混凝土结构房屋的震害分析和抗震概念设计

混凝土结构房屋的震害分析和抗震概念设计

摘要：本文主要对混凝土结构房屋结构震害，重点围绕结构布置不合理造成的震害及框架结构、框架填充墙和抗震墙的震害进行了分析。并基于这些震害围绕结构体系选择及最大适用高度、抗震等级、防震缝的设置、结构布置和抗震墙的局部加强等几点论述了抗震概念设计。

关键词：混凝土结构房屋；震害分析；抗震概念设计

一、多高层钢筋混凝土建筑的主要震害特征

1、结构布置不合理引起的震害

1）结构平面不对称造成的震害

结构平面不对称有两种情况，一是结构平面形状的不对称，如L 形、Z形平面等；二是结构的平面形状对称但结构的刚度分布不对称，这往往是楼梯间或抗震墙布置不对称造成[1]。

2）防震缝宽度不足产生的震害

一些高层建筑由于预留的防震缝宽度不足，出现了房屋相互碰撞而引起损坏的现象。

2、框架结构的震害

框架结构的震害主要是由于强度和延性不足引起，一般规律是：柱的震害重于梁，角柱的震害重于下端。因此，可以归纳为框架柱和节点的破坏，其主要形式如下：

1）框架柱

框架柱结构的震害主要有弯曲破坏、剪切破坏和压弯破坏。弯曲破坏主要表现为上下柱端出现水平裂缝和斜裂缝（也有交叉裂缝），混凝土局部压碎，柱端形成塑性铰。严重混凝土剥落，箍筋外鼓崩断，柱筋屈曲。剪切破坏表现为柱子在往复水平地震剪力作用下，出现斜裂缝或交叉裂缝，裂缝宽度比较大，箍筋屈服崩断，以修难复，属于脆性破坏。压弯破坏表现为柱子在轴力和变号弯矩作用下，混凝土压碎剥落，主筋压曲成灯笼状。柱子轴压比过大，主筋不足，箍筋过稀等都会导致这种破坏。破坏大多出现在梁底与柱顶交接处。这是一种脆性破坏，较难修复[2]。需要注意的是，箍筋在施工时由于端部接口处弯曲角度不足，使箍筋端部接口仅锚固在柱混凝土保护层中，在地震的反复作用下，混凝土保护层剥落、箍筋迸开失效，使柱混凝土和纵向钢筋得不到约束，从而导致柱子破坏。

从破坏的位置分析则主要有角柱破坏、短柱破坏和柱牛腿破坏。角柱破坏是由于双向受弯、受剪。加上扭转作用，震害比内柱严重。有的上、下柱身错动，钢筋由柱内拔出。短柱破坏是当柱高小于4倍柱截面高度（H/hc≤4）时，形成短柱。短柱刚度大，易产生剪切破坏。柱牛

腿破坏则是牛腿外侧混凝土压碎，预埋件拔出，柱边混凝土拉裂，其主要原因是由水平力引起的。

2）梁柱节点

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的。节点核心区产生的对角方向的斜裂缝或交叉斜裂缝，混凝土剪碎剥落，接点内箍筋很少或没有放箍筋时，柱纵向钢筋压曲外鼓。梁筋锚固破坏是梁纵向钢筋锚固长度不足，从节点内被拔出，将混凝土拉裂。装配式框架构件连接处容易发生脆性断裂，特别是用坡口焊接钢筋处容易拉断，预制构件接缝处后浇混凝土开裂或散落。

3、框架填充墙的震害

框架中嵌砌砖填充墙，容易发生墙面斜裂缝，并沿柱周边开裂。端墙、窗间墙和门窗洞口边角部位破坏更加严重。烈度较高时墙体容易倒塌。由于框架变形属剪切型，下部层间位移大，填充墙震害呈现“下重上轻”的现象。

填充墙破坏的主要原因是：框架与填充墙之间没有钢筋拉结，墙面开洞过大过多，砂浆强度等级低，施工质量差，灰缝不饱满等因素，都会使填充墙的震害加重。

4、抗震墙的震害

连梁和墙肢底层的破坏是抗震墙的主要震害。开洞抗震墙中，由于洞口应力集中，连梁端部在约束弯矩下容易形成垂直的弯曲裂缝；若连梁跨高比较小，梁腹还容易出现斜裂缝；若连梁抗剪强度不足，可能发生剪切破坏，使墙肢间失去联系，抗震墙承载力降低。剪切破坏是脆性破坏，而弯曲破坏延性较好。在强震作用下，抗震墙的震害主要表现为墙肢之间连梁的剪切破坏。这主要是由于连梁的跨度较小、高度大形成深梁，在反复荷载作用下形成X形剪切裂缝，这种破坏为剪切型脆性破坏，尤其是在房屋1/3高度处的连梁破坏更为明显。

二、混凝土结构的抗震概念设计

1．结构体系选择及最大适用高度

不同的结构体系，其抗震性能、使用效果与经济指标也不同。《规范》在总结国内外大量震害和工程设计经验的基础上，根据地震烈度、场地类别、抗震性能，使用要求及经济效果等因素，规定了地震区各种结构体系的最大适用高度，见表1。

选择结构体系时还应注意

1）结构的自振周期避开场地的特征周期，以免发生类共振而加重震害。

2)选择合理的基础形式，保证基础有足够的埋置深度，有条件时宜

设置地下室。在软弱地基土宜选用桩基、片筏基础、箱形基础或桩-箱、桩-筏联合基础。

2．抗震等级

《规范》根据房屋的设防烈度、结构类型和房屋高度，分别采用不同的抗震等级，即一、二、三、四级。不同抗震等级的结构，应符合相应的计算、构造措施要求。具体使用时，应注意以下几点：

1）建筑场地为Ⅰ类时，除6度外可按规定降低一度所对应的抗震等级采取抗震构造措施，但相应的计算要求不应降低。

2）接近或等于高度分界时，应允许结合房屋不规则程度及场地、地基条件确定抗震等级。

3）部分框支抗震墙结构中，抗震墙加强部位以上的一般部位，应允许按抗震墙结构确定其抗震等级。

4）抗震设防类别为甲、乙、丁类的建筑，应按规定调整抗震设防烈度后，再根据表2确定抗震等级。当8度乙类建筑高度超过规定的范围时，应经专门研究采取比一级抗震等级更有效的抗震措施。

3．防震缝的设置

高层钢筋混凝土房屋宜避免采用不规则建筑结构方案，宜采用合理的结构方案而不设防震缝，同时采用合适的计算方法和有效的措施，以消除不设防震缝带来的影响。

当需要设防震缝时，可以结合沉降缝要求贯通到地基，当无沉降问题时也可以从基础或地下室以上贯通[3]。防震缝的缝宽应不小于《建筑抗震设计规范》规定的最小宽度，并且应在防震缝两侧采取抗撞措施。

4．结构布置

1）为抵抗不同方向的地震作用，框架结构和框架-抗震墙结构中的框架和抗震墙均应双向设置；为防止柱发生扭转，柱中线与抗震墙中线、梁中线与柱中线之间偏心距不宜大于柱宽的1/4。

2）为了使楼盖、屋盖有效地将楼层地震剪力传给抗震墙，框架-抗震墙结构和板柱-抗震墙结构中，抗震墙之间无大洞口的楼盖、屋盖的长宽比，不宜过大。

框架-抗震墙结构采用装配式楼、屋盖时，应采取措施保证楼、屋盖的整体性及其与抗震墙的可靠连接。采用配筋现浇面层加强时，厚度不宜小于50mm。

5. 抗震墙的局部加强

由于在水平荷载作用下抗震墙的弯矩和剪力均在底部最大，故需要加强抗震墙的底部。加强部位包括底部塑性铰范围及其上部的一定范围，在此范围内要增加边缘构件箍筋和墙体横向钢筋等必要的抗震加强