑，仍能继续发挥一定抗震作用。据日本技术人员按图2-6结构破坏形式，通过计算机分析表明，此时的结构还能抗御5度(相当代国地震表裂度8度)的余震。因此，破坏的主导因素看来可以从竖向地震力、材料、焊接等方面来综合考虑。从常识上讲，柱子受压是长期的，破断显然是由瞬间强大的拉

32、力引起的。因此，如按薄壁型钢受压试验得来的设计柱子方法，应用到厚板受拉柱子上去，就应当慎重对待。如从地震力方面来考虑，通过粗略估算，表明柱子系拉断破坏大体是符合的。根据芦屋市火车站附近大阪煤气站设置的地震仪地震中留下的记录可知，该地地震当时的水平最大加速度值是792Gal，即以此792。水平加速度作用于芦屋市海滨城的小区框架结构上，在扣除建筑物自重等因素后，柱子地震中产生的拉力约达+50MN；而按500×500×50(mm)方管柱子断面乘以材料SM50的抗拉强度，柱子的抗拉破断能力约为+45NM，显然原设计主要承受轴压力的柱子，其抗震拉力大大小于地震力。如再考虑加上场地回填

33、土加速度的增幅作用，以及地震作用力可能比设定值还大等因素，框架结构中某些薄弱环节的柱子，发生断裂的可能性无疑是必然的了。这仅仅是大致推断。由于柱子是拉断的，震后的加固处理就较为简单了，在保证柱子原有抗压承载能力条件下，只考虑加加劲板处理就可以了。这既是应急措施，也可以作为永久性的加固依据，因为象此种千年间才能遇到的罕遇地震，起码在上百年内是不会再出现的了。该小区就是以此法进行加固，只是受到使用上的影响，仅考虑在柱子的两个面上进行加固。2.多层钢结构房屋中间楼层的坍塌多层房屋结构出现的中间搂层整层坍塌，是阪神地震中建筑震害中十分重要的一个特征，在钢结构方面有下述两种破坏状态：一种是，采用冷弯方钢

34、管作箱形柱子的45层钢结构房屋，地震作用后中间层整层不见了。本来在一般地震水平力作用下多层房屋结构的破坏往往发生在首层，而此次地震中有不少结构除了首层破坏的特别多外；而凡是中间层破坏的，首层却奇迹般地存在下来，此时破坏的是第2层以上的某层被整层震毁。图2-7是一座4层钢结构房屋。地震中把整个第3层推毁了的情况。在图2-8，还示出了第3层柱子焊接破坏的细部，此处很明显表现出柱子焊接没有采用熔透焊，这是该柱子破坏因设计或是固施工未有采用正确焊接连接的一个结果。图2-8 柱子对接未作熔透焊图2-7 中间层被推毁了的钢结构房屋另一种是，采用工型钢做柱子的4层钢结构房屋，第l层和第2层沿弱轴方向倒塌了，

35、只保留下了第3层。而第4层却整层不翼而飞了(见图2-9)。为什么会出现整层中间层被推毁的现象呢?这是一个令人纳闷而又至今还未能找到贴切理论解答的问题。这种破坏现象。尤其在钢筋砼结构中出现不少，究其因，除与本次地震的作用特性有关外。目前只能从结构设计与施工角度作些笼统分析：如，建筑物的平面形状(条形建筑长向地震反应要比短向大)；结构高度方面的竖向刚度(柱断面层高)和水平刚度(柱断面惯性矩层高)不均匀变化，一般越往上柱子断面越细；设计地震力的估算不足(被推毁的某层有可能就因所估算的地震力比新规范规定的小)；抗震墙设偏了，地震时引起了结构受扭，或因某层突然未设抗震墙，导致刚性突变；地震中的P效应增大

36、(如框架侧移的增大)；中间层某层结构自振周期与场地土周期(往往在1秒以下)一致而引起共振；旧抗震规范中没有考虑梁先于柱屈服；采用的钢材强度低(如原先的SS4l钢比SM50钢的抗拉强度低)；焊接设计不合理、施工质量不良等等，因素是多方面的,问题是复杂的，需要进一步更深入研究。图2-10 梁柱节点设计不合理引起的破坏图2-9 仅中间层被保留下来(a)保留了第3层； (b)第3层底脚损坏的细部3.另外几种破坏形式1） 设计不合理引起的破坏此次地震中明显发现因设计不合理的破坏现象，莫过于节点设计的错误所引起的破坏了。如采用工型钢作柱子时，型钢断面本有强弱轴之分，沿腹板方向一般是强轴，沿翼缘方向则是弱轴

37、，当梁与柱子强轴方向连接时，一般应在柱子与梁上下翼缘相交部位内侧相应处设置加劲板，以改善传力性能。然而，由于有的柱子在该部位未能设置加劲板，或设置了却位置不当，或是高了或低了，结果引起了节点的明显破坏(见图2-10)。图2-10显示了地震中的梁柱节点分离，及柱翼缘被切断的情况，柱子内的加劲板没有与梁的上下翼缘同高；同时梁端采用的是角焊缝，没有采用熔透焊。合理做法见图2-11。图2-11 加劲板的合理位置1强轴上的梁；2弱轴上的梁；3I型钢柱；4加劲板2）施工中焊接不良引起的破坏根据以往地震经验，焊接质量不良往往是发生建筑震害的一个重要因素。阪神地震中受损的钢结构，也大多与焊接因素有关：未采用熔

38、透焊有些本应采用剖口焊的焊缝却做成了角焊缝，且角焊缝又未能将母材熔化，以致成了贴角的表皮焊，这导致地震中不少焊接件因此被轻易拉开造成了破坏。图2-12就是这样一个实例。在图2-12(b)中还能看出采用错误的角焊缝导致I型母材被拔出的痕迹。图2-12(c)则剖示了剖口焊、正确(见号)与错误(见×号)的角焊缝的特点。图2-13 点焊热影响造成的裂缝破坏图2-12 不良焊接连接的破坏(a)梁柱连接未作剖口焊的破坏；(b)角焊缝使连接的梁在地震中被拔出的痕迹；(c)剖口焊与正误角焊缝点焊热影响引起的破坏点焊往往是钢结构拼装中焊接临时固定的措施，可是它又是焊件在外力作用下破坏的导火线。后者往往

39、为人们所忽视。点焊这本来是一向被认为是加工焊接中很自然的事，然而，它却隐藏着焊接破坏的肇事因素。图2-13示出了因点焊热影响成为震害祸根的一个例子。在图的左部破裂处有一些拉伸痕迹，表明了廷性的存在；而右部则是干净利索地被切断了，这正是左侧点焊成了该裂缝引起破坏的起点，延向右侧造成了脆性破坏。这种破坏形态与一般钢材拉伸破坏相似。点焊不论在哪一部位出现，由于点焊后的急速冷却，都会使金属材料引起变化，其热影响区很容易在外力作用下产生裂缝。钢材本是一种延性材料，但一旦局部存在这一弱点，就极易在钢材优点还没有来得及发挥前就发生破坏。由此，可以联想到前面提及的芦屋滨高层住宅钢柱的脆性破断问题。因为柱子制作

40、成方管状前，当是采用形沿纵向施焊焊接的，这时内侧焊缝需全长加垫板，而垫板每隔一定距离必然(也很自然)要施点焊固定，以待冷却后再进行全长施焊。而该项工程一般是会安排高水平技术焊工去焊接的，焊接质量本身是会有保证的，问题可能就出在这个点焊上。当然芦屋滨柱子的脆性破坏因素，前面已作了某些分析，而且还有其他因素可以考虑，但点焊热影响引起破坏这一危险性，值得引起重视。迟焊引起的破坏施工中往往会遇到临时拼装焊接后，隔了一夜后第二天再继续焊接的过程，此时又往往易导致头天焊接部位的开裂，所谓迟焊破坏就是这一过程发生的现象。而且这种裂纹，在不受外力作用下自身仍有发展的可能。产生迟焊的原因还不清楚，一般认为是氢离

41、子作怪结果，但至今理论上还得不到充分的释疑。图2-14示出的就是迟焊部位在地震中破坏的实例，其断裂面要比点焊后果更为严重。其原因电可能与锈蚀有关。焊接中垫板不全的破坏图2-15是一座多层公寓倒塌后，发现方钢管柱破坏后内部垫板脱开的现象，它表明柱子对接也未采用剖口焊(因无此痕迹)。当是采用了角焊缝，那么就该在对接部位四周应有垫板，可却未见垫全，或许是施工漏放了。图2-15 被破坏的方管柱垫板不全图2-14 迟焊影响引起的破坏现象3）锈蚀造成的破坏此次震害中还发现，1955年前后建成的轻型钢结构大部分都受到了损环，其因大多是腐蚀引起的。腐蚀先是出现在孔洞周边而逐年逐渐扩展开来，并相互间串通起来，从

42、而遂渐降低了结构的承载力。而且，此批结构的外面还覆盖了一层钢筋水泥砂浆保护层，这反而造成了通风不良，使构件经常处于潮湿状态，加重了腐蚀的扩展，特别是焊接部位存在有残余应力时，更成为锈蚀的一个起点。4）大跨度空间钢结构出现的震害大跨度的空间钢结构如体育馆等场馆建筑物，阪神地震中造成的破坏并不多，也较轻微，以致于还成了灾民临时疏散避难用的一个安全场所，显示了空间钢结构体系的优越性。本来由大跨度构成的屋盖对竖向地震是较为敏感的，而此次出现的震害却多表现在支座连接处，以及某些超力杆件的屈曲等方面，空间结构本身却损伤不大。此次出现的震害严重事例，要数阪神赛马场看台楼的大跨度钢屋盖较为典型。阪神赛马场的7

43、层看台楼建筑，是1991年11月翻建后投入使用的，其屋盖是由大型钢管桁拱组成的，是一座大跨度空间建筑结构体系，平面呈等腰三角形，东西向对称，北向底边为看台(长约230m)，南顶角切成敞开式大门入口(见图2-16)，布局新颖，三角形南北向的顶底距约100m，建筑面积I5万，用钢量约3000t，屋面采用了0.8mm厚特氟隆膜材遮阳透光。整个屋盖座落在三角形周边的25个支座上，其中一边直接座落在看台楼顶上；另一边则分别座落在三角形平面东西两侧周边的支座上，而此处支座是通过半圆球的节点伸出5根钢管用以支撑屋盖的；在大门两侧的主拱脚底座，则是通过焊接法兰盘与支座底板螺栓相连接。此次地震主要就出现在这些支

44、座部位。图2-17阪神赛马场看台楼震后现象图2-16 竣工时的阪神赛马场 (a)航摄的南大门与全景；(b)内部空间下面是阪神赛马场在阪神地震中出现的几种值得研究的罕见震害现象：（1）地震中整个支承屋盖的全部支座螺栓被切断了。屋盖整体逆时针转动位移平均约20cm，但屋盖本身整体性完好，没有发生大的变形，只是内部支承屋盖的支柱出现了倾斜现象(图2-18)。图2-19 支撑杆件脱落(a)西侧支座处；(b)东侧支座处图2-18 阪神赛马场看台楼震后现象（上）南侧大门实景（东侧外沿呈波浪状，见右边）；（下）内部柱子倾斜（2）外周边支承桁架的杆件遭到破坏，但不是从根部被切断，而是从节点中被拔出，有的悬吊在

45、屋盖节点上，有的脱落在地(图2-19)，但奇怪的是球节点没有出现裂缝现象，仅出现留有螺杆的残迹。(3)中央大门两侧大拱底脚。东侧的支座，震后底板局部上拔，螺栓被剪断，显然，也是如果没有发生过很大拉力，是不会有此现象的又一例证；然而西侧拱脚底板却还完好。(4)7层钢结构看台本身没有破坏，外装预制面砖和玻璃也几乎未遭受损环，然而内饰面及电视等有关设施却遭受不同程度的损坏，顶棚翘曲了，内部这些震害又以第5层最为严重，其它各层却较轻。这一集中在第5层的内破坏，迄今亦还难以找出其破坏机理来。(5)防火用喷头，由于顶棚振动而引起飞落，并造成了严重水灾。而水灾引起的损失反而比该馆其他震害更为严重。(6)在外

46、部，与看台楼相邻的南门外汽车库楼房，底层倒塌了，车库与看台楼相连接的桁架连廊也倒塌了(可参见图阪神赛马场看台楼震后现象上)。该建筑物整个震害仍在进一步详查和调研中，看来要想将重3000t的整个钢屋盖复位如初，则足一件十分困难的事情了。5）其他震害此外，还有钢结构外墙装修的脱落，基础螺栓被拔起，连廊脱离、房屋倾斜、轻型钢结构强度刚度不足而破坏等现象就不多介绍了。不过外墙装修的脱落比较普遍尽管有些不算严重，也是令人烦恼的。如果地震发生在白天还很容易伤人，因此，外墙装修脱落作为震害问题值得引起重视。目前一般外墙装修除采用玻璃幕墙外(此次地震中也有破碎现象)，往往采用水泥制品或钢丝网上抹水泥砂浆进行饰

47、面的，有许多饰面材料建筑做法，虽然防火和隔音性能好，但变形能力差。与钢材良好延性不匹配，再加上连接措施不良因而在地震发生时很容易产生脱落。2.1.3美国北岭地震中钢结构震害特征1994年1月17日发生在美国加州圣费南多谷地的北岭地震和正好一年后1995年1月17日发生在日本兵库县南部地区的阪神地震是两次陆域型强震，都导致了焊接钢框架粱-柱连接节点的广泛破坏。美国北岭地震中焊接钢框架节点的破坏，主要发生在梁的下翼缘，而且一般是由焊缝根部萌生的脆性破坏裂纹引起的。裂纹扩展的途径是多样的，由焊根进入母材或热影响区。一旦翼缘破坏，由螺栓或焊缝连接的剪力连接板往往被拉开，沿连接线由下向上扩展。最具潜在危

48、险的是由焊缝根部通过柱翼缘和腹板扩展的断裂裂缝。从破坏的程度看，可见裂缝约占2030，大量的是用超声波探伤等方法才能发现的不可见裂纹。裂纹在上翼缘和下翼缘之间出现的比例为l：5l：20，在焊缝和母材上出现的比例为l：l0l：100。一般认为，混凝土楼板的组合作用减小了上翼缘的破坏，也因为上翼缘焊缝根部不像下翼缘那样位于粱的最外侧，焊根中引起的应力较低，减小了上翼缘破坏的概率。美国北岭地震中主要的连接破坏形式如图2-20所示：由下翼缘焊缝根部开始出现的沿焊缝金属的边缘。破坏为最多(图2-20 a)，另有如图2-20 b所示沿柱翼缘表面附近裂开的剥离破坏，也有如图2-20 c所示沿腹板板切。角端开

49、始的粱翼缘断裂破坏，或从柱翼缘穿透柱腹板的断裂破坏(图2-20 d)。图2-20 北岭地震中的连接破坏形式 裂缝出现位置2.2美国北岭地震和日本阪神地震钢结构震害原因初析2.2.1柱子脆性破坏原因分析柱子产生明显的脆性受拉断裂是完全出人意料的，其原因仍有待研究分析，初步分析意见为：第一，竖向地震及倾覆力矩，使柱产生很人拉力；第二，断裂位于拼接焊缝附近，是由于焊接缺陷构成薄弱部位；第三，厚板焊接时过热使焊接点附近延性降低；第四，地震时为日本的严冬期，该钢柱位于室外，钢材温度低于零度。2.2.2柱脚破坏原因分析非埋入式柱脚包括外露式柱脚和外包式柱脚。阪神地震后外包式柱脚处的地脚螺栓脱开、混凝土破碎

50、、钢筋弯曲，这种破坏形式曾多次发生。有一幢ll层钢骨混凝土结构柱脚的4根地脚螺栓全部断开，柱脚水平移动25cm但建筑未倒塌。在北岭地震中，在柱脚的柱翼缘和底板焊趾处底板出现裂缝，锚栓失效。柱脚破坏的主要原因，可能是设计中未预料到地震时柱将产生相当大的拉力，以及地震开始时存在竖向震动。2.2.3节点破坏原因分析北岭地震后，美日两国学者就节点破坏原因，通过现场调查、室内试验和现场检验，进行了结构响应分析、有限元分析、断裂力学分析等，还作了很多补充试验，结余震前研究，对节点破坏原因提出了一些看法。认为节点破坏与加劲板、补强板腹板附加焊缝等的变动，并没有什么直接关系，也并不是仅由设计或施工不良所能说明

51、的，而是应从节点本身存在根本性缺陷方面去找原因。首先，从框架受力的角度出发，框架在侧向荷载和竖向荷载作用下，在节点处弯矩出现极值。即使节点与粱等强，也是节点先进入塑性。其次，在常用的工字形截而梁中，当处在弹性阶段时，通常翼缘承受全截面抗弯承载力的8085%，腹板承受全截面抗弯承载力的1520%，这对于通常翼缘采用焊接，腹扳采用摩擦型高强螺栓连接的粱柱节点来说，翼缘对接焊缝所能承受的弯矩也只能与翼缘等强。如果腹板连接不考虑这1520%的弯矩，则其连接的抗弯承载力就只有框架横梁抗弯承载力的8085%。如果再加上因高空施焊条件较差，焊缝存在某些缺陷以及焊接的残余应力等不利因素的影响，则其连接的抗弯承

52、载力很可能只有框架横粱抗弯承载力的70%到75%。这样在较大地震作用下，就必然使框架梁还没有进入塑性之前，节点先发生脆性破坏。这正是造成在美国北岭大地震中大量钢框架结构房屋粱端焊缝开裂的主要原因。在阪神地震中，凡是梁端与柱连接采用带悬臂粱段的全焊接连接的多高层钢结构房屋，虽然在连接处也发生了焊缝的开裂现象，但却在紧挨焊接处的框架粱上出现了明显的塑性变形。这也正是由于粱端翼缘和腹板全都是焊接，其连接的抗弯能力基本上等于或略低于梁的全截面抗弯能力的结果。节点发生脆性破坏有以下几方面因素，被认为是决定和影响节点性能而导致了脆性破坏。焊缝金属冲击韧性低 美国北岭地震前，焊缝多采用E70T-4或E70T

53、-7自屏蔽药芯焊条施焊，这种焊条提供的最小抗拉强度为480MPa恰对冲击韧性则无规定，试验室试件和从实际破坏的结构中取出的连接试件在室温下的试验表明，其冲击韧性往往只有l015J，这样低的冲击韧性使得连接很易产生脆性破坏，成为引发节点破坏的重要因素。在北岭地震后不久所作的大型验证性试验，对焊缝进行十分仔细的操作，做到了确保焊接质量，排除了焊接操作产生的影响。焊缝采用E70T-4型低韧性焊条，尽管焊接操作的质量很高，连接还是出现了早期破坏，从而证明了焊接缝金属冲击韧性低，是焊接破坏的因素之一。焊缝存在的缺陷 对破坏的连接所作调查表明，焊接质量往往很差，很多缺陷可以看出明显违背了规范规定的焊接质量

54、要求，不但焊接操作有问题，焊缝检查也有问题。很多缺陷说明，裂缝萌生在下翼缘焊缝中腹板的焊条通过孔附近，该处的下翼缘焊缝是中断的，使缺陷更为明显。该部位进行超声波检查也比较困难，因为粱腹板妨碍探头的设置。因此，主要的连接焊缝中由于施焊困难和探伤困难出现了质量极差的部位。上翼缘焊缝的施焊和探伤不存在粱腹板妨碍的问题，因此可以认为是上翼缘焊缝破坏较少的原因之一。坡口焊缝处的衬板和引弧板造成人工缝实际工程中，为了确保焊接质量，常在粱翼缘坡口焊时加衬扳。往往焊接后将焊接衬板留在原处，这种做法已经表明，对连接的破坏具有重要影响。在加州大学进行的试验表明，衬板与柱翼缘之间形成一条未熔化的垂直界面，相当于一条

55、人工缝，在粱翼缘的拉力作用下，在人工缝处产生应力集中，会使该裂缝扩大，引起脆性破坏如图2-21。其它人员的研究也得出相同结果。粱柱节点破坏发生在梁底翼缘处显著多于粱顶翼缘。1995年加州大学Popov等所作的试验，再现了节点的脆破坏，破裂的速度很高，事前并无延性表现，因此破坏是灾难性的。研究指出，受拉时切口部位应力最大，破坏是三轴应力引起的，表现为脆性破坏，外观无屈服。他们还通过有限元模拟计算，得出最大应力集中系数出现在粱翼缘焊接衬板连接处中部，破坏时裂缝将从应力集中系数最大的地方开始，这一结论已为试验所证实。研究表明大多数节点破坏都起源于下部衬板处。图2-21 人工缝梁翼缘坡口焊缝出现的超应

56、力北岭地震后对震前节点进行的分析表明，当梁发展到塑性弯矩时，梁下翼缘坡口焊缝处会出现超高应力。超应力的出现原素有：当螺栓连接的腹板不足以参加弯矩传递时，柱翼缘受弯导致梁翼缘中段存在着较大的集中应力；在供焊条通过的焊接工艺孔处，存着附加集中应力；据观察，有一大部分剪力实际是由翼缘焊缝传递，而不是象通常设计假设的那样由腹扳的连接传递。梁翼缘坡口焊缝的应力很高，很可能对节点破坏起了不利影响。Popov采用8节点块体单元有限元模拟分析发现，节点应力分布的最高应力点，是在梁的翼缘焊缝处和节点板域，节点板域的屈服从中心开始，然后向四周扩散。北岭地震以前进行的大量试验表明，当焊缝不出现裂纹时，节点受力情况也常常不能满足坡口焊缝近处梁翼缘母材不出现超应力的要求。日本利