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钢筋混凝土框架结构房屋震害分析及抗震措施研究

时间:2015-06-17  作者:许凯明

摘要:通过对地震的震害进行统计,发现钢筋混凝土框架结构房屋的破坏所占比重较大。在简要归纳此类房屋的主要震害现象的基础上,分析其破坏机理,并从抗震措施方面提出加强钢筋混凝土结构的抗震性能的对策措施,作为改进钢筋混凝土结构房屋抗震设计和提高施工质量的参考。
论文关键词:钢筋混凝土框架结构,震害机理,抗震设计

钢筋混凝土框架结构房屋是指由钢筋混凝土纵梁、横梁和柱等构件所组成的承重体系的房屋,框架房屋具有平面布置灵活、可任意分割房间,容易满足生产工艺和使用要求。它既可以用于大空间的商场、工业生产车间、礼堂,也可用于住宅、办公楼、医院和学校建筑。因此,框架房屋在单层和多层工业与民用建筑中获得了广泛应用。

框架结构自身重量轻,能有效减小地震作用。如果设计合理,框架结构的抗震性能一般较好,能达到很好的延性,但同时由于侧向刚度较小,地震时水平变形较大,易造成非结构构件的破坏。结构较高时,过大的水平位移引起的P—△效应也较大,从而使结构的损伤更为严重[1-2]。因此,在设计时必须严格限制框架结构的最大适用高度。

1 震害特性

1.1框架梁、柱的震害

框架梁、柱的震害主要反映在梁柱节点处。柱的震害重于梁,柱顶震害重于柱底,角柱震害重于内柱,短柱震害重于一般柱,震害情况如下。

1.1.1框架柱上下端出现塑性铰

为了实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标,对于钢筋混凝土框架结构,要求采用“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件”的设计原则。然而地震中在框架梁基本完好的情况下,柱端出现塑性铰的情况非常普遍,如图1所示。地震灾区很多框架结构的垮塌源于柱端先于梁端破坏,发生一垮到底的现象。对此,不免产生这样的疑问:现行规范的设计方法能实现“强柱弱梁”吗?地震作用在板、梁、柱中的传递路径与设计时所采用的假定一致吗?因此,如何提高柱的承载力,如何考虑楼板对框架梁强度和刚度的贡献,以真正实现“强柱弱梁”值得商榷。

震害机理

图1框架柱上下端出现塑性铰

1.1.2柱顶周围有水平裂缝、斜裂缝或交叉裂缝。

重者混凝土压碎崩落,柱内箍筋拉断,纵筋压曲成灯笼状,如图2所示,上部梁、板倾斜。

震害机理

图2纵筋压曲成灯笼状

由于节点处的弯矩、剪力和轴力都比较大,柱的箍筋配置不足或锚固不好,在弯、剪、压共同作用下,使箍筋失效而导致出现此种震害。

1.1.3短柱破坏

当有错层、夹层或有半高的填充墙,或不适当地设置某些连系梁时,容易形成短柱(柱高与柱截面的边长之比小于4)。如:由于窗台墙体对柱子的约束作用,使柱子的有效长度减小了50%,成为短柱,如图3所示。

震害机理

图3 短柱剪切破坏

柱子较短时,剪跨比过小,刚度过大,柱中吸收的地震力也较大,容易导致柱子的脆性剪切破坏,形成交叉裂缝乃至脆断。因此,结构设计应尽量避免形成短柱。

1.1.4节点破坏

节点核心区产生对角方向的斜裂缝或交叉斜裂缝,如图4所示,混凝土剪碎剥落。节点内箍筋很少或无箍筋时,柱纵向钢筋压曲外鼓。节点破坏将导致梁柱失去相互之间的联系。节点破坏的主要原因是节点的受剪承载力不足,约束箍筋太少,梁筋锚固长度不够以及施工质量差所引起。

钢筋混凝土框架结构房屋震害分析及抗震措施研究

图4节点破坏

1.1.5角柱破坏

房屋不可避免地发生扭转,因此角柱所受承载力最大,同时角柱又有双向弯矩作用,而其约束又较其他柱小,所以震害重于内柱。

1.1.6框架梁产生斜裂缝

在地震作用下,部分框架梁有斜裂缝产生,受损严重的梁,裂缝贯通。

1.2填充墙的震害

填充墙能够增加框架结构的整体刚度,人们想利用其刚度来减小框架结构在水平力作用下的侧移。在水平地震作用下,填充墙与框架是共同作用的,由于填充墙早期刚度大,吸收了较大的地震作用,然而因墙体受剪承载力低,变形能力小,墙体与框架缺乏有效的拉结,在往复变形时墙体易发生剪切破坏和散落。所以在地震中,框架结构中填充墙的破坏非常普遍,即使在地震烈度较低的地区,也会出现部分建筑物的填充墙和梁柱界面上出现明显的裂缝。填充墙的破坏形态与填充墙的几何形状、填充墙所用的砌体材料、填充墙与主体结构的连接情况等因素有关填充墙自身严重破坏的情况有出平面破坏(图5a 和图5b)、出现明显的45度斜裂缝(图5c)和部分压碎或坍塌(图5d)。用空心砌块砌体作为框架结构填充墙时,填充墙的自身破坏相比于实心砖砌体更为严重,此时填充墙的破坏有助于耗散地震能量,结构刚度降低,减小地震反应,从而保护了主体框架。此外,由于填充墙布置不均匀、不对称,造成建筑物的质量中心和刚度中心不重合,地震作用下结构发生整体扭转变形,导致梁柱或填充墙发生破坏的情况在地震灾区也较为常见。

钢筋混凝土框架结构

a填充墙偏离框架平面 b填充墙出平面破坏 c填充墙剪切破坏 d填充墙局部压碎

图5 填充墙的破坏形态

填充墙与主体之间采用强连接,则其刚度参与整体工作不明确,对结构构件造成破坏;填充墙与主体之间采用弱连接,其自身稳定性则难以保证。地震中部分房屋建筑填充墙坍塌与人员逃生发生在同一时间,特别是作为逃生通道的楼梯间的填充墙倒塌,都造成了严重的人员伤亡,且修复费用高、难度大。综合考察其破坏情况,墙体与主体结构之间缺乏可靠连接,墙柱之间拉结钢筋数量不足甚至未布设拉结钢筋,填充墙自身稳定性未得到保证是重要原因。抗震设计规范2008年修改后已经新增了提高框架结构填充墙和维护结构安全性的内容,在今后的设计施工当中,轻质墙板是高层建筑、超高层建筑不错的选择。对于重要逃生通道的楼梯间过道的填充墙稳定性尤其值得重视,建议采用钢筋混凝土墙或配筋砌体。

从填充墙的破坏形态可以分析其在地震过程中所起的作用,有助于人们认识填充墙和框架结构相互作用的机理。在框架中合理地布置填充墙,结构设计时合理地考虑填充墙的影响,是确保框架结构获得良好的抗震性能的基本途径。

1.3结构布置不规则的震害

1.3.1扭转破坏

如果建筑物的平面布置不当而造成刚度中心和质量中心有较大的不重合,或者结构沿竖向刚度有过大的突然变化,则极易使结构在地震时产生严重破坏,这是由于过大的扭转反应或变形集中而引起的。

1.3.2薄弱层的破坏

钢筋混凝土框架结构

图6 软弱底层房屋倒塌

出于对建筑物使用功能的考虑,如上部为住宅、下部为商业用房或车库,相对上部其他层,底层填充墙较少,甚至于没有填充墙,导致层间侧移刚度相差较大,地震作用下建筑物的侧移集中在底层,使之成为薄弱层。这种由于竖向刚度不连续造成侧移集中在底层的情况,在地震中屡见不鲜。如图6所示。

1.3.3应力集中

结构竖向布置产生很大突变时,在突变处由于应力集中会产生严重震害。

1.3.4防震缝处破坏

两建筑物间防震缝宽度留设不足,在地震时发生相互碰撞而破坏。

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