汶川地震中都江堰市房屋建筑失效模式分析

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大连理工大学学报
第 49 卷
2. 2. 2 使用功能失效 根据有关规定进行判定 , 如构件的局部细微裂缝 、梯梁和平台板之间的通 长裂缝 、预制楼板之间的粘结裂缝 ,虽然不影响构 件承载力 ,但影响美观或引起人们心理恐慌 ,就不 满足正常使用功能要求.
3 都江堰市钢筋混凝土结构房屋建 筑在汶川地震中的失效模式
(1) 承载能力极限状态 ①砌体结构的构件 墙体 :受压 (或局部受压) 承载力极限状态 、受 拉承载力极限状态 、受弯承载力极限状态和受剪 承载力极限状态. 构造柱 :受压承载力极限状态和受剪承载力 极限状态.
收稿日期 : 2009204205 ; 修回日期 : 2009206202. 基金项目 :“九七三”国家重点基础研究发展计划资助项目 (2007CB714202 ,2007CB714205) . 作者简介 : 孙爱伏 (19792) ,女 ,博士生 ;侯 爽 3 (19772) ,男 ,博士 ,讲师 , E2mail : hous @dlut . edu. cn.
能沿水平灰缝产生通缝 ;当墙体受压不均匀时 ,可 能出现竖向剪切裂缝[5、6 ] .
(2) 纵横墙连接破坏 纵横墙连接破坏是指在外纵墙和横墙交接处 出现竖向裂缝 ,当连接处的拉应力超过竖向灰缝 的抗拉强度时 ,产生竖向拉伸裂缝 ,严重时纵横墙 脱开 ,外纵墙因平面外失稳而倒塌 ,如图 4 所示.
图 4 纵横墙连接破坏
当砌体结构 、钢筋混凝土结构和底部框架结
构发生整体 (或局部) 倒塌或整体倾覆时 ,认为结
构达到了承载能力极限状态.
(2) 结构整体或局部位移超界
有时结构虽然未达到承载力极限状态 ,但由
于过大的位移亦可能丧失工作能力. 位移控制条
件为
Δ ≤[Δ]
(1)
式中 :Δ为结构控制位移 ; [Δ] 为结构控制位移的
图 2 多层砌体房屋整体倾斜
Fig. 2 Entirely inclined multistory maso nry buildings
2. 2 构件的失效模式 2. 2. 1 承载能力失效
(1) 墙体开裂 墙体开裂是最普遍的震害现象 ,墙体裂缝形 式主要有斜裂缝或交叉斜裂缝 、水平裂缝 、竖向裂
都江堰市内的钢筋混凝土房屋建筑主要是框 架结构 ,框架结构通过变形来抵抗地震作用 ,设计 原则是“强节点弱构件”、“强剪弱弯”和“强柱弱 梁”[4] . 在罕遇地震下 ,允许梁端和底层柱底端发 生延性破坏. 下面分析归纳钢筋混凝土房屋的典 型失效模式 ,并分析相应的失效机理. 3. 1 结构的失效模式 3. 1. 1 房屋倒塌 都江堰市内发生倒塌的钢筋 混凝土房屋主要是多层框架结构 ,而且多是 2000 年以后建造的 ,如图 9 所示. 根据勘察发现 ,倒塌 的框架柱发生脆性折断. 根据受力分析 ,在地震的 反复作用下 ,除受轴力外 ,柱端一般还受到较大的 弯矩和剪力作用 ,受力状态为大偏压. 由图 9 可看 出 ,倒塌的框架房屋的柱子截面较小 ,且纵向配筋 较少 ,薄弱层处的柱子在端部沿正截面发生脆性 折断 ,断面核心处的混凝土未被压碎 ,纵向钢筋被 拉伸. 柱端的破坏性质同受弯构件的正截面少筋 梁破坏 ,柱端在弯矩的主导作用下 ,横向主裂缝开 展宽度较大 ,向受压区延伸较深 ,纵向受拉钢筋拉 伸较长 ,受压区高度减小 ,柱端的抗弯刚度和抗弯 承载力退化. 由于弯矩的双向作用 ,柱端横向主裂 缝沿正截面贯通. 薄弱层的侧向刚度严重退化 ,在 巨大的层间剪力作用下 ,楼层产生较大的侧向位 移 ,柱子发生严重倾斜 ,最终失稳 ,导致房屋倒塌. 此处 ,房屋倒塌不是由一个柱子的失稳引起的 ,而 是薄弱层整个楼层的柱子基本都发生了脆性折 断. 因此可得出 ,柱端脆性折断是由柱子的纵向钢 筋配置太少和截面太小引起的 ,而房屋倒塌却是 因为结构产生了薄弱层 ,发生了层破坏机制 ,且薄 弱层的柱子发生了脆性破坏. 这和规范所允许的
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圈梁 、过梁 、墙梁及挑梁 :受弯承载力极限状
态和受剪承载力极限状态.
楼板 :受弯承载力极限状态和受剪承载力极
限状态.
②钢筋混凝土结构的构件
钢筋混凝土构件的承载能力极限状态 :正截面
受弯 (压弯) 承载力极限状态、正截面受压承载力极
限状态 、正截面受拉承载力极限状态 、斜截面受剪
都江堰市的房屋建筑在汶川地震中的严重破 坏 ,暴露了我国现有房屋建筑在抗震方面存在的 问题 ,或未进行抗震设防 ,或抗震设防不足 ,总之 , 需要进行深入研究 ,找出现有房屋建筑在抗震中 的薄弱环节. 都江堰市的主要房屋类型是多层砌 体结构 、钢筋混凝土结构和底部框架结构 ,而且新 老房屋比较全面 ,是我国一般城市房屋建筑的一 个缩影. 因此 ,对都江堰房屋建筑在汶川地震中的 失效模式进行分析具有实际意义.
本文根据都江堰市房屋建筑的震害 ,按照房 屋类型进行失效模式分析 ,归纳主要类型房屋在 汶川地震中的失效模式 ,并分析失效机理 ,以期为 房屋建筑的抗震设计和加固提供参考建议.
1 都江堰市建筑震害调查概况与地 震失效模式判别准则
1. 1 都江堰市调查区域简介 都江堰Hale Waihona Puke Baidu位于成都平原西北边缘 ,汶川东北
缝 ,如图 3 所示. 出现斜裂缝是因为墙体平面内抗 剪强度不足 ;当墙体承受较大的平面外弯矩时 ,如 水平灰缝处的弯曲拉应力达到弯曲抗拉强度 ,则 产生水平裂缝 ; 另外 ,在水平剪力作用下 , 墙体可
第 5 期
孙爱伏等 :汶川地震中都江堰市房屋建筑失效模式分析
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图 3 墙体裂缝
Fig. 3 Cracks of walls
( 1. 大连理工大学 土木水利学院 , 辽宁 大连 116024 ; 2. 哈尔滨工业大学 深圳研究生院 , 广东 深圳 518055 )
摘要 : 根据都江堰市内房屋建筑的震害 ,分析总结了其在汶川地震中的失效模式及失效机
理. 首先给出了房屋建筑的地震失效模式判别准则 ,重点分析了都江堰市内房屋建筑在汶川 地震中的典型失效模式和相应的失效机理. 分析发现 ,对于多层砌体房屋和底部框架房屋 ,按 现行规范进行抗震设防比较有效 ,对于钢筋混凝土框架房屋 ,还存在一些突出问题 :结构形成 了“弱柱强梁”的破坏机制 ,底层易于变成薄弱层 ,柱的截面尺寸相对较小和纵向钢筋配筋偏 低 ,柱在端部和节点区的箍筋配置普遍不足. 并根据房屋建筑的典型失效模式提出了相应建 议. 该研究工作可为房屋建筑的抗震设计和加固提供参考依据.
方 ,距离汶川县映秀镇只有 3 km ,地跨川西龙门 山地震带和成都平原岷江冲积扇扇顶部位. 汶川 地震发生后 ,都江堰市的基础设施损毁严重 ,多处 房屋发生倒塌. 空间上都江堰市区背山呈辐射状 向外扩展 ,内环线和外环线为城市环向主干道. 内 环老旧建筑较多 ,内外环间以新建建筑为主. 外环 以外基本为农业用地 ,建筑较少. 作者随机调查了 外环以内多个街区的房屋震害情况 ,外环内存有 各类建筑约 8 000 栋 , 调查建筑 2 026 栋 , 约占 1/ 4. 调查区域空间分布较为均匀 ,因此可认为调 查结果可代表都江堰市建筑整体的震害情况. 1. 2 房屋建筑的地震失效模式判别准则 1. 2. 1 构件的失效准则 采用下面两个准则作 为构件在地震作用下的失效判别准则 ,只要满足 其中的一个条件 ,则判定已到达其极限状态[2、3] .
承载力极限状态和扭曲截面承载力极限状态.
(2) 正常使用极限状态
规范按所处环境类别和结构类别 ,规定构件
相应的正常使用功能的规定限值.
1. 2. 2 结构的失效准则 本文采用下面两个准
则[4] 作为结构在地震作用下失效判别准则 ,只要
满足其中的一个条件 ,则判定已到达其极限状态.
(1) 结构倒塌或整体倾覆
“强柱弱梁”的结构整体屈服机制是背离的. 下面 来分析框架房屋未实现“强柱弱梁”整体屈服机制 的原因.
图 9 钢筋混凝土框架倒塌
Fig. 9 Collap se of reinfo rced concrete f rames
其原因主要有以下几个方面[7] : (1) 底层由于使用要求 ,一般不设置或设置较 少的填充墙 ,填充墙使上部楼层的层刚度增大 ,底 层易于成为薄弱楼层 ; (2) 柱截面尺寸偏小 ,梁截面尺寸较大 ,且楼 板一般与梁一起现浇 ,致使梁的抗弯刚度和抗弯 承载力较大 ,从而导致了“强梁弱柱”破坏机制的 发生. 上面的一系列原因导致了“弱柱强梁”的破坏 机制 ,形成了局部层屈服机制. 从而 ,柱的脆性折断和结构的“弱柱强梁”层 破坏机制的联合作用导致了框架房屋的倒塌. 3. 1. 2 位移超界失效 当结构的层间位移超过 规范规定的钢筋混凝土结构在罕遇地震下的层间 位移限值时 ,就认为结构由于位移超界失效 ,如图 10 所示的框架房屋 ,在底层产生了较大的侧向位 移 ,属于层间位移超界失效. 由图 10 可看出 ,该位移超界房屋在底层形成 了薄弱层 ,出现了“弱柱强梁”的局部层屈服机制. 该结构底层未设置填充墙 ,而上部楼层均匀地设 置了填充墙 ,楼板和深梁现浇在一起 ,对柱端形成 近似刚性约束 ,柱的截面尺寸与梁高相比较小. 另外 ,虽然该结构底层也形成了层屈服机制 , 柱与梁相比较弱 ,但底层柱截面尺寸不是太小 ,纵 向钢筋和箍筋的配置数量尚可 , 柱端形成了延性
允许值. 当结构不满足上述不等式时 ,认为其达到
使用功能的极限状态.
根据上述失效准则 ,下面对多层砌体结构 、钢
筋混凝土结构和底部框架结构这 3 种结构形式的
房屋建筑在汶川特大地震中的失效模式分别进行 分析.
2 都江堰市砌体结构房屋建筑在汶 川地震中的失效模式
多层砌体房屋是指烧结普通黏土砖 、烧结多 孔黏土砖 、混凝土小型空心砌块等砌体承重的多 层房屋. 目前 ,都江堰市内的砌体房屋建筑主要是 烧结普通黏土砖砌体结构. 多层砌体房屋通过墙 体平面内的抗剪承载力来抵抗水平地震作用 ;通 过设置构造柱来增强房屋的变形能力和整体性 ; 通过设置圈梁增强房屋在竖向地震作用下的变形 能力 ,并使圈梁和构造柱连接在一起 ,增强结构的 整体性[5] . 下面对多层砌体房屋建筑在汶川地震 中的典型失效模式和相应的失效机理进行分析. 2. 1 结构的失效模式 2. 1. 1 房屋倒塌 多层砌体房屋的倒塌破坏主 要发生在较早 (1990 年以前) 的房屋建筑中 ,如图 1 所示. 倒塌原因主要是房屋的整体性和变形能力 太差 、楼梯间位置设置不合理. 建议在纵横墙交接 处设置构造柱 ,并按规范要求设置圈梁. 在罕遇地 震作用下 ,构造柱和圈梁即使发生破坏 ,也可起到 增强结构整体变形的能力 ,保证房屋“大震不倒”. 2. 1. 2 位移超界失效 砌体房屋在地震作用下 的位移超界失效可根据有关使用功能要求进行判 定. 如图 2 所示的房屋 ,虽然未发生倒塌或整体倾 覆 ,但已发生整体倾斜 ,整体位移过大 ,已经无法 正常使用.
第49卷第5期 2009年9月
大连理工大学学报 Journal of Dalian University of Technology
Vol . 49 , No. 5 Sept. 2 0 0 9
文章编号 : 100028608 (2009) 0520731208
汶川地震中都江堰市房屋建筑失效模式分析
孙 爱 伏1 , 侯 爽 3 1 , 林 迟2
Fig. 4 Failure of cro ssbar wall connectio n
(3) 墙角破坏 房屋建筑的质心和刚心不重合时 ,在地震作 用下 ,房屋要发生扭转 ,在扭转作用下 ,房屋的墙 角所受的剪力最大[6] ,因此 ,墙角在地震作用下容 易发生斜向的剪切破坏和局部受压破坏 ,甚至脱 落 ,典型的破坏形态如图 5 所示. 应加大角部构造 柱的截面和配筋 ,尤其应加密箍筋配置. (4) 构造柱破坏 当构造柱箍筋和纵筋配置不足时 ,角部的构 造柱可能发生剪切和剪压破坏 ,如图 6 所示. (5) 圈梁破坏 圈梁主要发生剪切破坏 ,如图 7 所示. 当构造 柱设置较少 ,且圈梁的箍筋配置不足时 ,可能发生 剪切破坏. (6) 楼板破坏 楼板端部的支承墙体倒塌时 ,预制空心楼板 可能会发生折断破坏 ,如图 8 所示.
关键词 : 汶川地震 ;房屋建筑 ;失效模式分析 ;失效机理 中图分类号 : TU312. 3 ; P315 文献标志码 : A
0 引 言
2008 年 5 月 12 日汶川发生了震级为 8. 0 级的 特大地震 ,震害波及周边地区. 都江堰市是个小型 城市 ,距离震中仅 21 km ,属于近场强震 ,地震烈度 为 10 度[1] ,使得市内房屋建筑破坏非常严重.