日本东北太平洋沿海大地震建筑震害(混凝土结构)

日本东北太平洋沿海大地震建筑震害(混凝土结构) (2011-04-26 22:09:46)

东北大地震发生以后，日本建筑学会东北支部组织了东京大学、东北大学等高校建筑和结构专业的教授和一部分研究生赴各个地区进行了建筑物震害的调查，并发布了各种不同结构类型的建筑物在大地震中的破坏情况。我对其中的资料进行了分类和整理，目的在于对建筑结构在地震作用下的性能和破坏形态进行认识和设计概念上的反思。

本文先说结构体系层次的震害，下一篇文章再说构件的破坏。

下面就来看看日本的建筑在9级地震下是什么样子的吧。

1、结构体系层次的破坏主要有：层屈服机制

我们都知道，“强柱弱梁”是框架结构理想破坏机制，即框架结构的梁端和底层柱脚是预期的损伤部位，在地震作用下可以屈服形成塑性铰，而框架柱则保持弹性。与之相对的，是一种不利的“层屈服”机制，即由于柱子中出现塑性铰而形成薄弱层的破坏。我国家《建筑抗震设计规范》中采用柱端弯矩增大的方法来防止层屈服机制的出现，并要求在柱端加密箍筋以提高其塑性变形能力。

这次日本大地震中仍然出现很多框架结构的层屈服破坏，主要是2-3层的低层框架结构。下面是一些资料：

上图是宫城县仙台某个电力公司的办公楼，2层几乎被压溃。推测：这可能是由于建筑整体受到了比较大的扭转作用，中间层的柱子破坏引起。也可能是水平作用下2层柱端出现了塑性铰而形成。

上图是宫城县仙台一个民居建筑，一层为砖墙结构，二层为框架结构。由于在街道边上，在修建时为了获得更大的敞向街道的空间，墙体基本都沿垂直于街道的方向布置，这样使得建筑的纵向刚度不足，在水平地震力作用下容易遭受破坏。

上图是一个三层的框架结构，底层严重破坏，其余部分损伤均不大。建筑中间部分轻微损伤，但是从左图中可以看到外柱发生了明显的剪切破坏，这可能是由于建筑整体受到比较大的扭转作用。所以，在框架结构的设计中，外柱还是需要适当的加强的。另外，根据调查资料，这栋建筑的外柱主筋直径19mm，箍筋直径也只有9mm，间距250mm，不符合日本建筑抗震设计规范的要求。

这个建筑就坏的厉害了！三层框架的教学楼和学生活动中心，二三层几乎完全毁坏。据称，由于建成年代比较久远，在地震还未发生时，校方本来打算对此建筑进行翻新和维修加固，没想到地震抢先来袭了。另外调查报告中说明，该学校内的其他建筑唯有明显的破坏发生，这说明日本的建筑结构设计规范随着历次地震的发生不断提高要求。

上面是位于枥木县的一个车库在地震中发生了倒塌，里面还停放着一辆吉普车。该车库为钢-混凝土组合结构，从图中可以看到深蓝色的钢梁。我想，可能是由于钢梁与混凝土柱子的连接不可靠造成了这种破坏。

避免出现层屈服机制始终是框架结构抗震设计的首要目标，但这绝非易事。1995年日本阪神地震中也有大量框架结构在中间层出现薄弱层破坏，2008年我国汶川地震中按规范设计的框架结构也出现了柱端屈服而倒塌。

在实际的设计中，为了防止这种机制的产生，要使得框架柱和节点区具有足够的承载力，以便使得其在大震作用下仍能保持弹性。另外，框架梁的端部应具有足够的塑性变形能力以耗散能量。1994年美国北岭地震中，大量的钢框架结构在梁端发生了意料之外的脆性断裂破坏。之后，钢梁连接构造一再改进，如削弱梁端截面的狗骨式梁，均以保护节点区和防止梁端脆性破坏为目标。

尽管可以从各个方面进行改进，但是框架结构体系固有的变形模式不易控制、损伤部位难以预测的事实还是无法改变！

2、结构刚度突变造成的破坏

一般在结构刚度突变的地方都会发生集中的破坏。因此，带有平台，顶房等的建筑都容易发生破坏。这也是在结构设计中比较忌讳的一条。这次日本地震中也有这样的破坏实例，如下所示：

上图是位于宫城县仙台市东北大学的一个科研大楼，主结构共9层，但旁边有2层的平台，这样就造成了2-3层的刚度变化较大。在这次地震中，由于上部结构的整体倾覆造成了柱子承受很大的轴力，位于3层处的4根角柱发生压溃，如上右图所示。

上图是结构动力学中所讲“鞭梢效应”的一个实例，同样是位于宫城县仙台市的一座6层建筑，顶房在地震中严重倾斜。

上图是位于茨城县的一座教堂（Stephen's Church），长细的钟楼在其与屋面的交界处发生了破坏。这也是刚度突变的一个生动实例。

3、结构的摇摆

结构摇摆在一定程度上可以耗散地震输入的能量，以此减轻上部结构的损坏。但是，如果建筑物的基础不能承受上部结构的摇摆的话就会造成基础的破坏。在地震中，一些高层建筑在竖向表现出明显的摇摆现象，这可能不会对主体结构造成大的破坏，但还是会造成居民的恐慌，并且造成的基础破坏很难修复。

上图是一座14层的居民楼，为防止不均匀沉降造成裂缝，沿纵向设有一道伸缩缝。在地震中，其中一栋沿其纵向墙体严重破坏，而另一栋相对震害较轻。在调查中，发现伸缩缝两侧分开距离较大，第14层分开达到40cm！可见建筑物在地震来袭时竖向的位移还是不小的。

这是上面居民楼底层的柱子下陷的情形照片。下陷的原因是：建筑整体竖向摇摆造成柱子的巨大轴向压力。这样一来，柱子下面的桩基应该已经损坏了。