汶川地震中砌体结构楼梯间震害分析

汶川地震中砌体结构楼梯间震害分析下主要震害有以下几个方面。〔2〕梯段板在施工中往往存在施工接缝，接缝08抗震学术交流会-专家提出的新观点-很震撼啊！2008-12-1914:41/forum/viewthread.php

第九界全国抗震鉴定加固学术交流会于2008年10月24日在福建厦门顺利举行。

这次抗震会议上，来了很多国内外知名专家，如上海交大刘希拉教授，同济大学吕西林教授、顾祥林教授，中国建筑科学研究院邸小坛总工等等，此外还有来自中国台湾和日本、德国等的专家。不少专家系统总结了汶川大地震的经验教训，并针对建筑抗震问题提出了相当多的新观点、新认识。感觉受益非浅，只不

过工作繁忙，到现在才有空总结一番。总结的不准确，可能有些断章取义。

这里就简单介绍自己感觉比拟有意思的几位专家的观点：

1、汶川地震的震害调查说明，结构的破坏特征和传统设计以及试验结果有明显不同。例如不少专家指出框架结构实际破坏状态并非“强柱弱梁”，绝大多数情况下，节点塑性铰并不出现在梁端；相反，大多数都出现在柱端！灾区的不少结构都是按新标准设计的，但实际破坏形态仍与设计原那么明显相悖！刘希拉教授指出出现这种情况与框架柱在强烈地震作用下的弯剪扭复杂应力状态有关；在强烈地震作用下，底层框架柱将承受极大的水平剪力，而剪切破坏又是一种脆性破坏，因此在柱端的破坏更为严重；而梁那么主要还是受弯状态，破坏不一定会先于柱发生。台湾新竹交大的一位教授就大胆指出，“强柱弱梁只是人们一厢情愿的想法罢了，在实际结构中不可能实现。”这个观点可能让大多数结构设计人员无法接受，我也很难接受，但实际震害情况胜于雄辩。

2、砌体结构破坏形态与试验室构件试验的结果相差很大。哈工大的一位老师就通过震害调查发现，实际砌体结构的墙体破坏以X型裂缝为主，而试验室砖墙剪切试验的破坏形态那么主要以灰缝的水平剪切裂缝为主。

实际结构的破坏形态与试验室结论相悖，再次对传统试验方法提出挑战！

3、冶金建筑设计研究院的已退休的研究员林志伸〔教授级高工〕提出的观点更为新颖而震撼！林教授首先指出传统的抗震设防烈度的制定存在不合理性，他从地质学成因角度开始分析，指出从统计角度对各地区的历史地震记录进行统计而得到烈度的概率分布不合理！因为，某一地区的潜在大震可能性并不一定在历史上出现过，而出现过大震的区域由于板块运动后能量已经释放，在未来相当一段时期内再积聚能量发生大震的可能性将非常小。他指出人类有地震烈度记录的历史不过5000多年，而一个地区地质条件的形成早已在千万年前，拿五千年的统计数据想要准确反映上千万年的地质变动，犹如沧海一粟！而地质学角度上看，烈度区划图时用到的两个根本假定并不科学(两个根本假定：a.某一地区在历史记录上发生过n度地震，那么以后还会发生n度地震；b.两个地区地质条件相似，那么这两个地区将发生相同烈度的地震。)。这对传统的抗震设防烈度根据统计回归得到的概率模型提出了挑战！

林教授还指出结构的抗震计算中输入地震作用的方向不合理性：我们在做地震计算时总是以某一方向作为主轴输入地震作用(x向、y向)，但实际地震地面振动观察记录说明，地震作用的方向并不存在固定的方向性，也就没有所谓的x向、y向所言！这个观点我赞同。我们知道力有三个要素：大小、方向、作用点；众所周知，地震作用具有明显的随机性，既然我们能够考虑到地震作用大小的随机性，为什么不能考虑到其作用方向也存在随机性？强烈地震下，地面的运动可能存在各个方向的平动分量，也存在平面内的扭转分量，而这些向量严格地讲都是与时间有关的随机过程。我的理解是地震作用不仅在大小上是个随机过程，其作用方向也是随机过程，实际上是个“随机矢量”。例如时程分析中输入地震波模拟地震作用，就要考虑其入射方向的随机性，用数学表示就是方向随机矢量{F(x,y,t)，n(x,y,t)}。

4、楼梯问题。震害说明，楼梯破坏严重，这里就不多说了。楼梯作为地震时逃生的主要手段〔大震时电梯肯定是不能用的〕，其抗震性应该引起重视。以前我们做设计都只考虑楼梯板、楼梯梁在竖向荷载下承载力，在结构模型中很少考虑楼梯在地震作用工况下的内力计算，其实犯了大错！在大震作用下就算结构能

够防止倒塌，但作为逃生主要通道的楼梯如果已早已严重破坏，那让人们往哪里跑？难到从十几层楼往下跳？我想08修订版抗震标准要求我们在结构计算和设计时“应考虑楼梯构件的影响”(3.6.6条)，用“应”而不用“宜”是有道理的！此外，楼梯在水平地震作用下有斜撑的受力状态，对结构的刚度影响较大；可能在结构分析中考虑了楼梯的斜撑受力作用后，结构的自振周期和振型就跟原先不考虑时会完全不同，这样所有计算结论都将改变！〔刚度增大-自振周期减小-地震作用加大〕。我觉得楼梯问题值得进行立项研究！我们原先不重视这个问题的后果是可怕的。

5、出屋面结构破坏严重；这与标准底部剪力法一节中的结论一致。

还有许多新观点，这里就不一一指出了。

这次会议上很多专家都对结构抗震问题大胆地提出了自己的观点，我感觉受益匪浅。感觉结构的抗震问题确实相当地艰巨和复杂啊，现行的抗震设计方法真得有很多值得改良的地方，这里恕我斗胆直言。

以上是我对这次抗震会议的一些理解，我尽量按照专家的意思理解，可能有些出入，望大家批评指正。

针对上述第4条，楼梯问题的计算分析——结果令我吃惊！

为了定量分析楼梯对结构的影响，我用以前做过的工程，利用Midas建了个模型，按建立楼梯和不建楼梯两种情况，分别进行了计算；另我吃惊的是，两者的结果差异惊人！这里把一些主要结果给大家，欢送大家讨论！

工程概况：

三层框架结构教学楼，现浇楼板。用Midas建模，使用梁单元建立柱、梁模型。

考虑楼梯对上部结构的作用：楼梯梁，楼梯柱按用梁单元建立，楼梯斜板和休息平台板用板单元建立。

未考虑楼梯作用，楼梯不建入模型，只将其恒载倒算到楼梯梁上。

楼面、屋面板按刚性板假定。

荷载按标准和实际结构输入。

未考虑楼梯作用时，结构自振周期：

模态号频率

频率

周期

(rad/sec)(cycle/sec)(sec)

18.7361

1.3904

0.7192

29.4640

1.5062

0.6639

311.7178

1.8650

0.5362

考虑楼梯作用时，结构自振周期：

模态号频率

频率

周期

(rad/sec)(cycle/sec)(sec)

19.5543

1.5206

0.6576

211.9258

1.8981

0.5269

313.9830

2.2255

0.4493

分析：

考虑楼梯作用后，结构刚度增大，自振周期减小，地震作用增大。由于楼梯板的斜撑作用，使得楼梯间的局部抗侧刚度增大，形成类似于电梯间剪力墙的局部刚度突变区；根据水平荷载按抗侧力构件间按刚度分配的特点，楼梯间水平刚度的突变，更容易在水平地震作用下更吸收更大地震作用。

振型方面：考虑楼梯影响后，结构的振型发生明显变化！第一阶振型变为扭转振型！从第二阶振型开始才出现平动振型！而原先不考虑楼梯时，第一阶振型为横向的平动振型。出现这种情况，我想与楼梯间的增加了结构的局部刚度有关！

休息平台和楼板在地震作用下，会发生相对错位〔即水平位移不相同〕，从而造成楼梯板的轴向拉压受力状态〔斜撑〕，而我们原先设计时就没有考虑楼梯板在地震作用工况下的内力组合〔甚至在计算机建模时候根本就没有建楼梯构件〕，这就容易造成楼梯板砼因受拉承载力缺乏而造成受拉破坏！这就是汶川地震中，为什么那么多楼梯板出现水平裂缝，甚至拉断的原因之一！楼梯间构件〔楼梯板、楼梯梁〕的在地震作用下的受力状态远远没有我们原先想象的那么简单！

此外通过有限元分析发现，在水平地震作用下，休息平台处的水平楼梯梁，在上下楼梯板之间的连接处出现较大变形和应力集中！由于楼梯板的斜撑状态，在地震作用下对休息平台处的水平楼梯梁产生的双向剪切，势必造成上下楼梯板交界处楼梯梁出现应力集中，从而导致此处楼梯梁发生脆性剪切破坏。此外，楼梯梁端部也是应力集中出现的区域，容易发生破坏。这就是为什么在汶川地震中，楼梯震害严重，经常出现楼梯梁的跨中和支座处断裂的原因之一。〔照片详见《2008年汶川地震建筑震害图片集》，中国建筑科学研究院编，p128～130页〕

主要结论：

考虑楼梯作用后：

1、结构的自振周期改变，振型改变；

2、在地震作用下楼梯间构件〔楼梯板、楼梯梁〕的受力状态改变，例如楼梯板由原先我们的“受弯构件”转为可能是“拉压、弯”复杂内力状态，甚至可能在受压的状态下发生平面外失稳；

3、水平地震作用在各层抗侧力构件间的分配改变。楼梯间局部刚度突变区可能将分配到更多的地震力，而楼梯间的设计又恰恰没有考虑到地震作用的工况组合！

感想：

也许我们设计时的“平安储藏”能够为楼梯间出现这种复杂情况提供一定的“富裕度”，所以不是所有的楼梯间在这次震害中都遭到致命破坏；但是，又有谁能保证这个“富裕度”在大震下就一定有保证呢。我们只有去