各类建筑结构形式的震害分析

各类建筑结构形式的震害分析

摘要：近年来全球地震频发，严重威胁了世界人民的生命和财产安全。本文根据汶川地震的震害资料，归纳总结了不同结构形式建筑的比较典型的震害形式。通过对比和分析，提出了针对上述震害的建议。

关键词：结构形式；震害形式；震害分析；抗震措施

Abstract:In recent years the globalfrequent earthquake,a serious threat to thesafety oflife and property of the people of the world.According to theseismicdata of the Wenchuan earthquake,summarizes thetypicalearthquake damage ofdifferentstructureform of architecture.By comparison and analysis,put forwardthesuggestion of earthquake damage.

Key words:structure;earthquake damage;damage analysis;a seismic measures 引言

自从2008年5月12日汶川地震以来，全球陆续发生海地地震、智利地震、玉树地震等大地震，带来了巨大的社会和经济损失，引起了人们的极大关注。地震是对人类造成严重危害的一种自然灾害,地震研究一直是地球科学的一个重要研究领域。它的主要特点是:突发并在短时间内造成巨大损失,而且会引发一系列的次生灾害,如山体滑坡、泥石流、堰塞湖等,造成进一步的破坏[1]。

1.各类结构形式的震害

根据四川地震主要灾区所调查的建筑震害资料[2]显示，由于建筑的结构类别、建造年代、地震区估计烈度和使用功能的不同,建筑的破坏形式和破坏程度表现各异。砌体-木屋架房屋材料使用较少，结构布置随意且建设年代久，易发生屋面破坏和局部倒塌。根据我国国情，砖混结构在震区普遍存在，一些重要的住宅、教学楼、办公楼、小型厂房均采用该种结构形式，由于结构使用时间较长和建设时期设计和施工方面的不完善等原因，发生了不同程度的震害，包括主体结构倒塌、严重破坏和轻微、中等破坏。框架-砌体混合结构形式多变化，因此该结构体系大多较为混乱，震害现象多为底部框架变形破坏或上部砌体结构破坏。框架结构的震害主要发生在围护结构和填充墙的非主体结构构件破坏，主体结构震害较轻，但该种震害虽未造成结构的整体垮塌等严重破坏但仍给社会带来巨大的生命和财产损失。框架剪力墙结构在震中显示了强大的抗震性能，其具有较大的抗侧移刚度和承载能力，非结构构件的损伤也较轻。文中还提到，由于此次框架剪力墙结构房屋未受到较大的地震作用，其抗震性能未得到充分体现。对于轻钢结构屋面或钢桁架拱，因自重轻、强度大，抗震能力较强，震害也较轻，破坏主要发生在围护结构。图1～图4给出了不同结构形式较为典型的震害形式。

图1 砌体-木屋架房屋震害形式图2 砖混结构房屋震害形式

图3 框架-砖混结构房屋震害形式图4 框架结构房屋震害形式

2.不同结构形式震害的分析与建议

通过对各类结构形式建筑的震害情况统计(见表1)表明[2]，从因破坏程度严重应立即拆除或停止使用所占的比例来看，不同结构形式的抗震性能按照下列顺序依次增加：砌体结构→框架-砌体混合结构→框架结构→框架剪力墙结构→钢结构。因此，本文针对震害较为严重、结构形式普遍存在的砌体结构和框架结构形式进行分析。

表1 按照结构形式不同进行的建筑震害统计

2.1砌体结构震害分析

砌体结构呈现脆性破坏，整体性差，与其他结构形式相比其抗震性能相对较差。在历次大地震中,未经过合理抗震设计的砌体房屋均遭受了不同程度的破坏。由于建造时间久，很多砌体房屋的平面布置、结构形式和抗震构造措施并不满足目前抗震设计规范的要求，因此在震中破坏最为严重，出现大面积的倒塌。

一些砌体结构虽未造成大面积倒塌破坏，但也遭受了严重的破坏，表现为两个方面：一是房屋位于震中心，地震烈度太高，远远高于建筑的抗震设防烈度，但基本上能做到“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准抗震设防目标。我国规范采用的各地区抗震设防烈度，一般是以重现期为50年确定具有一定概率的最大地震，该法不一定能真实反映当地的地震烈度，所以实际烈度往往比规范规定的设防烈度要大，甚至大很多。二是建设时间长，未按照最新抗震规范采取抗震构造措施。因为未采取有效的抗震构造措施，结构往往整体性能较差，或者抗震防线较为单一，造成局部承载力不满足要求导致结构发生严重破坏。在此得出，抗震构造措施在结构抗震上发挥着重要的作用，对于结构设计或现有建筑加固中的抗震措施应严格满足我国规范规定，对于抗震措施设置的合理性还需要进一步调查验证。

对于地震中发生轻微到中度损伤的建筑，仍然有必要了解建筑的设计、施工情况，可为科学评价我国抗震规范的内容合理性提供依据。

在震中，一些结构因为建筑设计不规则、施工问题、使用功能变更等造成局部构件、部位发生破坏。该种破坏虽然在地震发生中不会造成严重后果，但对建筑的继续使用带来巨大的隐患，因此这种局部破坏仍应受到重视。抗震规范中，对结构平面不规则做了严格的规定，由于结构平面不规则，导致扭转效应产生局部破坏。楼梯间是建筑重要的竖向联系通道，是地震火灾发生时人群逃生疏散的唯一通道，故楼梯的破坏会造成巨大的人员伤亡。抗震规范表7.3.1[3]中明确规定，楼、电梯间四角，楼梯斜梯段上下端对应的墙体处均应设置构造柱。抗震规范7.3.8条中还规定了楼梯间墙体配筋、大梁搭接长度、屋顶构造柱延伸位置等抗震构造要求。世界上地震多发的一些国家，比如日本，对一些重要的建筑设置室外备用楼梯，具有独立的支撑体系，突然的自然灾害发生时可发挥逃生和救援作用。砌体结构中的混凝土构件多为预制构件，这无疑降低了施工工期，但降低了结构整体性，对预制构件的加工质量应有严格要求。否则，往往发生因浇筑不密实，在震中构件产生裂缝。

除了结构主体的整体破坏和局部破坏外，围护结构、附属设备等非结构构件的倒塌和坠落仍然会造成致命伤害，故对于非结构构件与主体结构之间的可靠连接必须得到保证。

2.2框架结构震害分析

在汶川地震中，大部分框架结构建筑表现出良好的抗震性能，但对于该种结构表现出的一些震害仍然值得关注和研究，对震后建筑结构的研究来考察我国抗震规范内容的科学性。

针对建筑平面不规则所采取的设置防震缝的抗震构造，由于防震缝宽度不够，导致相邻结构之间发生碰撞而产生震害。抗震规范中规定了防震缝的宽度要求，高层规范中规定了高层钢筋混凝土房屋尽量不设防震缝。这就要求为使建筑具有较高的抗震性能，应避免以为追求建筑形体美观而建造体型复杂的结构。对于防震缝间的填充物应采用柔性材料，不影响防震缝作用的发挥。

在结构设计中，结构竖向刚度一般仅考虑柱的刚度，而不考虑填充墙的贡献，而在实际承受地震作用时，填充墙与梁柱连接也贡献出一部分刚度作用。当填充墙在竖向和平面布置不均匀时，即产生了竖向刚度不均匀和水平刚度不均匀，刚度较小的楼层即形成薄弱层，极易发生震害。这就要求在结构设计中合理考虑填充墙的刚度贡献，或者在构造措施上降低填充墙对主体结构的作用。

抗震规范中“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”的设计理念在地震发生时并未得到实现。框架梁的震害较轻，梁两端、节点区附近发生竖向裂缝或斜裂缝。由于柱端节点处承受弯矩、剪力、轴力的共同作用，内力较大，注定周围发生水平裂缝、斜裂缝或交叉裂缝。抗震规范规定了节点核芯区设计承载力和箍筋配置