高层钢筋混凝土结构震害及抗震设计初探

2017-01-19贺高凯

中华建设 2017年6期

贺高凯

高层钢筋混凝土结构震害及抗震设计初探

贺高凯

我国位于世界两大地震构造系的交汇区域，是地震多发的国家之一，当前我国正处于新的地震活跃期。我国位于六度区以上的城市占城市总数的70%以上，近60%的大城市位于七度及七度以上的地震区。作为一种突发的自然灾害，地震具有不可预测性且发生的频率较高，目前高层建筑中多以钢筋混凝土结构体系为主。因此我国《建筑抗震设计规范》及《高层建筑混凝土技术规程》（本文后分别简称《抗规》及《高规》）规定在抗震设防烈度为6度及以上的地区，必须进行抗震设计，并且要求建筑物基本的抗震设防目标满足 “大震不倒，中震可修，小震不坏”的要求。本文将对高层钢筋混凝土结构的地震灾害及抗震设计进行初步探析。

一、高层钢筋混凝土结构的震害分析

相较于其他材料建造的房屋而言，钢筋混凝土结构房屋整体性好，因而具有良好的抗震性能，但若抗震设计不合理或不符合要求，高层钢筋混凝土结构房屋可能会产生严重的震害。而建筑结构震害的严重程度主要取决于地震特性和建筑结构自身特征两个因素。因此，下面就结构平面布置、框架结构、抗震墙结构、楼梯结构及填充墙结构等方面的震害进行简单介绍。

1.结构布置的震害

建筑物的平面布置不规则、质量和刚度分布不均匀、不对称而造成刚度中心和质量中心有较大的不重合，易使结构在地震时产生过大的扭转变形而严重破坏。另外，结构沿竖向布置的刚度严重不均匀时，刚度较小的楼层会成为薄弱层，将会导致局部变形过大，极易发生破坏甚至倒塌，如汶川地震时，大量的“下柔上刚”的结构或底部大空间结构的建筑底部完全破坏导致房屋整体倒塌；又如日本阪神地震时，大量的20层左右的高层建筑在第五层处因竖向刚度突变导致倒塌，主要是因为日本当时规范允许结构刚度及抗力在第五层以上相对较弱。除此之外还有结构布置中抗震缝设置问题，因相邻房屋或结构单元防震缝设置的宽度不够，导致其两侧的房屋或结构单元发生碰撞而产生震害。

2.框架结构的震害

框架结构的整体破坏形式一般分为延性破坏和脆性破坏，当塑性铰出现在框架梁两端，形成强柱弱梁，此时结构能承受较大整体变形，吸收较多地震能量，结构发生延性破坏；而当塑性铰出现在柱端，形成了强梁弱柱机制，结构发生脆性破坏。框架柱同时承受竖向轴力和两个主轴方向的弯矩与剪力的作用，受力状态复杂，一旦底部柱子发生破坏，整栋房屋就有倒塌的危险，因此在框架结构的抗震设计中提倡 “强柱弱梁”的承载能力设计原则。

3.抗震墙的震害

相较于框架结构而言，抗震墙结构、框架—抗震墙结构的抗震性能较好、震害相对较轻，高层钢筋混凝土结构中抗震墙的破坏主要是抗震墙底部的破坏和连梁的剪切破坏。抗震墙底部破坏表现为受压区混凝土大片压碎剥落，纵筋压屈，震害常出现在底部；而连梁是位于上下门窗洞口之间的联系墙肢的水平构件，往往高度大而跨度小，能吸收较多的地震作用，剪切效应明显，在反复荷载作用下易形成X形剪切裂缝，墙肢之间的连梁是抗震墙结构变形集中之处，所以连梁很容易发生破坏。

4.楼梯的震害

楼梯的震害是汶川地震中发现的一个新问题，以往的设计中没有考虑楼梯参与抗震计算，仅对楼梯进行竖向荷载作用下的静力分析分析和设计，而实际上楼梯对结构提供了较大的抗侧力刚度，并且对楼梯休息平台处框架柱抗震设计产生较大的不利影响。同时在水平地震的往复作用下，楼段板承受反复拉压作用，楼段板受力筋压屈或个别断裂，楼梯板完全拉断塌落。所以现行有关规范把楼梯结构的抗震设计做了两类明确的设计要求。

5.填充墙的震害

填充墙显著改变主体结构抗震性能，但由于其材料强度显著的变异性及脆性破坏模式，其抗震性能不易预测，填充墙通常被当作非结构构件，不参与结构抗震计算，目前国内外尚无明确的关于填充墙自身抗震性能的指标。砌筑式填充墙的砌块和砂浆抗拉强度都不高，其界面的粘结强度也较低，使得砌筑式填充墙在地震作用下很容易开裂，会引起使用者的心理恐慌，而填充墙倒塌的后果则更加严重。

二、高层钢筋混凝土结构的抗震设计

1.结构材料的选择

对于高层钢筋混凝土结构的抗震设计，为保证整体结构及结构构件的承载力和延性，《抗规》及《高规》都对高层钢筋混凝土结构的混凝土强度等级、钢材强度等建筑材料做了相应的规定，因此，在抗震设计时应该严格遵守规范、规程的规定。

2.结构抗震慨念设计

对于高层建筑钢筋混凝土结构应最大限度做到建筑形体（包括建筑平面形状及竖向变化）的规则、对称；建筑结构平面布置及刚度设计均匀、对称，竖向刚度均匀或变化均匀；各楼层质量延竖向分布均匀或变化合理；并优先选择符合《抗规》及《高规》规定的结构方案，确保《抗规》及《高规》等技术标准在单项工程抗震设计中的有效性和适宜性，同时应尽量避免选择复杂高层结构。

3.结构规则性

应严格控制建筑结构方案的规则性设计，控制结构单元建筑结构不规则的项次以及单项不规则的程度。不规则的建筑结构方案应按规定采取超过规范规定的加强措施；特别不规则的建筑结构方案应进行专门的研究和论证，并采取特别的加强措施；严重不规则的建筑结构方案不应采用。

4.结构体系的选择

高层钢筋混凝土结构的结构体系的选择应优先满足建设物功能的要求，确保建筑的适用性；其次应根据建筑物高度及功能、建筑结构最大适用高度、抗震设防要求及场地的地震条件，综合选择安全、适用、合理、经济的结构体系，高层钢筋混凝土结构体系的选择主要区别是建筑结构适用高度及结构体系抗侧力性能，结构体系抗侧力刚度过小难以满足建筑结构的正常使用极限状态要求，结构体系抗侧力刚度过大则会在相同的地震条件下产生相对较大的地震作用，且建筑经济合理性较差。

5.结构布置原则

在结构布置中结构抗侧力构件及竖向、水平承重构件宜平面全方向均匀、对称地设置，至少应沿纵横两个正交方向均匀、对称地设置，尽量避免不规则、非对称的斜交抗侧力构件布置，各类作用的传递应直接、就近、明确；对于框架结构尚应优先采用纵横双向框架或横向框架承重体系，另外为了保证结构具有足够的赘余度（约束）和耗能能力，高层建筑钢筋混凝土的框架结构不应采用单跨框架。

6.合理设置防震缝

当结构体系不同、平面形状不规则或竖向高度相差过大时，宜设置防震缝，将不规则的建筑结构划分成若干较为简单、规则的结构，提高建筑结构抗震性能，为防止由于防震缝宽度不够导致的两侧结构在地震中发生碰撞，防震缝宽度应考虑防震缝两侧结构体系、高度等不同的不利组合影响，同时应特别注意考虑抗震缝两侧结构单元不同地震工况下位移的不利组合影响。

7.隔墙与填充墙的选择

隔墙与填充墙墙体的材料及类型选择，应该根据抗震设防要求和预期目标、房屋高度、建筑体型及隔墙与填充墙墙体自身抗侧力性能等因素确定，应优先采用较为轻质的墙体材料；刚性隔墙与填充墙墙体的布置，应该避免结构形成刚度分布上的突变，同时隔墙与填充墙墙体与主体结构应该有可靠的拉结或连接，并能够适应主体结构不同方向的层间位移，高层建筑外墙板的连接件应该具有足够的延性和适当的转动能力。