从玉树震害反思建筑抗震设计_对建筑结构设计的反思
从玉树震害反思建筑抗震设计由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“对建筑结构设计的反思”。
从玉树地震震害反思建筑抗震设计
黎生南1 王再军2湖北 荆州 43402
3（1.长江大学城市建设学院； 2.长江大学基本建设处）
摘要：2010年4月14日7时49分发生在青海省玉树县Ms7.1级地震，为破坏性较大的浅震，当地有近90%的房屋在地震中倒塌了。残酷的现实让我们反思：为什么历史又再次重现，在玉树地震中还是看到唐山地震的老问题。本文以砌体结构、钢筋混凝土结构等建筑的震害为例，对照抗震概念设计的要求，进行检讨，希望能得到一些启示，供工程技术人员在进行结构抗震设计时参考。
关键词：地震；抗震防线；概念设计；砖混结构；框架结构；
1.引言
2010年4月14日7时49分发生在青海省玉树藏族自治州玉树县的地震，震级：M7.1，震中位于北纬33.2°，东经96.6°，震源深度：14km，为破坏性较大的浅震。地震类型：走滑型地震。据国土资源部4月22日发布的最新数据，玉树地震地表破裂断续分布约23公里，一条小溪被破裂错断，震中区域地面水平位移最大可达1.75米。震区地理复杂，属高海拔地区，地形以山地为主，平均海拔4493米。玉树地区抗震设防标准不高，房屋大部分是土木结构的房子，或者石块搭起来的房子，抗震性能较差，当地有近90%的房屋在地震中倒塌了。残酷的现实让我们反思：为什么类似于三十年前唐山大地震的震害又一次发生？其实，唐山地震后总结了不少关键性的经验教训，对相关的设计规范进行了修订。按理说设计中的大问题不应该再出现了，可是三十年过去，历史又再次重现，在玉树地震中还是看到唐山地震的老问题。看来认真研究震害特征，总结经验，思考《建筑抗震设计规范》(50011-2001)的规定与设计、施工中的问题，对于灾后恢复重建，建造更为耐震的建筑结构，修订抗震设计规范，具有重要意义。本文以砌体结构、钢筋混凝土结构等建筑的震害为例，对照抗震概念设计的要求，进行检讨，希望能得到一些启示，供工程技术人员在进行结构抗震设计时参考。
2.多道抗震防线
多道抗震防线是《建筑抗震设计规范》(50011-2001)[1]对结构抗震设计提出的一个非常重要的基本概念，对于在大震作用下结构抗倒塌具有重要意义。当结构受到超过设防烈度的所谓“大震”作用时，作为第一道防线的某些构件，如框、排架结构的柱间支撑或者柱子的翼墙、剪力墙结构的连梁等率先破坏，消耗了地震能量并改变了整体结构的动力特性，从而减低了地震力，保护了作为第二道防线的构件，如框、排架结构的柱子、剪力墙结构的墙体，它们的存在避免了结构倒塌。砌体结构中的构造柱、圈梁除作为砌体的约束构件以提高墙体延性之外，也可视为第二道防线，在“大震”作用下，砌体墙可能严重破坏，但是由于构造柱和圈梁的存在，结构不会倒塌。
一般说来，钢筋混凝土结构的抗震性能要优于砌体结构的，但2008年5月汶川地震中的某中学3层的框架结构教学楼的倒塌却出乎意料。图1(a)所示为教学主楼的一层倒塌情况。而图1(b)附近的4层、局部5层的砌体结构办公楼，尽管破坏非常严重，但是并没倒塌；为什么在强震作用下，性能比较好的钢筋混凝土结构反而不如抗震性能相对较差的砖混结构？其主要原因就是纯框架结构只有一道防线，在大震时，一旦这道防线被破坏，结构就丧失了全部的承载力而倒塌。而砌体结构住宅和办公楼，由于小开间布置，纵、横墙体较多，只要按规定设置构造柱和圈梁，结构整体性和延性较好，砌体裂缝被约束在钢筋混凝土框格内，不致发生脆性破坏而倒塌。
图1教学楼倒塌图2办公楼裂而不倒
3.结构整体性
我国历次大地震以后，都会总结出宝贵的经验。1966年邢台地震后，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。这是科学的经验总结，也是目前国际地震工程界普遍认同的一种抗震设计理念。现结合两种常见的结构形式的抗震设计进行论述。
3.1 砖混结构
3.1.1设置构造柱与圈梁的重要性
《抗震规范》（GB50011-2001）第3.5.5条第3款规定，装配式结构构件的连接，应能保证结构的整体性。因为砌体结构的墙体是用砂浆将松散的块体（砖、石材或砌块）砌筑起来的，材料本身是脆性材料，仅依靠两者之间的粘结力进行工作，从而使砌体结构的整体很差，如果没有较好的抗震构造措施，砌体结构是非常危险的。这种结构的墙体在地震中大都飞散、倒塌(图4)，剩下来还未倒塌的房子也破坏严重。我国规范从1976年唐山地震后一直强调采用圈梁和构造柱提高砖混结构的整体性，防止产生严重震害。只要严格按照规范要求设置构造柱和圈梁，完全可以达到抗震设防目标要求。但玉树地震中还是发现大量不设圈梁和构造柱的砖混建筑(图5、6)。规范同时还要求圈梁和构造柱应有足够的截面尺寸和配筋，否则地震时很容易震断，丧失拉结、约束砖墙的功能。抗震规范规定：构造柱与墙连接处应砌成马牙槎，并应沿墙高每隔500mm设2φ6拉结钢筋，每边伸入墙内不宜小于1m。构造柱与圈梁连接处，构造柱的纵筋应穿过圈梁的主筋，保证构造柱纵筋上下贯通[2]。施工时，应先砌墙后浇构造柱，以保证砌体结构的整体性。
图4土木房屋被震倒图5 无构造柱和圈梁图6 圈梁尺寸过小导致破坏
3.1.2加强纵横墙的拉结，避免纵墙承重
在砌体结构中，除了圈梁对所有墙体起拉结作用外，纵横墙交会处的拉结构造措施也非常重要。横墙应设马牙槎，即沿端部砌成凹凸形，伸入纵墙内。还要设置拉结钢筋，拉结钢筋宜每六皮砖一道，至少2φ6钢筋，伸入砖缝长度不少于400mm。如果不设凹凸马牙接槎，横墙根本拉不住纵墙，地震时纵墙向外倒塌(图7)。
规范还规定砌体结构应优先采用横墙承重或纵横墙
共同承重的结构体系。但在住宅楼中预制板搭在外纵墙
上，是非常常见的结构做法。砖混结构中纵横墙交接处
是抗震的一个薄弱环节，此处如没有设置构造柱应同时
咬槎砌筑。有时为了设置教室、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无横墙拉接或拉接较少，在地震 作用下很容易产生弯曲破坏，从而导致楼面梁或楼板坠图7纵横墙没有拉结而倒塌 落。因此《抗震规范》要求，对于教学楼、医院等横墙
较少的房屋，在大房间内外墙交接处和较大洞口两侧须设置构造柱，且纵墙承重时每层均应设置圈梁。
3.1.3加强楼梯间的抗震构造
楼梯间是住宅和学校建筑的出入口，也是地震时人群疏散的唯一通道。震害调查发现，由于设计和施工问题，造成楼梯间的倒塌破坏，直接伤人和堵塞疏散通道，阻碍人员逃生。楼梯间构件的布置和构造比较特殊，它的休息平台和主体结构楼、屋盖错层，而且楼梯踏步板刚度很大，在地震中吸收的能量大，破坏将首当其冲，楼梯间墙体很容易倒塌。但是，在抗震验算时却往往没有办法计算，因此抗震规范对楼梯间的抗震构造有严格的规定。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置构造柱；第7.3.8条要求，装配式楼梯段应与平台板的梁有可靠连接；突出屋面的楼、电梯间，构造柱应伸到顶部，并与顶部圈梁连接到等等。图8所示为一幢三层教学楼，由于楼梯间未按规范要求设置构造柱和圈梁，地震时墙体破坏导致楼梯间倒塌。
图8某三层教学楼图9施工缝留在楼梯板的三分之一处
图9是楼梯间踏步板的破坏。由于施工缝留在楼梯踏步板1/3~1/2的部位，有些钢筋还在这里进行搭接，从而引起破坏。按照规范，楼梯踏步是不允许留施工缝的。楼梯间作为人员疏散通道，地震发生时，大量人员集中于此，一旦破坏，极易造成人员伤亡，因此应严格按照施工规范进行。房屋楼梯设计和施工时有两个问题值得注意（特别是学校建筑）：1）要有位于室外的疏散楼梯，室外疏散楼梯跟主体结构的关系应松散，最好是独立的结构，有自
己的支撑体系，以便破坏时有第二个逃生通道[4]；2）楼梯间的设计要考虑踏步板的刚度和休息平台与楼板的错层。在抗震验算时应建立适当的力学模型，参与结构整体计算，在构造方面，应特别加强。构造柱应伸到顶部，并与顶部圈梁连接，内外墙交接处应沿墙高每隔500mm设2φ6拉结钢筋，且每边伸入墙内不应小于1m。装配式楼梯段应与平台板的梁可靠连接；不应采用墙中悬挑式踏步或踏步竖肋插入墙体的楼梯，不应采用无筋砖砌栏板。
3.2 钢筋混凝土结构框架结构
3.2.1慎用单跨框架
在我国地震区，中、小学教学楼建筑
多采用单边悬臂外廊钢筋混凝土框架结构
形式。单跨框架两根柱子一排梁，这种结
构形式用于教学楼可以两边通风采光，加
个悬挑外廊可以让孩子们进行户外活动，所以常见于中小学教室。但是这种结构形
式没有多道防线，柱子作为第一道防线且
为唯一的抗侧力构件[3]，一旦破坏，整个
结构马上倒塌（图10）。如果在外廊悬挑
端加设一柱子将单跨框架变为跨框架情况
就好一些。图10玉树某职业学校教学楼
3.2.2强柱弱梁
“强柱弱梁”是指控制对同一节点的梁柱的相对承载力，使其在地震作用下，柱端的实际抗弯承载力大于梁端的实际抗弯承载力，尽可能避免在框架柱上形成塑性铰。设计时柱端组合弯矩设计值应满足下式要求[1]：
MMccb
式中：Mc—— 框架节点上下柱端截面弯矩设计值之和；
Mb—— 框架节点左右梁端截面弯矩设计值之和；
c—— 柱端弯矩增大系数。
但在多次地震震害中看到的震害现象大多表现为“强梁弱柱”体系，破坏时，梁完好无损，而常在柱端产生柱铰而导致整个结构破坏。究其原因：一是为了造型的需要，业主和建筑师总是要求柱子截面越小越好（图11），钢筋可以多加，但柱截面尺寸没得商量，导致轴压比过大；二是在实际设计时，框架大多为现浇楼板梁柱体系，板梁一起整浇，楼板对梁究竟有多大的翼缘增强作用还难以确定。在计算梁端弯矩和配筋时，为考虑部分楼板作用，常将框架梁抗弯刚度乘以1.5~2.0的放大系数后，计算梁的配筋，再加上板的钢筋，使T形梁刚度加大，实际承载力大于梁端弯矩；一般情况下，框架柱即使按上式增大了柱端弯矩设计值，计算结果一般也只按构造配筋；规范只对抗震设防为9度且抗震等级为一级的构件才要求按照梁的实配钢筋反算柱端弯矩。对于抗震等级为二、三级的构件，实际的结构形成的是“强梁弱柱”体系。因此在地震中，钢筋混凝土框架结构大量出现的是柱铰机制而不是梁铰机制。图12所示为钢筋混凝土框架结构底层柱子底端破坏情况；图13
为框架柱柱顶出现塑
性铰，而梁与楼板共同工作，没有任何损坏，可是结构已接近倒塌。因此，抗震设计时有必要加大柱子断面和配筋，并把一定宽度楼板的配筋作为梁的配筋，从而适当减小梁的截面尺寸和配筋，真正做到“强柱弱梁”的抗震设计要求。
图11柱子截面尺寸过小图12 框架柱根部发生破坏图13 框架柱头压碎
4.结语
每一次地震震害都提醒我们，抗震设计不可掉以轻心。《建筑抗震设计规范》(50011-2001)关于抗震概念设计的规定，对于结构抗震性能具有重要意义。对于结构工程师来说，对抗震概念的准确把握要比会用软件要求高得多。结构应具有整体性和抗震设防多道防线，避免结构因个别构件的破坏导致整体破坏。应该不断总结经验教训，提高技术水平，不再重复过去的错误，这也许是我们从这次地震中所能得到的珍贵的财富。
参考文献
[1] 建筑抗震设计规范(GB50011-2001)[S] 北京 中国建筑工业出版社 2002
[2] 砌体结构设计规范(GB 50003-2001)[S] 北京 中国建筑工业出版社 2002
[3] 马成松 苏原 结构抗震设计[M] 北京 北京大学出版社 2006
[4] 王亚勇 汶川地震建筑震害启示——抗震概念设计[J] 建筑结构学报 2008 29（4）20-25
作者简介：
黎生南女（1967～），湖北荆州人，1989年毕业于江汉石油学院工业与民用建筑专业硕士讲师从事工程设计工作及工程结构教学工作。
联系方式：地址：湖北荆州长江大学城市建设学院
邮编：434023
电话： ***
