從汶川地震提高建筑結構抗倒塌能力的必要性和可行性

蘇幼坡  張玉敏　王紹杰  徐建新

河北理工大學　河北省地震工程研究中心　河北唐山　063009

引言

    2008年5月12日汶川 8級大地震造成直接經濟損失超過8400億元，人員傷亡和失蹤超過8萬人，房屋倒塌15578萬㎡；這是繼l976年7月28日造成直接經濟損失l20多億元，死亡24.2469萬人，房屋倒塌6384萬m²的唐山7.8級大地震，32年后的又一次令世人觸目驚心的巨大地震災害。這兩次地震造成如此巨大損失的原因之一，是由于它們都發生在低烈度設防區，人們缺乏防震意識，災區大量的農村住宅和城鎮20世紀80年代以前的房屋均沒考慮抗震設防，根本經不起如此大的地震。

    我國第一部正式實施的建筑抗震設計規范是1978年頒布的《工業與民用建筑抗震設計規范》(TJ11-78)，1989年經修訂后改名為《建筑抗震設計規范》(GBJ ll—89)，2001年修訂頒布了《建筑抗震設計規范》(GB5001l-2001)，由此可見我國在建筑設計中正式考慮抗震問題是從1976年唐山大地震后開始的。由于l978年以后我國大陸除汶川地震外，經過抗震設防的城鎮沒遭遇過9度及以上的地震烈度，汶川地震前經過抗震設防的建筑沒有經歷過大地震的考驗，通過對汶川地震中建筑震害的調查分析，可以為我國建筑抗震設計規范的修訂提供經驗及教訓。

1、提高低烈度抗震設防建筑“大震不倒”的設防水準

    我國抗震設計規范的設防目標是“小震不壞，中震可修，大震不倒”，“小震”大致相當于設防烈度減1.5度，“大震”大致相當于設防烈度加l度。汶川地震后建筑震害調查表明，經過抗震設防、特別是在1990年以后設計建造的建筑表現良好，即使在極震區實際烈度高出設防烈度3～4度的情況下，大多數建筑受到中等至嚴重破壞，但不倒塌，實現了“大震不倒”的設防目標[3]。表1是1952年以來發生在我國大陸地區造成死亡人數超過千人的地震災害的震中烈度統計，其共同特點是，震中實際烈度遠遠超過當地的設防烈度3度及以上，說明在6～7度低烈度設防區發生“巨震”(高于設防烈度2度以上)的危險眭確實存在。

表1 1952年以來中國大陸死亡千人以上的震中烈度統計  

    表2是唐山地震時不同烈度區中多層磚房的震害統計。此數據是基于對唐山地區2285幢沒有經過抗震設防的多層磚房的震害調查得出的。從表2可見，在10度、ll度區中仍有32％和l8.2％多層磚房  沒倒塌；9度區中只有25．1％的房屋倒塌；小于9度未見多層磚房倒塌。雖然汶川地震剛過去6個月，還未見不同烈度下房屋震害的統計數據，但據對7度設防實際烈度9度的都江堰市20世紀80年代經正規設計的建筑，但未考慮或未完善考慮抗震要求的磚混房屋震害調查，多層磚房的倒塌率為5％。

    上述震害調查說明，經過正規設計及建造的建筑，即使不考慮抗震設防，也可經歷8度地震作用而不倒塌；對于低烈度區遵循建筑抗震設計規范要求，經過正規設計及建造的建筑，完全可以達到9度不倒。

　　由于目前的科學技術水平還不可能解決地震短臨震預報的問題；作為地震中長期預報的重要形式同時作為我國工程抗震設防的主要依據的地震動參數區劃圖，也存在相當大的不確定性；抗震設防目標中的“大震不倒”采用統一的設防烈度加1度的設防水準；我國的6～7度低烈度抗震設防區，實際地震災害危險性要較高烈度抗震設防區高，這從50多年來我國地震災害的實際狀況不難看出。所以應適當提高6、7度區的“大震不倒”的設防水準，參考唐山、汶川地震的震害經驗，提高到“9度不倒”是可行的。

    實現低烈度區9度不倒可以通過增強建筑結構的抗震措施實現，例如對于砌體房屋可通過增加構造柱、圈梁的數量，限制局部構造尺寸等措施實現；對于鋼筋混凝土結構，可以通過增加結構及構件的延性、連續性和冗余度，達到提高結構的整體牢固性來實現。

2、整體現澆樓板對結構“強柱弱梁”的影響

    “強柱弱梁”是鋼筋混凝土框架結構實現“大震不倒”的重要結構措施之一，規范定義“強柱弱梁”是指，節點左右梁端截面順時針或反時針方向組合的彎矩設計值之和∑Mb與節點上下柱端截面順時針或反時針方向組合的彎矩設計值之和∑Mc之間滿足不等式∑M。≥ηc∑Mb 一級框架結構及9度時尚應符合∑Mc≥l.2∑Mbua式中：ηc為柱端彎矩增大系數，一級取l.4，二級取1.2，三級取l.1。

    規范中根據設防烈度和建筑高度來確定結構的抗震等級，對于框架結構，高度小于30m時，烈度為6、7、8度，其抗震等級為四、三、二級。汶川地區設防烈度為7度，所以其一般框架結構為三級結構，ηc=1.1。對于整體現澆樓板結構，框架梁實際為T形截面梁，當板內的鋼筋位于梁的受拉區時會顯著增加梁的抗彎承載力，同時由于鋼筋屈服后會出現超強，也使梁的承載力提高。

    地震時框架柱處于復雜的雙向受力狀態，在雙向地震力作用下，柱承載力退化顯著。

    規范中為保證柱有一定的延性，對柱的軸壓比規定了上限，三級框架為0.9。結構設計時一般根據軸壓比確定柱的截面尺寸，所以汶川地區的框架柱普遍截面尺寸較小。

    上述因素造成按照“強柱弱梁”原則設計的結構，在地震中實際成為“強梁弱柱”結構。汶川地震中，鋼筋混凝土現澆樓板框架結構大量出現的是柱鉸機制而不是梁鉸機制，其原因就在于此。圖1為漩口中學主教學樓未完全倒塌的側樓底層破壞情況，塑性鉸均出現在框架柱柱頂，而梁與樓板共同工作，沒有任何損壞，可是結構已接近倒塌。圖2是一預制裝配樓板框架結構，塑性鉸均位于梁內，結構破壞嚴重，但沒發生倒塌.

　　為驗證現澆樓板對“強柱弱梁”的影響，如圖3所示質量、剛度分布皆均勻、規則的3跨×2跨6層，首層層高4.5m，其余各層3.6m，三維框架分析模型。該框架設防烈度為8度，設計基本地震加速度0.29，抗震等級為二級，Ⅱ類場地。框架梁、柱截面尺寸如圖3所示。梁柱板混凝土強度等級為C30，縱筋為HRB335，板厚100 mm。樓面恒載、活載標準值分別為4.0kN/m²、2.0kN/m²；屋面恒載、活載標準值分別為4.5kN/m²、2.0kN/m²；樓面框架梁上施加9kN/m的均布荷載，屋面層外圍框架梁上施加3kN/m的均布荷載�？蚣芊治黾芭浣钣嬎悴捎�PKPM系列SATWE軟件(2006年版)，計算時將框架梁抗彎剛度乘2.0的放大系數；計算結構配筋后，手工進行考慮板影響的8軸x方向的節點“強柱弱梁”驗算。梁翼緣計算寬度按《混凝土結構設計規范》(GB 50010--2002)第7.2.3款規定，取梁寬加l2倍板厚為1500mm。表3是節點考慮和不考慮板影響的柱端彎矩與梁端彎矩比值∑Mc/∑Mb的計算結果比較。從表3可見，考慮現澆板內鋼筋對梁端抗彎承載力的貢獻后，所有節點均不滿足“強柱弱梁”的要求，其中對中柱影響最大。如果再考慮梁、板內鋼筋屈服后的超強影響，按照現行建筑抗震設計規范設計的現澆板鋼筋混凝土框架結構是達不到“強柱弱梁”的設計目標的，對于此類結構應考慮板內縱筋的影響來進行“強柱弱梁”設計。

　　美國混凝土結構設計規范ACl 318，基于1980年后15年的研究成果，自ACl 318--1999開始考慮現澆板對框架結構抗側能力的貢獻[8],ACl318—08在21.6.2款中要求框架柱的抗彎承載力應滿足∑Mnc≥(6／5)∑Mnb∑Mnc為節點上下柱端截面順時針或反時針方向的抗彎矩承載力之和，計算時按偏心受壓構件考慮，取與計算方向對應側向力引起的軸力與重力荷載軸力導致最小抗彎承載力的組合設計值。

　　∑Mnb為節點左右梁端截面順時針或反時針方向組合的抗彎矩承載力之和，計算時取柱邊的梁端彎矩，對于與板整體現澆的T形梁，應考慮有效受拉翼緣內板鋼筋的作用。有效翼緣寬度bf按下述規定�。�

　　(1)小于l/4梁的跨度；

    (2)翼緣挑出長度：①對于T形梁取8倍板厚與  1/2梁凈間距的較小值；②對于L形梁取6倍板厚、l/2梁凈問距和1/12跨度三者的較小值。

    試驗研究表明，翼緣位于受拉區的T形梁，翼緣鋼筋對梁抗彎承載力的貢獻與側向位移有關，側向位移越大貢獻越大，ACl 318-08中翼緣寬度的取值是2％層間位移確定的，在豎向荷載作用下不考慮受拉翼緣鋼筋的作用。所以，在進行框架“強柱弱  梁”驗算時，應按圖4計算負彎矩的抗彎承載力，若板內鋼筋As,s1,As,s2也，在柱邊處有可靠錨固，應將其作為受拉筋計算截面的抗彎承載力。

 圖4節點負彎矩區計算截面

3、建筑結構倒塌分析

    通過對唐山、汶川地震的建筑震害調查和對親歷者的采訪，建筑結構在地震作用下的倒塌過程大體可分為兩類，一類是建筑在豎向及水平地震作用和豎向荷載共同作用下，在地面運動的過程中發生倒塌；另一類是地震過程中部分豎向承重構件破壞，地震后由于破壞構件上部結構不能繼續承受豎向荷載，而發生倒塌。從倒塌的形式看可分為整體倒塌和局部破壞引起的連續倒塌兩類。例如像現澆樓板這類整體性強的結構，其薄弱層全部豎向承重構件破壞，從而整個樓層發生塌垮，而其余樓層則基本不倒塌，如圖5所示，或上部樓層也跟隨倒塌，1995年日本坂神地震中一些高層建筑也發生此類塌垮；另一類是整體性較差的結構(例如預制裝配式樓板)，首層局部承重墻或柱破壞后，引起上部結構發生豎向連續倒塌，如圖6所示，此類倒塌可稱為局部豎向倒塌。對于樓層塌垮，可以通過提高樓層的抗側能力，調整層問剛度，使剛度沿建筑高度的分布較均勻，避免出現較弱的薄弱層來避免發生樓層塌垮，這在規范中已有體現；對于局部豎向連續倒塌，則應通過增加構件的連續性和樓層的冗余度，使結構具有抗連續倒塌的能力，避免局部破壞在結構中擴散，規范中還缺少有關這方面的內容。

　　圖7是一底框建筑首層柱發生破壞，而由于上部結構的整體性和連續性較好，沒發生連續破壞。圖8是一磚混結構，位于烈度達到11度的映秀鎮漩口中學，底層倒塌，但由于采用現澆混凝土樓蓋，盡管變形很大，沒有發生連續倒塌。

    圖9則是2008年11月23日，抗震設防為6度的廣西鳳山縣發生一起特大地質災害中，一座6層樓房第3層山墻被巨大的滾石破壞，上部結構沒發生倒塌的實例。

　　研究和實踐證明，建筑結構經抗震設防后，不但具有抗御地震作用的能力，而且還具有防止由于爆炸、撞擊等其他偶然荷載造成結構局部破壞后發生連續倒塌的潛在能力。但是，建筑抗震設計與建筑抗倒塌設計是有一定區別的，可以在建筑抗震構造措施中考慮抗倒塌的要求，達到基本滿足抗倒塌目的，使經過建筑抗震設計的建筑結構，同時具備抗御其他偶然荷載的能力。

4、鋼筋混凝土框架結構抗倒塌措施

    自1968年5月16 Et發生在英國倫敦的Ronan Point公寓倒塌事件，引起人們對高層建筑因部分結構或構件破壞而導致整個結構破壞的廣泛關注。Ronan Point公寓是22層裝配式混凝土板式建筑，由于位于18層角部的廚房內煤氣爆炸將其外承重墻推倒，引發上部樓板墜落，墜落的樓板導致下部結構破壞，從而使建筑的角部從上到下全部破壞。1990年后，隨著針對公共建筑炸彈恐怖襲擊事件的增多，美國開始關注如何提高民用建筑抗連續倒塌的能力，避免由于恐怖襲擊、意外事故等事件造成建筑出現局部破壞后，在結構中發生連鎖破壞，最終造成遠遠超過最初局部破壞范圍的破壞；并開展了相應的科學研究，提出了相應的設計方法，頒布了相關設計指南，在有關規范中增加了相應內容。

    由于地震、爆炸、撞擊和其他意外事故的不確定性，期望一般建筑結構遭受意外的偶然荷載時，不發生局部破壞是不切實際的。但是，可以通過結構設計來限制局部破壞的擴散，避免或盡可能地減少連續倒塌。即建筑結構應能承受局部破壞，不發生局部破壞導致整體失穩或產生與局部破壞不成比例的破壞；應通過合理的結構布置，使結構可以將局部破壞區域的荷載轉移到相鄰區域保證整個結構不發生倒塌。為此需要結構有足夠的連續性、冗余度和耗能性能(延性)，這些需要通過構造措施來實現.

圖10貫通拉結筋布置示意圖

　　4.1設置貫通拉結筋加強配筋連續性

　　1976年唐山地震后，我國建筑抗震設計規范采用在磚混結構中設置圈梁、構造柱來增加結構的整體性，提高磚混結構的抗震能力，汶川地震中嚴格按照規范設置圈梁、構造柱的磚混結構很少發生倒塌，說明圈梁、構造柱確實能提高磚混結構的抗倒塌能力。鋼筋混凝土結構也可以采用“圈梁、構造柱”的概念，通過將梁、板、柱中的部分鋼筋沿結構周邊、樓層橫縱向和結構上下連續貫通，實現配筋的連續性，增強結構的整體性；當結構某豎向承重構件破壞時，上部結構能形成新的傳力途徑(如圖8所示)，保持整體結構的穩定。貫通拉結筋的布置位置及數量建議的方法，圖10是其布置圖，各類拉結筋應采用焊結或機械連結。

　　(1)樓層水平拉結筋

　　在每層樓面和屋面處的板或梁內沿兩個主軸方向布置，它應從結構平面的一側貫通到結構平面的另一側。作用是當其下部支撐構件(例如柱或墻)破壞時，連續的拉結筋能成為受拉的索。拉結筋可以分布在板內，也可以成組集中布置在梁內。拉結筋的問距不超過同方向結構最大跨度的1．5倍。每米寬度內部拉結筋的強度(kN／m)不應小于下列表達式的較大者：

　　式中：D為永久荷載；L為可變荷載；Lr為同方向結構的最大跨度；Ft為最小拉結筋強度，取60或(20+4n)兩者的較小值，n為結構的層數。

　　(2)周邊貫通拉結筋

　　在每層樓面和屋面處沿結構平面的周邊閉合布置，并且拉結筋的承載力不低于l.0Ft；周邊拉結筋若布置在現澆混凝土板內，則應在離邊緣1.2m的范圍內。周邊拉結筋的作用除具有與樓層水平拉結筋相同的作用外，還起連結內部拉結筋的作用。所以，如果內部拉結筋不能錨固在外柱或外墻內時，應可靠地與周邊拉結筋連結。

　　(3)豎向貫通拉結筋

　　結構的每根柱內都應布置從底到頂的垂直拉結筋。此拉結筋的承載力應大于柱所承擔的樓層豎向重力荷載。設此拉結筋的目的是當某樓層下部支撐破壞后，柱中的拉結筋可將該樓層的荷載傳遞到上部結構，形成新的傳力路線。

　　4.2框架梁底部縱向受拉鋼筋應全部貫通

　　框架結構如果某個柱發生破壞，如圖7所示，其上部框架梁的受力狀況將發生巨大變化，一是跨度將成倍增加；二是柱上截面彎矩將改變方向，由負彎矩成為正彎矩。此時，如果梁底部縱向鋼筋沿全梁不貫通，或在節點處不連續，則會發生塌跨。所以，框架梁底部縱向受拉鋼筋應沿梁全長全部貫通，不應截斷或彎起；并按受拉鋼筋在節點處可靠錨固。

　　4.3增加框架梁的延性提高結構的冗余度

　　圖3所示框架結構的薄弱層在首層，若地震時82中柱發生破壞，其結構內力與設計內力將有很大變化。圖1 1是B軸和2軸框架首層B2柱破壞后，在豎向不變荷載和50％可變荷載(1.0D+0.5L)作用F的彎矩圖。圖12是B軸和2軸框架的計算彎矩與結構彎矩承載力比值，在計算截面抗彎承載力時，鋼筋和混凝土強度取標準值，鋼筋強度再乘l.25超強系數。

圖12 8軸框架計算彎矩與抗彎承載力比值

　　由圖l2可見，首層1～3軸梁右端和跨中比值都大于l.0，經塑性內力重分布后，梁右端也會出現塑性鉸，該梁可能垮塌；同樣首層A～C軸梁也可能跨塌。由于規范中對梁柱箍筋的配置有嚴格的要求，框架梁的抗剪承載力有較大的安全儲備，此結構框架梁非加密區的抗剪承載力標準值為421kN，加密區的的抗剪承載力標準值為561kN，首層柱破壞后最大剪力為424kN，所以結構不會發生剪切破壞。

    綜上所述，經8度抗震設防的鋼筋混凝土框架結構，在某一框架柱破壞后，結構的抗剪承載力一般可滿足抗連續倒塌的要求，框架梁負彎矩承載力與計算內力相差較小，框架梁正彎矩承載力與計算內力相差較多，有可能出現由于抗彎承載力不足造成的豎向連續倒塌。

5、結論

    (1)由于科學技術發展水平所限，地震還很難預測和預報，我國6～7度低烈度設防區，發生大地震的危險性不容忽視，為保障人民生命財產的安全，低烈度區建筑抗震設計中“大震不倒”的設防水準應適當提高。

    (2)鋼筋混凝土整體現澆樓板對結構的“強柱弱梁”要求有較大影響，不考慮現澆樓板內鋼筋對梁抗彎承載力的有利影響會導致“弱柱強梁”的結果。所以，在進行“強柱弱梁”驗算時，應考慮負彎矩區有效受拉翼緣范圍內板鋼筋的作用。

參考文獻

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[4]樓寶堂．中國古今地震災情總匯[M]．北京：地震出版社，l996

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)