2008汶川大地震中砌体结构震害分析

2008汶川大地震中砌体结构震害分析

砌体结构的抗震性能桩结构是一种历史悠久的结构。由于其良好的一些优点，它在土木工程中得到了广泛应用。根据我国的基本国情和砌体结构的一些优势(就地取材、施工方便、造价相对低廉和良好的耐久性、耐候性及耐火性等),砌体结构仍是近期或相当一段时期内被延用的一种结构形式。并且随着砌体材料工业的发展和科学研究的不断深入,砌体结构的使用范围在不断扩大,特别是在中小城市和新农村建设中,将被广泛采用,因此,研究砌体结构的抗震性能仍具有重要意义。根据地震部门提供的数据,2008年5月12日汶川地震基本参数如下:震级:M8.0;断层:龙门山断裂;断层类型:逆冲右旋走滑断层;断裂长度:主震185km,余震300km;震源深度:14km;烈度分布:6～11度。设在什邡八角台的强震站记录的地震加速度记录为:竖向632.9cm/s2;水平向东—西:548.9cm/s2,南—北585.7cm/s2。从这个数据可以看到震中区地面竖向加速度大于水平加速度。砌体结构房屋,由于砌体材料的脆性性质,抗剪、抗拉和抗弯的强度很低,使得这种房屋抗御地震灾害的能力较差。大量震害统计表明,未经抗震设防的多层砌体结构房屋,震害相当严重。本文主要通过汶川5.12大地震典型震害现象[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15],探寻砌体结构震害规律,感悟抗震理念,吸取本次震害教训,启示今后新建砌体结构房屋的抗震概念设计。1地震破坏(1)混凝土结构房屋的整体坍塌参见图1和图2,分为3种情况:底层先倒,上层随之倒塌;中、上层先倒,砸塌底层;上、下层同时散碎倒塌。(2)墙单元的破坏局部倒塌较多,常发生在以下部位:房屋墙角部位;纵横墙连接处;房屋平面凹凸变化处,在地震时产生较大的应力集中,造成局部倒塌;楼梯间墙体、房屋的变形缝处、钢筋混凝土预制楼板、房屋附属物倒塌。如图3～图6所示。(3)砌体墙的剪切破坏1)墙体交叉斜裂缝或出现贯穿的X形裂缝。墙体上的斜裂缝主要是由于水平地震剪力在墙体中引起的主拉应力超过墙体的抗拉强度所致。这种现象在纵墙,尤其是非承重纵墙上非常普遍,基本上每个楼层都有,多集中在门洞之间和窗下的纵墙。当这些墙体内有预埋的管线、线槽或接线盒时,由于截面的削弱导致震害更加严重。在少量的承重横墙上也发现这种X形的贯穿裂缝。这种裂缝和斜裂缝产生的原因基本相同,只是由于墙片的宽度较小、抗震能力较弱导致斜裂缝变成了X形裂缝。这种裂缝的宽度一般都超过1mm,相当一部分墙体出现砂浆震松、墙体压酥的情况,已经基本丧失了承载力。水平地震产生的图7中的窗间墙的单斜裂缝和交叉斜裂缝在以往地震中常常发生,但图8中的窗下墙的交叉斜裂缝却很少见。究其原因可能为在竖向地震作用下,窗下墙因为窗户断开,竖向刚度较窗间墙及其下墙的整体刚度小,故发生这样的剪切破坏。图9中的砌体墙发生了典型X形裂缝震害。2)墙体出现贯穿的斜裂缝。这种情况在一至三层的承重横墙上比较多见,部分纵墙上也有发现。对于底框的砌体结构,这种震害现象则集中在框架以上的一至三层,墙体开裂的范围大致在墙片宽度的1/3以上,裂缝宽度有大有小。这种裂缝一般属于主拉应力超过砌体强度所引起的剪切破坏现象,墙体开裂后出现滑移、碎落等现象,直至局部倒塌、压塌。如图10所示。3)水平裂缝。由于地震作用使墙体受弯受剪,或在地震作用下水平错动引起。这种震害现象一般出现在靠近楼屋盖的梁板附近的墙体上下两端,沿灰缝出现水平的通缝后引起滑移和错动,破坏加剧后导致预制楼板等的脱落。同时,在一些承重砖柱上也发现水平裂缝,裂缝基本贯穿,开裂部位多集中在柱端,严重时会导致砖柱在裂缝部位错位、墙体压酥,从而基本丧失承载力。这种裂缝是由墙体水平剪切破坏所引起的,地震时的竖向震动较大也是原因之一。图11为砖柱的水平贯穿裂缝。图12中的楼梯间的破坏在以往地震中很少见,一般来说楼梯间为现浇整体,怎么可能发生这样的破坏呢?分析原因:由于楼梯间的山墙较高,梯段构件侧向刚度较大,而且交叉布置,楼梯休息平台与楼梯错层,地震时最容易破坏。在横向地震作用下,楼梯板与休息平台板之间,水平力形成力偶,使梯段往复受拉,梯段受拉弯破坏,休息平台被剪坏;在纵向地震作用下,由于梯段的侧向刚度很大,地震力集中,作用于楼梯间山墙,导致山墙破坏,甚至倒塌。在调查中发现,大多数楼梯踏步板都在1/3～1/2的部位发生破坏,这是由于当地的施工习惯,把施工缝留在这个位置,有些钢筋还在这里进行搭接。这种不遵守规范的做法导致了楼梯板丧失整体性而断裂。4)纵横墙的脱开导致墙体失稳,引起平面外的倒塌。这种情况多见于空斗墙或半砖墙,外纵墙与横墙之间拉裂,导致外墙外倾失稳而倒塌,部分连带楼板等构件一起倒塌,这种情况在木屋架结构的顶层发生较多,如图13所示。在实心墙的结构中也发现了纵横墙脱开的情况,但一般未见墙体倒塌,这和施工时咬槎砌筑不到位,甚至直槎砌筑是密切相关的。5)墙体角部出现纵横方向的V形斜裂缝,严重时局部墙体塌陷。如图14所示。6)木屋架部分损坏较严重,上铺的瓦片大量震落,木屋架震松或震散,严重时会导致顶层的纵横墙脱开,墙体外倾,房屋墙体和楼屋盖同时倾折,房屋破坏,如图15所示。(4)结构体系的地震响应当底部框架砖房的上部采用较密的纵横砌体墙承重时,上部结构的抗剪刚度比底层的钢筋混凝土框架结构高很多,从而形成了“上刚下柔”的结构体系。震害表明,由于底层是薄弱层,是典型的“鸡腿式建筑”,强震时底层将率先屈服,出现较大的侧移而严重破坏,甚至倒塌。图16为底层砌体墙体出现严重开裂并破坏;图17为框架柱顶的形成塑性铰的典型破坏;图18、19为房屋整体倒塌破坏;图20中的建筑底部框架完全损毁倒塌,上部砖房落地。(5)圈梁、构造柱的做法虽然未经过正规的设计和施工,但只要设置圈梁和构造柱,砌体结构房屋也可以达到“小震不坏,中震可修,大震不倒”的设防要求。这些震而不倒的建筑如图21、图22所示。2结构体系的震害资震害经验可归纳如下:(1)钢筋混凝土圈梁、构造柱和现浇楼板是防止房屋倒塌的重要措施,未设置圈梁、构造柱的房屋震害比较严重,甚至出现了整体倒塌、局部倒塌。由此可见,设置圈梁和构造柱的必要性,并且构造柱截面要有足够的尺寸,否则地震时很容易破坏,丧失拉结、约束砖墙的功能。(2)和横墙承重结构相比,纵墙承重结构的震害严重,应尽量避免纵墙承重。横墙较少的空旷房屋震害严重,会议室、教室等大空间部位的承重纵墙,容易发生预制楼板等构件下落的危险。在住宅楼中预制板搭在外纵墙上,是常见的做法,但这不是好的支承方式。纵墙是砖混结构中的薄弱环节,它非常容易倒塌。唐山地震已有深刻的教训,这次汶川大地震中再次出现这种情况。为了设置教室、会议室等大空间,往往以混凝土大梁代替横墙,梁端搁在纵墙上。这种单摆浮搁的支承方式加上纵墙上常常震裂震散,很容易导致楼面坠落。震区一些学校教学楼一垮到底,恐怕与采用纵墙抬梁的结构体系有关。早在唐山地震中就有过这个教训,当时提出大梁应设混凝土柱支承的措施。与此相似,采用单柱内框架也要特别慎重从事,因为一条腿独立,解决不了两头垮的问题。(3)纵横墙拉结不好的砌体结构震害严重,要加强纵横墙拉结。除了圈梁对所有的墙体起拉结作用外,纵横墙交会处的拉结措施也非常重要。横墙应设马牙槎,即沿端部砌成凹凸形,伸入纵横墙内。还要设拉接钢筋,拉结钢筋宜每六皮砖一道,至少两根6mm钢筋,伸入砖缝长度不少于400mm。不设凹凸马牙槎,横墙根本拉不住纵墙,地震时纵墙将向外倒塌。横墙、柱子设置拉结筋伸入纵墙或山墙是有效连结方式。(4)平面或立面不规则的建筑物震害要重。当地有不少的L形的建筑,未设缝分开,且在结合部设置楼梯间,加剧了房屋的震害,这类建筑多被判定为需要立即拆除的危险房屋。(5)突出屋面的小楼(楼梯间、电梯间、水箱间、屋顶凉亭、塔楼)、女儿墙、阳台栏杆等处的震害严重甚至出现局部倒塌,花格窗、高门脸等外装饰出现掉落现象,这些是容易导致人员伤亡的潜在隐患,被判定需要立即局部拆除。(6)屋盖采用木屋架和瓦片,顶层结构的震害严重,屋架和墙体多为存在安全隐患的部位。(7)底框多层住宅震害明显。汶川地震中底框表现各有不同,取决于底层框架刚度降低是否在允许范围内;还取决于配筋是否合理,使底框有足够的抗剪承载力和位移能力。有些底框倒塌,使原先的二层变底层;但也有不少底框表现良好,经受住了地震的冲击。底层框架加强后,二层成为砖混结构的最下一层,变成相对薄弱环节,应适当加强,否则容易产生严重震害。3抗疲劳(1)家庭结构格局的设计1)建筑物的平面、立面宜规则、对称,防止局部有过大的突出或凹进。2)多层房屋承重墙布置,宜优先采用横墙承重方案,或纵横墙共同承重方案,不宜采用纵墙承重方案。3)纵横墙的布置宜均匀、对称,以便沿房屋主轴方向的地震作用能均匀地分配到各个墙段而不出现应力集中。4)楼梯间不宜在房屋的端部。5)在房屋内设置烟道、风道、垃圾道等附属设施时,不应削弱墙体;否则应采用加强措施。6)不宜采用无锚固措施的钢筋混凝土预制挑檐。(2)筋混凝土构件柱、圈梁、预制板楼板的拉接和固定砌体结构的抗震性能需要严格的构造措施和施工质量给予保证,包括合理设置钢筋混凝土构造柱和圈梁、预制板楼板的有效拉接和搁置长度和增加现浇层等。最好采用现浇楼盖,特别是应加强构造柱和承重墙的安全储备,否则这种结构形式极易在地震中发生严重破坏,尤其是单跨、大开间、外挑走廊、纵墙承重的教学楼。1构造柱圈梁的设置砌体结构的住宅和办公楼,只要小开间布置,纵、横墙布置较多,按规定设置构造柱圈梁,整体性和延性就较好,砌体被约束在钢筋混凝土框格内,减少因发生脆性破坏而倒塌。2楼屋盖形式中、小学校教学楼多为单边悬臂外廊,室尺寸为6(或7)m×9m,楼屋盖为预制花篮梁(纵墙承重)+预制空心板形式。学校建筑的基本特点为单跨、大开间、大窗口、悬挑走廊,这种结构的纵横向刚度不均匀,地震扭转效应明显,抗震的确很弱。3构造柱和圈梁的结构1966年邢台地震以后,提出了“基础深一点、墙体厚一点,屋顶轻一点”的概念;1976年唐山地震以后,创造了构造柱和圈梁的结构形式;1988年澜沧-耿马地震以后,修订89规范时,明确提出了“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三设防水准。本文震害部分图1～图13中的砖混结构在大震,或者稍微大于大震的地震作用下,出现了倒塌情况,表现为砖墙倒塌,空心板脱落、折断。墙体为什么会倒塌?就是因为圈梁和构造柱没有做好,整体性不强。4底层大空间的问题底部框架上部砖房这种建筑形式是为了解决底层或底层大空间的问题而产生的。上部墙体无法落地,形成了所谓“鸡腿”结构,上下刚度突变,对于抗震是十分不利的。在历次地震中多有破坏、甚至倒塌。5留缝宽度不足《抗震规范》规定“防震縫应根据抗震设防烈度、结构材料种类、结构类型、结构单元的高度和高差情况,留有足够的宽度,其两侧的上部结构应完全分开。这次地震中,由于房屋相互碰撞产生了巨大灰沙烟雾,有的因防震缝处碰撞导致一幢砖混结构局部倒塌,连远离震区的西安市,居然也出现了防震缝两侧建筑的碰撞。所以一方面留缝宽度要足够;另一方面有一些工程在施工中,浇捣混凝土后的防震缝两侧的模板没有拆除,等于没留防震缝。6砌体结构的要求楼梯间作为人员疏散通道,紧急情况发生时,大量人员集中在此,如果在地震时破坏,极有可能造成伤亡,也使救援工作无法进行。对于砌体结构,《抗震规范》第7.3.1条要求,楼、电梯间的四角,错层部位横墙与外纵墙交接处要设构造柱,这是非常重要的经验。另一方面,楼梯踏步板的刚度非常大,在地震中吸收的能量大,地震时将首当其冲。休息平台的错层极易引起墙体倒塌。4关于进一步提高共铸结构的抗疲劳性能的建议(1)构造柱加密与约束1)加密砌体房屋构造柱的设置间距,即将现有规范中构造柱设置要求提高1度设防,即6度提高到7度,7度提高到8度,8度提高到9度,9度是否提高待定。如前所述,设置构造柱和圈梁的多层砌体结构体系是我国唐山地震后在总结震害和试验研究的基础上提出的一种我国特有的抗震体系,这种体系能满足我国抗震设防的三水准要求。但其中6～8度的构造要求偏弱,比国外的约束砌体结构在适用范围或建筑层数的限制方面偏松。当发生较高烈度地震时破坏的涉及面是很大的,较弱的构造设防措施难以避免严重的破坏。构造柱加密以后,其对砌体的约束可显著减轻其破坏程度,较密的构造柱对部分开裂或失效的砌体起到一定程度分担竖向荷载的作用。2)在加密构造柱的同时,在外墙窗台标高及横墙半高处设置一道等于砖厚和墙厚的混凝土配筋带。试验表明这样能显著提高墙体的延性和结构的整体抗震能力,而在施工和用材方面对砌体建筑造价影响不大。江苏地方标准《约束砖砌体建筑技术规程》(DB32/113-95)就属于这种强约束砌体的例子,可供借鉴。3)提高无筋砌体结构墙体平面外的抗弯能力或出平面的整体稳定性。以往的建筑抗震主要侧重于承重墙体平面内的抗震性能要求,而忽略了平面外的抗弯能力或结构在大变形条件下的稳定性要求。例如对大开间的砌体房屋,弱约束的构造柱和圈梁,在大震时,墙体一旦发生大面积倒塌,构造柱并不能独立支承楼板传来的荷载。因此砌体结构用于大开间大窗户的教学楼时,应特别加强结构抗震设计及构造措施,或采用配筋砌体结构。提高墙体出平面抗弯能力可采用构造柱加密,而且构造柱在沿墙面的配筋应通过出平面的抗弯要求设置,并与楼板有可靠连接。对汶川地震中未倒塌的砌体结构分析可见,如果砌体结构设计得好,即使遭遇强震作用也能维持结构的整体性能,不发生非常严重的破坏和倒塌,这也验证了砌体结构的可靠连结构造措施是何等的重要。(2)建筑隔震建筑隔震和耗能减震是建筑结构减轻地震灾害的新途径。隔震体系通过延长结构的自振周期减少结构的水平地震作用,已被国外强震所证实。耗能减震体系通过耗能器增加结构阻尼来减小结构在风作用下的位移是公认的事实,对减小结构水平和竖向的地震反应也是有效的。隔震技术有多种方案,如橡胶支座隔震、摩擦滑移隔震、滚动隔震、支撑式摆动隔震和混合隔震等。目前研究和应用最多