钢筋混凝土结构两次震后震后的破坏

钢筋混凝土结构两次震后震后的破坏

1979年唐山地震和1978年川西南地震是中国近半世纪内最严重的两次地震。它的地震范围非常广泛，对建筑物的破坏也很少。由于地壳的板块运动,板块之间在其断裂处(工程地质学称其为断裂带)发生相互撞击并释放巨大的能量,压力波使地面建筑物呈“颠簸”状态运动;剪力波使地面建筑物呈“筛糠”状态运动,压力波使建筑结构体系同时承受重复的巨大的竖向拉力和压;剪力波使建筑结构体系同时承受两个方向巨大的重复剪力,而这两种结构体系的受力状态同时发生,建筑结构即在这种即“颠簸”又“筛糠”的状态下遭到破坏。以钢筋混凝土结构为例,在压力波的作用下,竖向构件产生碎性破坏,竖向构件与水平结构结合的节点处,混凝土碎裂并呈碎块状脱落,竖向主钢筋被拉压后呈灯笼骨驾状,是使建筑物标高降或坍塌,在剪力波的作用下,节点处的钢筋呈裸状被扭曲或剪断,是使建筑物整体位移或倾倒。建筑物的最终破坏原因是很复杂的,但主要系地震压力波和剪力波所为。其最终破坏的表现型式,多层建筑多为坍塌;高层建筑多为倾倒,显而易见,建筑物系纳不了地震力,即建筑物的整体刚度及其构件刚度不能抵抗地震力的状况下遭到破坏。依这两次地震的震灾情况调查看,震后已遭破坏的建筑物,尤其实高层建筑物均无修复重要的可能,故只得就地重建或异地新建,痛定思痛,如若能减小地震力对建筑物的破坏,并使其能修复重用,这便是人所期盼的。这也是对结构安全设计提出的一个重要课题。我国目前使用的高层建筑抗震设计规范,是以“抗震”概念为基本理论而编制并实施的系为保障结构体系和体系内各种构件的合适刚度,用以抵抗地震冲击荷载,这是一种“以硬碰硬”的做法,固然这对建筑结构抵抗地震力起到了至关重要的作用,但同时,国内外业界更注意到,避而另求其径,提出“以柔克刚”的设计概念,以减震为设计手段,以达到降低震害的目的,特别是对高层建筑尤为重要和适宜。笔者参阅了国内外近几年关于结构振动控制方面的有关文献,在此提出高层建筑减震设计之概念问题,以做探讨研究本命题的引玉之砖。一、被动控制理论结构的振动控制是研究在动力荷载的作用下,控制结构状态的反应的理论和方法,结构状态反应如速度、加速度、能量反应方面。它以研究结构的减振为目的,振动控制划分成主动控制和被动控制两种。主动控制是通过控制器向结构施加控制能量。被动控制是通过采用隔板吸能器等结构措施来减少结构的动力反应。主动控制可以对结构进行合理的控制,但它需要外界输入能量,故要求技术条件高,费用大,目前尚应用不多。虽然被动控制对控制结构的动力反应有一定的局限性,但它不需要外部提供能量,造价低,因此被大量地应用,并一直受到人们的重视。此外,还有人提出了以被动控制为主,主动控制为辅的混合控制,这可能是近期最有发展的理论。目前,国内对结构的振动控制理论研究高度重视,但应用研究尚需继续深化。根据我国的情况,在广大设计人员中推广结构被动控制的研究成果,特别是在高层建筑结构设计中提倡减震设计,实为必要。二、结构振动控制自70年代以来,我国在总结了唐山大地震的震害原因的基础上提出了结构抗震概念设计,也有人提出了如何减震的思路,但仍属初始阶段。以抗震设计的观点,利用主体结构自身的延性来消耗地震能量,显然,这是以主体结构的破坏为代价的。可见,抗震概念设计虽然能保证主体结构在大震的作用下不倒塌,却不能保证主体结构的不破坏。事实表明,震后主体结构的修复量往往很大,甚至难以修复。因此,笔者认为有必要从结构振动控制的角度建立高层建筑结构的减震概念设计。要点如下。(一)剩余结构的衰减冗余结构在正常需要的作用下不参与结构的安全。例如,在框架结构中可以设置冗余的短柱,利用短柱的特点保护主体结构。(二)吸收能源的调整位置吸能器可以使结构振动转移而达到控制结构振动的目的,它可以自身吸能来保护主体结构,它具有如下几个特点:1.吸收能器通常设置在节点或网络连接上。例如，梁端、抗疲劳等地2.吸收装置的非结构组件。只有非结构组件才能简单修复和更换，并且不会影响主结构3.吸收能器允许弹塑性变形。首先，吸能器进入非弹性状态，导致较大的衰减，导致大量的地震能量消耗，保护主体结构4.吸能器有多种类型的结构形状。例如，例如摩擦装置、粘度弹性衰减振动装置、支撑吸能器等5.能源装置材料：木材、钢纤维混凝土等(三)在框架结构中设置能耗材料其目的在于消耗地震能量,保护主体结构。例如:在框架结构中,在填充墙中,可以设置X型分布的耗能材料。在地震往复作用下,耗能材料将最大限度地发挥作用。(四)震动设计与结构在抗震结构的概念设计中,十分重视结构布置方案。从减震的角度看,结构的平面布置应力求简明,但适当的减震措施亦可使复杂的结构得以实现。此外,抗震概念设计不排斥抗震缝。利用抗震缝将结构划分成若干子结构,通过给每个子结构施加侧向约束,利用抗震缝中的吸能器消耗子结构的能量,从而形成了结构联合震动控制体系,吸能器为结构提供水平控制作用,往往可以大幅度地降低结构振幅。(五)采用合适的基本振动去除技术在上部结构和基础之间设置某些隔震装置,这些装置由各种隔震器组成,它们具有如下几个特点。1.隔震器通常与一台吸能器一起使用，这些吸能器可以改善供了较大的阻尼,具有较大的耗能能力,其材料可以选用钢梁、摩擦阻尼器、铅挤阻尼器等。2.隔震器使结构和基础表面的柔性滑动。为结构自振周期加大,远离场地的卓越周期,将地面的振动和建筑隔开。3.隔震器应满积积，满足一般使用要求，并在发生地震时将吸收能量装置输入吸能状态4.是否设置隔震器取决于建筑物的结构类型，对多层钢筋混凝土的结构影响较大，而对高层建筑的结构不太关心此外应对场地土的类型和地震波的特性有充分的了解才可以设置隔震装置。(六)质量吸能器减缓这种技术主要是通过增加结构质量,降低结构的自振频率,增大阻尼,从而较低结构的反应。例如:在结构的上部适当部位设置质量块(典型的如结构顶部的水箱间),由它产生的惯性来达到减震的目的。特别地,通过配置的阻尼器控制结构的某一振型。又如,摆式质量吸能器往往设置在结构的顶部,通过它的水平运动来橦击结构,恰当的结构设计,可以获得较为满意的减震效果。近年来,质量泵吸能器减震技术得到人们的重视,它利用细管中液体的往复流动所产生的惯性和粘性来消耗地震能量。质量泵由泵体、导管和底座发生相互动时,导管中的液体也发生相对运动,从而消耗了结构的振动能量,可以设想,利用给水系统可实现质量泵的功能,因为对质量泵而言,很少的液体便可能发挥较大的等效质量和等效阻尼的效果。根据经济条件采用适当的主动控制技术。例如:可以利用液压系统对结构施加控制作用或利用气体脉冲发生器对结构的顶部施加短时控制作用。然而,主动控制技术目前仍未得到广泛的应用,这里有技术问题,也有经济问题。三、与其他手段相结合的思路减震的概念系为结构体系及其各构件在地震荷载作用下少吸收地震力的概念,保障震后的建筑结构具有最大的可修复性和使用安全性,这不仅有很大的经济价值,对于保障人的生命及财产的安全具有很大的可能性。减震的概念系为“建筑抗震”的一种新思路,是降低震害的一种手段和方法,但笔者同时认为这并非是唯一的手段和方法,还需与其他成熟的抗震设计手段综合考虑,兼收并用,例如,建筑专业在方案设计阶段与结构专业同时协调考虑该建筑物的整体方案,如建筑物的平面几何形状,建筑物的高度及高厚比,建筑物质量重心的建筑平面几何中心的关系,顶部高耸构件及