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汶川地震框架柱震害的初步分析
汶川地震框架柱震害的初步分析
夏珊* 刘爱文
中国地震局地球物理研究所,北京100081
 [收稿日期]: 2008-08-25
摘要

按照框架结构抗震概念设计的要求,结构应具有多道抗震防线,其中一个原则是"强柱弱梁"。但是在汶川地震中,框架结构柱的破坏明显重于梁,柱端与节点的破坏较为突出,即所谓的"强梁弱柱"结构很普遍。在对地震破坏区实地考察的基础上,对框架结构梁柱节点处的破坏以及柱顶、柱脚和柱身的震害进行分类,分析了各种震害的原因,总结了框架结构中框架柱的破坏特点,从期为将来框架柱的抗震设计提供震害经验。


引言

2008年5月12日l4时28分四川省阿坝州汶川县(北纬31.0º,东经103.4º)发生了里氏8.0级地震,震中位于汶川县映秀镇。汶川大地震发生在青藏高原的东南边缘、川西龙门山的中心,位于汶川一茂汶大断裂带上;震源深度约10-20km,是一次以逆冲为主、兼少量右旋走滑分量的地震,断层向西北方向倾斜,走向为226º。这次地震是新中国成立以来,破坏性最强,涉及范围最大的一次地震,直接严重受灾地区达10万平方公里,对四川省汶川县、都江堰市、北川县、青川县、绵竹市、什邡市、彭州市及平武县等多个地区,以及陕西和甘肃部分地区村镇的建、构筑物及生命线工程等造成了不同程度的破坏。

在我国的历次大地震中,框架结构房屋的震害比多层砌体房屋要轻得多,但是,经过抗震设防的钢筋混凝土框架房屋也存在不少薄弱环节,在Ⅷ度和Ⅷ度以上的地震作用下有一定数量的这类房屋产生中等或严重破坏,极少数甚至发生倒塌(高小旺等,2002)。根据国内外的地震调查,框架柱的震害主要有以下几种类型:第一,梁柱节点的破坏,由于梁柱节点处、柱端处于弯矩、剪力和轴力复合作用之下,且三者均比较大,柱的箍筋配置不足或锚固不好,致使箍筋失效,混凝土开裂、剥落,纵筋压屈,这种震害现象在高烈度区较为普遍;第二,柱顶的震害,主要表现在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,纵筋压屈外凸呈灯笼状,上部梁、板倾斜;第三,柱底的破坏,柱底端的受力状态与柱顶相似,但由于其箍筋一般较密(处在柱的箍筋搭接接头加密箍筋段),故震害相对较轻;第四,柱身的破坏,主要是发生在地震剪力较大而柱的抗剪强度不足时,发生斜裂缝(王则毅等,1999)。

按照多层钢筋混凝土框架柱抗震概念设计的要求,结构应具有多道抗震防线,其中的一个原则是“强柱弱梁”。所谓“强柱弱梁”就是柱子不先于梁破坏,梁的破坏属于构件破坏,是局部性的,柱子破坏则危及整个结构的安全。由于“强梁弱柱”型框架结构的底层柱上下端出现塑性铰,将迅速导致结构的倒塌;反之,“强柱弱梁”型框架结构,在全部梁端出现塑性铰并迫使结构底部也出现屈服变形时,结构才会破坏。因此,“强柱弱梁”型结构至少存在两道抗震防线:一是从弹性到部分梁出现塑性铰;二是从梁塑性铰发生较大转动到柱根部破坏。在这两道防线之间,大量地震输入能量被结构的弹塑性变形所消耗(李国强等,2002)。因此,结构设计时应达到“强柱弱梁”破坏形式的多层防线要求,但是在此次汶川地震中,框架柱的破坏明显重于梁,柱端与节点的破坏较为突出,即所谓的“强梁弱柱”结构很普遍。本文通过对地震破坏区的实地考察,总结了框架结构中框架柱的破坏特点,从期为将来的抗震设计提供震害经验。

1 梁柱节点的震害

节点作为梁、柱接头区的主要组成部分,在平面框架中承受周围传来的弯矩、剪力和轴力。当竖向荷载较大而地震水平反应较小时,左、右梁端截面中的内力所引起的剪力较小,节点的受力较为有利。而当水平地震反应较大,使左、右梁端分别受正、负弯矩作用时,节点剪力比较大,对节点受力不利。由于节点的动力性能受剪切机制和锚固机制控制,滞回性能较差,因此一般认为节点不宜作为能量耗散的主要部分(张少坤等,2007),在大震中的破坏较为严重。

1.1 框架柱被压溃

框架柱被压溃是框架结构震害较严重的情况,这里选择北川县城的两栋五层建筑为例进行说明。北川县城建筑物的抗震设防烈度为Ⅶ度,遭遇的实际地震烈度为Ⅺ度。

照片1所示的是北川县移动公司办公楼,原为一栋五层建筑,造型规整。地震后,一层和二层的框架柱压溃后,垂直下陷成三层楼,上面的三层整体性良好,除有墙皮脱落和少量的墙体裂缝外,基本没有结构性的破坏,仅窗户有较为明显的变形。照片2所示的建筑,原为一幢五层建筑,底层框架柱被压断,二层坐落在地;上部的四层基本完好,填充墙没有大面积倒塌,只有轻微的外墙皮脱落,没有结构性的损伤。

该种震害类型的原因是由于较强的地震动作用(包括竖向地震动作用)显著,底层框架柱发生了剪切破坏或弯曲破坏,从而引起结构物的倒塌,另一个主要原因是底层结构开间较大,纵横墙数量较少,而一层以上楼层的刚度相对较大,结构“下柔上刚”,柱端受力过大而压溃。

1.2 梁柱节点处塑性铰

照片3所示的房屋,其底层为大开间的商用房,纵横墙数量较少,梁柱节点处产生了塑性铰,纵筋屈曲变弯,箍筋拉断,框架梁和框架柱相交处的混凝土受压变酥,部分脱落,整栋建筑发生了侧移,框架柱产生了倾斜;照片4所示的建筑,梁柱节点处混凝土被压酥,框架柱严重倾斜,柱的上端破坏成塑性铰,框架梁的破坏相对轻微。

该种震害类型的主要原因是,在水平地震力作用下梁柱节点是薄弱环节,其破坏相对较重。另外,未按照“强柱弱梁”的抗震概念进行设计,柱内配筋量少,箍筋间距过大,纵筋强度不够或者柱的截面过小,层刚度弱、轴压比超限等,使得在大震作用下弹塑性变形过大,形成楼层的屈服机制。

照片 1北J 1l移动公司办公楼 Photo 1Damage of China-mobile branchbuilding in Beichuan county
照片 2北川县城某5层建筑 Photo 2Damage of afive-floor buildingin Beichuan county
照片 3北川县城某建筑梁柱节点破坏之一 Photo 3Joint damage of a building in Beichuan county
照片 4北川县城某建筑梁柱节点破坏之二 Photo 4Joint damage of another buildingin Beichuan county
2 柱顶的震害

照片5所示的建筑位于都江堰虹口镇(设防烈度Ⅶ度,遭遇的实际地震烈度为Ⅸ度),地震时该建筑正在施工,底层柱顶端处于被折断的严重破坏状态,箍筋张开,混凝土压酥,柱上端纵筋的抗剪、抗弯承载力不足,框架梁基本完好,建筑的上部结构和柱体发生了30cm的相对移位:照片6所示的建筑物位于小渔洞镇(设防烈度Ⅶ度,遭遇的实际地震烈度为X度),其框架柱严重倾斜,柱顶端钢筋屈曲,上部结构整体偏移,框架梁未遭受严重损伤。

照片 5都江堰虹口镇某建筑 Photo 5A damage building in Hongkoutown,Dujiangyan
照片 6彭州市小渔洞镇某建筑 Photo 6A damage d building in Xiaoyudongtown,Pengzhou

该种震害类型的主要原因是:一方面由于设计或施工的原因,没有加密箍筋,柱顶端箍筋过少,使得框架柱纵向钢筋破坏严重,引起较大的纵筋变形;另一方面由于纵筋抗剪或抗弯的承载力不足,在强烈的地震作用下结构被破坏。此外,由于底层开间大,上部各层开间小,刚度相对较大,使得底层结构破坏较重。

照片7所示的建筑位于绵竹市区(设防烈度Ⅶ度,遭遇的实际地震烈度为Ⅷ度),一层框架柱的钢筋外露,压屈,柱端出现了塑性铰,纵筋屈曲,钢筋受压外凸,框架梁基本无破坏,一层以上的结构破坏轻微;照片8所示的结构位于绵竹汉旺(设防烈度Ⅶ度,遭遇的实际地震烈度为X度),底层柱顶端的混凝土酥散、掉落,主筋外露,框架梁处抹灰层有脱落,破坏相对较轻,填充墙有倒塌。

照片 7绵竹市区某建筑 Photo 7A building in Mianzhu urban district
照片 8绵竹汉旺镇某建筑 Photo 8A building in Hanwang town,Mianzhu

引起该种震害类型的主要原因是,一层以上楼层的纵横墙数量相对较多,对底层柱的竖向作用力较大,在竖向压力的作用下,受力钢筋受压屈曲外鼓,柱体破坏,另外由于上部结构的刚度较大,一层柱项处于刚度转换处,破坏相对较重。

3 柱底的震害
照片 9什邡红白镇某建筑 Photo 9A building in Hongbai town,Shifang
照片 10绵竹市区某建筑 Photo 10A building in Mianzhu urban district
照片 11绵竹市汉旺镇某建筑 Photo 11A building in Hanwang town,Mianzhu
照片 12绵竹老熊沟附近某建筑 Photo 12A building in Laoxionggou,Mianzhu

照片9所示的建筑位于什邡红白镇(设防烈度Ⅶ度,遭遇的实际地震烈度为Ⅹ度),底层是商用房,开间较大,其柱底混凝土保护层部分脱落,柱主筋及其箍筋部分外露,底层柱倾斜,填充墙轻微破坏;照片10所示的建筑位于绵竹市区,其底层钢筋混凝土框架柱底端的主筋外露,水平裂缝和斜裂缝互相交叉,破坏区混凝土剥落,钢筋与混凝土发生了分离。

该种震害类型的主要原因是,底层的纵向填充墙的数量较少且分布不均匀,抗侧移刚度和极限承载力相对薄弱,结构容易在底层率先屈服,进入弹塑性状态,产生变形集中的现象(姜勇等,2003),引起框架柱柱底的破坏。

4 柱身的震害

照片11所示的建筑位于绵竹汉旺,底层框架柱中段纵筋被压弯,外鼓呈现灯笼状,箍筋断,钢筋和混凝土发生了分离,框架柱被破坏,框架梁基本完好;照片12所示的建筑位于绵竹老熊沟附近(设防烈度Ⅶ度,遭遇的实际地震烈度为Ⅸ度),是一座在建的庙宇,柱的高度为6m,柱截面尺寸为250mm×250mm,柱子从中间被折断,柱中段的混凝土发生了脱落,钢筋屈服,而框架梁基本无破坏。

该种震害类型的主要原因是,照片11所示的结构,柱箍筋间距过大,被外凸撑断,其对纵筋的约束太小,对混凝土的握裹力不够,框架柱被破坏;照片12所示的建筑位于近断层地区,地震的作用力较大,柱截面面积很小,长细比过大,造成其抗剪承载力不足,使得结构发生了破坏。

5 结语

从上述的震害情况可以看出,框架结构的构件震害一般是梁轻柱重,造成地震区大量的“强梁弱柱”结构的原因,主要有以下几个方面:

(1)在很多设计中,现浇楼板的平面外刚度被忽略,造成了结构总体刚度偏小,通过提高粱的刚度来近似考虑楼板的平面外刚度,以柱的中心弯矩进行梁端钢筋设计,会人为造成“强梁弱柱”。

(2)粱柱节点是施工缝留设处,钢筋往往较多,给振捣带来困难,施工质量难以保证,有的节点区域内的柱箍筋没有放置,造成柱的破坏较重。

(3)由于框架梁跨度过大,其截面尺寸增大、楼板对框架梁的刚度和承载力贡献增大,以及规范对框架柱的轴压比限值过高使得框架柱的截面尺寸偏小等,导致框架梁的实际刚度增大,因此,在实际框架结构震害中,很少看到“强柱弱梁”型的破坏形式。


①陈运泰,许力生,张勇,杜海林,冯万鹏,刘超,李春来,张红霞,2008.2008年5月12日汶川特大地震震源特性分析报告
参考文献
1.高小旺,龚思礼,苏经宇,易方民,2002.建筑抗震设计规范理解与应用.北京:中国建筑工业出版社
2.李国强,李杰,苏小卒,2002.建筑结构抗震设计.北京:中国建筑工业出版社
3.张少坤,涂鸣,2007.钢筋混凝土抗震框架梁柱节点传力机构研究.陕西建筑,141期:12—16.
4.姜勇,安亦天,2003.底层框架砖房的震害特点.低温建筑技术,92期:31—32.
5.王则毅,杨盛和,1999.房屋结构抗震.重庆:重庆大学出版社


Preliminary Analysis of the Frame Column Damage in Wenchuan Earthquake
Xia Shan* and Liu Aiwen
Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 10081, China
Abstract

According to the seismic design code of China, the column of a frame structure should be stronger than the beam under the ground motion. However, in the practice of field investigation of Wenchuan earthquake, we found that the column was usually damaged but the beam kept intact. Based on the site survey of Wenchuan earthquake, the damage of frame column was summarized, including the damage of beam-column joints, column caps, column feet and column shaft. Finally, the performance of the frame structure is preliminarily analyzed in this paper, which will be valuable for anti-seismic design in future.



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汶川地震框架柱震害的初步分析
夏珊* 刘爱文
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20080306