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房屋震害与分析讲座李力
汶川大地震房屋建筑震害与分析讲座提纲
李力(西南交大建工系)
本讲座以震害图片为主,共分四部分:
一、汶川大地震概况;二、砌体结构部分;三、钢筋混凝土结构部分;四、宗教建筑部分。
以下是讲座提纲。
一、汶川大地震概况
1、基本术语
地震:
地球内部缓慢积累的应力突然释放引起的地球表层的振动。
地震按成因可分为构造地震、火山地震和陷落地震,其中构造地震约占全球天然地震的90%,释放的能量约占地震总能量的99%。
据地震仪的记录统计,地震每年发生500万次(每天570次,每2.5秒一次),期中有感的5万次(每天6次),破坏性较大的7级以上的地震平均每年10次,而8级以上的特大地震每年1次。
地震区:
地震活动特点和地震地质条件都密切相关的地区,是地震区带划分的一级单元。
地震区可划分地震亚区和地震带。
台湾地震区,包括台湾省好临近海域,地处欧亚板块和太平洋板块之间,是中国地震活动最强烈的地区,仅1655年以来,就记录到8级地震2次、7~7.9级30多次、6~6.9级地震近200次。
地震带:
具有成因联系的地震密集的地带,是地震区之下的次级地震单元。
同一地震带往往受一组或一条活动的大断裂带或活动的断陷盆地带控制。
发生汶川大地震的龙门山地震带,受3条相互平行呈北东走向的活动断裂带控制。
地震断层:
地震时由于突然释放能量,地壳突然破裂所形成的断层,通常是沿已存在的处于“闭锁”状态的活动断层重新产生错动或破裂而形成。
断层的错动距离在极震区内最大,向两端逐渐减小。
例子:
北川-映秀地震断层。
震源:
地球内部地震的发源地,即地震波的波源。
通常认为天然震源是具有一定体积的空间。
对构造地震来说,它往往是地震断裂层发生破裂的区域,称为震源体积。
震源深度:
震源到地表的垂直距离。
浅源地震:
震源深度小于70km,占72.5%
中源地震:
震源深度70~300km,占23.5%
深源地震:
震源深度大于300km,占4%
对人类来说,浅源地震是破坏性最大并常常造成巨大灾难的地震。
震中:
指震源在地面上的垂直投影。
通常以经纬度表示。
通常说的震中一般都是根据仪器记录的地震数据所确定的微观震中(亦称仪器震中),宏观震中是指根据实地调查所确定的地震后破坏最严重的地区。
对于大地震,震中并非一个点,而是一个区域。
微观震中与宏观震中往往并不重合。
地震波:
由震源发出并在地球内部和表面传播,并使物质和质点发生往复运动的弹性波;是地震能量传播的一种方式。
按地震波的传播方向与振动方向的关系,可分为纵波(P波,周期短、振幅小、波速快200~1400m/s)和横波(S波,周期长、振幅大、波速慢100~800m/s)。
震级:
震级是描述地震强度大小的一种基本参数,常用里氏震级。
震级[4.5,6),中强震;震级不小于6级,强震;震级不小于8级,巨大地震。
地震能:
地震发生时岩石中释放出来的能量,它们绝大部分以机械能(岩石破裂和位移)和转化为热能的形式存在于震源区。
目前只能测量地震波的能量。
0级地震其弹性波总能量约为105J,8级的为6.3*1018J(相当于广岛原子弹1070颗)。
震级每差0.2级,能量差2倍;震级每差1级,能量差32倍;震级每差2级,能量差1000倍。
(地震)烈度:
指地震时地面受到的影响和破坏程度。
宏观上主要表现为地面破坏、建筑物破坏、人的感觉。
一个地震只有一个等级,但有多个烈度。
影响因素:
震级及震源参数、震源深度、离震中的距离、岩石性质和结构、地形、地基等。
2、汶川大地震
2008年5月12日14时28分,震惊世界的汶川大地震发生了。
震级8级、震源深度约14公里、北川-映秀断裂带形成长300公里、深30公里的大断裂、最大垂直和水平错距分别达5米和4.8米、都江堰—江油断裂带也破裂60多公里、四川盆地相对下降最大达600毫米。
震中位于北纬31.0º、东经103.4º的汶川映秀附近。
这次地震是建国以来最大规模的一次地震,给人民生命财产造成了巨大损失。
这次地震具有以下的一些特点:
(1)地震震级高,达到了8.0级;
(2)主震持续时间超过100秒,断裂带长达300公里,比唐山大地震的十几秒和十几公里要长出许多;
(3)由于地震断裂带处在山区,引发了大量的次生地质灾害,如大规模的山体滑坡、泥石流、堰塞湖等;
(4)由于山区的特点,地震致使交通中断,难于在短时间内修复,也很难就近绕道通行,给抗震救灾增加了巨大的困难;
(5)地震影响范围广,全国绝大部分地区都有震感,四川、陕西、甘肃、重庆等省市的众多地区受到了严重影响。
时钟虽凝固在14时28分,但止不住随后发生的灾难。
近9万人遇难或失踪,其中大多数是因房屋倒塌造成的,作为结构方面的从业人员,内心的感受难于言表,房屋的抗震性能再一次引起了人们的密切关注。
为什么不能有效抗震,除了地震烈度太高这一外因,房屋结构自身的问题——这个内因是我们专业人员必须调查研究的问题。
从地震的破坏区域和严重影响的区域来看,经济水平发展不平衡,有山区有平原、有村庄有城镇、有中小城市也有大城市,建筑结构形式多种多样,设计施工水平千差万别,形成了各种各样的震害现象。
我国的规范体系不仅具有相当的先进性,还特别适合国情,特别是1976年唐山大地震后,加快了对结构抗震的研究,其研究成果也反映在规范的条文中。
现场调查表明,满足规范的建筑震害较轻、甚至保持完好,也说明了从业人员应遵守规范的必要性和重要性。
灾难已经发生,重要的是要总结经验教训。
我们要记住:
比大地震更可怕的是设计、施工中缺乏抗震概念。
中国占世界22%的人口,以占世界7%的国土,承受了全球33%的大陆地震,是大陆强震最多的国家。
日本也是这样。
中日最大的区别在抗震意识上。
二、砌体结构震害与分析
砌体结构,尤其是预制板砖混结构,由于选材方便、施工容易、进度快、造价低廉等特点,多年来在我国已成为多层民用建筑中最广泛的一种结构体系,也是汶川大地震灾区和影响区最常见的。
调查表明,本次地震中,砖混结构的表现是各类结构体系中差异最大的,相当一部分毫发无损,几乎见不到地震的影响,可评定为“基本完好”的状态,也有一部分摇摇欲坠,甚至倒塌,造成了生命和财产的巨大损失。
大地震下的震害原因是多种多样的,仅结构方面而言,平面布置不合理、构造柱和圈梁不足甚至没有、对构造柱的作用认识不够、120厚半砖墙的使用等以及装修对结构的破坏是其主要原因。
抗震的概念对结构设计和施工、甚至装修都具有重要的意义。
我们的重要观点是地震作用下没有什么承重墙和非承重墙,所谓的“非承重墙”在抗震中也要起重要作用,对此要有充分和正确的认识。
我们还要批评重装修豪华、轻结构安全的问题,甚至不惜破坏结构进行装修的问题。
如果能将装修的预算分很小一部分给结构,其抗震性能将获得很大的改善,何乐而不为?
!
除一般砌体结构外,还有底框结构上部的砌体部分,也包含一些混杂结构的砌体部分。
灾区大量存在所谓的“混杂结构”,即在一个独立结构体系中,一个结构平面上存在钢筋混凝土框架和砌体共存的混乱状态。
一般在建筑功能分隔处、建筑的两端采用砌体墙、在需要大开间、大空间位置采用钢筋混凝土梁柱,楼板基本上是无整浇层的预制板。
“混杂结构”按其抗震能力可细分为
(1)最危险的教学楼体系,特点是横向进深为单跨,带悬臂走廊,两端为承重砌体墙、各教室的分隔为承重砌体墙,一个教室为两个及以上的开间组成,采用框架梁柱,无整浇层的预制板,即交叉采用砌体墙和框架梁柱。
此类结构震害严重,极易整体倒塌,且关系到广大师生员工的生命安全,应立即停止使用;
(2)分片采用采用砌体墙和框架梁柱,即在平面上一部分集中采用砌体承重墙、另一部分集中采用框架结构,端墙为承重砌体墙,整体倒塌的可能性较上一种情况小。
此类结构的存在是尽量采用造价较低的砌体、尽量避免造价相对较高的钢筋混凝土造成的,事实上此类结构不是任何设计规范、规程所定义的结构体系,也就是说是超规范设计的。
一般砖混结构房屋按墙体承重布置方案分为横墙承重方案、纵墙承重方案、纵横墙承重方案,这样的分类实际上是按竖向荷载(预制板)的传力路径进行的,并不适合水平地震作用。
即使是非承重墙,仅竖向荷载也要承受上一层的非承重墙的竖向荷载,只是数值上比承重墙小而已,对于底层的非承重墙,要承受整个楼高的墙体自重。
另外,若采用钢筋混凝土现浇楼盖,则墙体几乎都是承重墙,在四川地区,现已禁止使用预制板,因此没有必要再区分承重墙和非承重墙(除仅承受本层自重、后砌的局部隔墙外)。
在水平地震作用下,所谓的承重墙和非承重墙都要参与工作,共同抵抗,而且,非承重墙由于竖向压力较小,反而可能主拉应力更大,更容易开裂。
这一点震害现象可以证明:
非承重墙上的剪切斜裂缝与水平线的夹角接近45º,而承重墙的明显小于45º。
以窗下的窗台墙为例,一般认为它是非承重墙,装修中常常是被拆除的对象。
许多震害表明,窗台墙在地震作用下一般受鉴呈45º交叉斜裂缝,试想一下,若没有这部分墙,与它相邻的墙体震害就会加重。
总之,地震作用下都是承重墙。
构造柱和圈梁体系是在1976年唐山大地震以后建立起来的,它是砌体结构抗震的灵魂。
在地震作用下,仅仅依靠砂浆是无法保证砌块之间的粘结的,也就无法保证墙体的整体性,从而结构容易整体或局部倒塌。
设置构造柱和圈梁后,墙体被约束在其中各砌块形成整体,墙体的完整性得到保证,各片墙体在空间也是互相拉接的,共同抵御地震作用。
必须指出的是,设置构造柱和圈梁的主要目的并不是要提高砌体的强度,而是要保证墙体的整体性。
因此,构造柱的间距、位置、几何尺寸就应该有明确要求。
为了保证约束的有效性,构造柱的间距不应过大;为了保证墙体与墙体的整体性,在纵横墙相交处应设置构造柱;至于构造柱的截面尺寸,并不是越大越好,否则,过大的刚度会在地震作用下首先破坏。
设计中,当墙体抗震不满足要求就随意加大构造柱截面尺寸的方法是不可取的。
例如,德阳孝泉镇某六层砖混住宅,立面有通窗,纵墙很少,甚至不少的横墙是一字墙,在楼梯入口设置了两个大构造柱,结果,地震时,构造柱剪切破坏,少之又少的纵墙大范围交叉开裂,成为危房。
总之,构造柱的数量和位置比构造柱的截面尺寸更重要。
另外一个问题是结构之间的变形缝间距普遍太小,有些建筑和结构构造也不合理,施工时不少建筑垃圾如砖块等掉入其中,导致在地震中出现相互碰撞的情况,由于建筑物高度一般大,尚未产生严重后果,但表面破损严重,给使用人造成心里压力,影响震后的使用。
三、钢筋混凝土结构震害与分析
钢筋混凝土结构是灾区常见的结构形式,其中框架结构和底框结构尤为多见。
主体结构破坏的主要原因是梁柱节点箍筋不足甚至没有,节点抗剪能力差;箍筋弯钩长度过短,地震时锚固失效,丧失了对纵筋的支撑和对核心混凝土的约束;对填充墙的认识不足,如窗下墙使框架长柱变成短柱,发生剪切破坏,底层填充墙很少或没有,刚度太小形成薄弱层破坏、楼梯间构造不合理,规范也无明确的抗震设计天文,破坏严重;底框结构中抗震墙太少或无抗震墙,导致竖向刚度突变等产生震害。
还有一个问题是结构之间的变形缝间距普遍太小,且建筑和结构的构造不合理,导致在地震中出现相互碰撞的情况,由于建筑物高度不大,尚未产生严重后果,但表面破损严重,给使用人造成心里压力,影响震后的使用。
因此我们提出对填充墙不能简单考虑刚度折减而应参与整体计算的观点,我们提出楼梯间也应进行抗震设计的观点。
提醒注意的是,“底框”是“底部框架-抗震墙”的简称、而不是“底部框架”的简称,抗震墙的数量和位置是很重要的问题。
非结构构件的破坏主要是填充墙大范围破损,需大面积维修。
单纯从经济方面考虑,若装修的成本高,则如何在中震下避免填充墙大范围破坏是值得研究的问题。
窗台墙能使框架长柱形成脆性破坏的短柱,这是填充墙改变主体结构的受力状态的典型事例,填充墙对柱的约束效果不可忽视,这样的破坏在此次地震中较为多见。
对于框架结构住宅,由于底层框架柱先于梁破坏,柱上下端部出现塑性铰,但因塑性铰转动有限,或配箍率不足,出现底层框架柱柱端混凝土压溃现象,甚至整个底层框架柱压溃破断导致房屋倾倒。
震害表明,多层框架很难实现强柱弱梁。
对于住宅,由于内部填充墙较多,形成了抗震第二道防线,因此房屋整体倒塌现象较少。
框架结构商住楼,底部一、二层为商业铺面,以上为住宅。
由于底层商铺需要较大的空间,内部填充墙较少,无法形成抗震第二道防线,因此极易形成底层垮塌。
地震时楼梯是重要的逃生通道,然而汶川大地震震害表明楼梯的破坏相当严重,尤其是框架结构的。
在现行结构设计中,结构整体内力分析计算时对楼梯进行了简化处理,一般仅将楼梯处楼板开洞、将楼梯的竖向荷载传递到框架梁上,并未将楼梯的构件作为结构的一部分参与整体计算,而楼梯只孤立地进行构件计算和配筋,完全没有考虑地震作用。
楼梯的结构是直接或间接与主体结构相连的,例如对于框架结构房屋,楼梯事实上是主体框架结构的一部分,在地震作用下,斜向构件梯段板也要承受剪力,可以导致梯段板断裂;梯段板通常有半个层高,两个标高处的水平位移有差值,容易使梯段板拉裂;楼梯平台梁受扭可能性大;另外在框架结构楼梯由于存在休息平台,易形成短柱。
建筑和结构构造不合理是变形缝处产生震害的主要原因,施工时未将缝内建筑垃圾清理干净是产生震害的另一个原因。
变形缝震害对结构的损害虽然一般不是特别严重,但其表面现象给使用人造成心里压力,影响使用。
如郫县某框架结构的变形缝,左侧的梁上小平台与右侧的室外楼梯未见有间距,地震时碰撞破坏。
建筑上常见的是地面装修层如大理石地板直接跨过变形缝,地震时发生挤压破坏。
填充墙的破坏在框架、框架-剪力墙、甚至剪力墙等结构体系中很常见,即使主体结构完好也是如此。
填充墙的变形能力很小、强度很低,是其破坏的主要原因。
在装修豪华的建筑中,装修的成本远远高于结构的成本,而填充墙的破坏等同于装修的破坏,这样,即使主体结构不倒塌甚至不坏,经济损失也是很大的。
四、宗教建筑结构震害与分析
汶川大地震的灾区存有大量的历史文化遗产,其宗教建筑结构体系一般是木结构和石木结构,也新建了一批钢筋混凝土的仿木结构。
这些建筑一般位于山区,大体上,传统的木结构表现了良好的抗震性能,传统的石木结构也表现出了类似木结构的良好抗震性能,而钢筋混凝土框架仿木结构抗震性能较差;另外,海拔高的比海拔低的破坏严重,处于山顶的破坏严重,山脊上的旅游通道也损毁严重。
传统的木结构形式并不适合现代钢筋混凝土结构。
前者是柔性的,而后者是刚性的;前者构件、部件较复杂,后者在形式上照搬容易形成短柱等不利于抗震的情形。
用钢筋混凝土构件仅仅在外形上模仿木结构,而形成复杂的框架结构,是不可行的。
然而,若采用钢筋混凝土框架与木构架的合理组合,往往能够形成较好的抗震结构。
在森林保护日益重要的今天,应探索采用现代材料且具有优良抗震性能的结构来建造传统建筑。
大多数木结构震害较轻,得益于榫头的转动能力和柱与基础之间的滑动能力,是以柔克刚的典范,可以认为是现代减振隔震技术的鼻祖,而且,这样的损坏可以较容易进行矫正修复。
石木结构,其构造方式与穿斗式木构架类似,只不过将木柱换为石柱,但石才的脆性与木材有很大的不同,传统的石木结构对两者的结合是十分完美的。
传统的木结构、石木结构墙体本应为木镶板墙裙及竹编泥壁墙,屋面与墙壁轻而薄。
但目前有不少现代人添加的,刚性的砌体墙,影响了变形能力,震害加重,甚至使石柱折断、错位,难以修复。
有些近年修建的木结构的榫头转动能力不足导致构件开裂。
许多仿古建筑采用钢筋混凝土框架结构。
然而,为了形成木结构的穿斗构架,结果形成了复杂的结构形式,出现短梁短柱,对抗震极为不利。
此外,钢筋混凝土斜屋面的自重大,地震作用效应也大,往往底部柱子产生破坏。
因此,在高烈度地震区,应谨慎采用钢筋混凝土框架仿古结构。
以钢筋混凝土框架为主体结构,用木结构形成穿斗构架屋面结构,这种结构形式在此次地震中表现出了良好的抗震性能。
其震害主要为屋面覆瓦脱落。
由于屋面以及一些辅助构件为木结构,其仿古效果非常好,往往给人以全木结构的感觉。
轻盈的屋面大大降低了地震作用,而填充墙也可以采用隔热效果好的砖砌体。
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