泸定地震中典型隔震建筑震害分析

吴小宾, 彭志桢, 周定松

(中国建筑西南设计研究院有限公司，成都 610042)

0 引言

隔震技术的运用在保护建筑结构免受强震作用危害同时,可减小上部结构构件尺寸,增大竖向构件间距,使得高烈度设防地区建筑结构布置较为灵活,建筑功能更加优化;由于能够有效降低上部建筑地震响应,对于非结构构件和设备也能起到保护作用。但过去的隔震建筑设防标准[1-2]主要以保护强震下主体结构安全为目标,对保持建筑功能正常使用要求并不明确,设计人员未能足够重视建筑做法、设备管道在强震下的工作可持续性。本文通过泸定地震两个隔震建筑的典型震害分析,梳理了目前隔震建筑设计的不足,特别是对照国务院颁布的《建设工程抗震管理条例》对“两区八类建筑”[3]提出的设防地震下保持正常使用功能的抗震设防标准,提出改进建议。

1 地震概况

2022年9月5日12时52分,四川省甘孜州泸定县发生6.8级地震。震中位于泸定县磨西镇(北纬29.59°,东经102.08°),震源深度16km。根据中国地震局发布的“泸定6.8级地震烈度图”[4],泸定地震波及的遭遇烈度为6度及以上的地区,其设防烈度基本不低于8度。据不完全统计,上述地区分布有约12栋隔震建筑,均为汶川地震后所建。本文所述两个隔震建筑均位于遭遇烈度9度区域,如图1所示。其余隔震建筑遭遇烈度为6度或7度。

图1 隔震建筑遭遇烈度图

2 某教学行政楼隔震建筑典型震损

2.1 隔震结构概况

该工程于2021年底建成,其抗震设防烈度为9度(0.40g)[5],地震分组第三组,场地类别Ⅱ类,特征周期0.45s。建筑由隔离缝分为五个结构单元,其中主楼采用基础隔震,底部设有地下隔震层,上部结构为框架-剪力墙结构,平面为“一”字形,中间为6层,两侧为2层裙房;正前方左右各有2层副楼,采用框架抗震结构;正前和后方中间为单层阶梯(楼梯)平台,采用框架抗震结构。隔离缝宽度700mm以上,沿主楼四周设置;隔震层采用组合减隔震方式,共设置54个直径为1 100mm的隔震支座,其中LNB1100共8个,LRB1100共46个;横向和纵向各布置6组共12根VFD700×600杆式液压黏滞阻尼器,作为减小隔震层水平位移的措施。隔震层平面布置见图2,建筑鸟瞰图见图3,主楼与副楼剖面图见图4。

图2 隔震层平面布置图

图3 建筑鸟瞰图

图4 主楼与副楼剖面图

隔震层黏滞阻尼器两端在Y向与上、下支墩连接,在X向由于柱距较大,阻尼器长度不够,在隔震上层框架梁下设置悬臂式上支墩进行连接。阻尼器连接方式如图5所示。

图5 阻尼器连接示意图

2.2 隔震层震损分析

隔震支座整体表现较好,没有明显震害特征,除个别支座外基本复位,如图6所示。但设置的12根黏滞阻尼器部件均出现震害,包括阻尼器破坏、连接锚件破坏及支墩破坏。

图6 隔震支座震后情况较好

2.2.1 黏滞阻尼器破坏

黏滞阻尼器破坏主要表现为端部及中部出现弯折变形,如图7所示。而中部弯折变形主要由于缸筒与副筒连接松动及脱落引起,如图8所示。现场调查发现部分黏滞阻尼器活塞杆未出现运动,对比其参数设置与实际遭受地震的情况,原因可能是遭受的地震速度超过阻尼器设计速度,导致活塞杆锁死,力完全传至缸筒与副筒,使得两者的丝口连接被拉坏松动,甚至脱开,活塞杆受压屈曲而导致阻尼器变形。

图7 黏滞阻尼器端部及中部弯折变形

图8 阻尼器典型破坏形态

2.2.2 连接埋件破坏

与钢筋混凝土支墩的连接埋件破坏有3种:

(1)锚筋(φ20)与锚板(20mm厚)的T形焊接失效,锚筋脱落,如图9所示。埋件的锚筋与锚板的T形连接采用压力埋弧焊时,在地震动力反复作用下的可靠性存在问题,因此有必要采用融透性更好、更为可靠的穿孔塞焊,建议相关规范应予以明确。

图9 锚筋与钢板T形焊接失效

(2) 埋件连同混凝土锚固体一起被拉出,发生锚固破坏。现场量出锚筋锚固长度约255mm,不到15d(d为锚筋直径),锚筋锚固长度明显不够,导致发生群锚失效的情况,如图10所示。

图10 锚筋短而导致群锚失效

(3)锚筋拉断或拉出,如图11所示。说明预埋件受到的实际拉力超过预期的设计值,锚筋的数量及承载力不足,导致破坏。

图11 锚筋量少导致拉断或拉出

2.2.3 支墩破坏

钢筋混凝土支墩的破坏有两种情况:

(1)悬臂式上支墩局部斜拉破坏,裂缝宽度集中于个别斜裂缝,如图12所示。主要原因为阻尼器连接靠近支墩下端边缘,拉力扩散范围有限。因此,支墩设计应注意传力的有效性,阻尼器与钢筋混凝土支墩的连接位置应与支墩端部保持一定距离,并在支墩中设置局部抗剪钢筋,如弯起钢筋等。

图12 悬臂式上支墩破坏形态

(2)采用上、下支墩交错连接方式的上支墩受剪扭破坏,产生从支墩底部向上延伸至角部上方的斜裂缝,如图13所示。主要原因为上支墩随隔震上层发生位移后,与固定不动的下支墩发生错位,之间的阻尼器对支墩截面偏心,产生扭转力偶,导致支墩发生剪扭破坏,如图14所示。因此,支墩设计时应进行罕震地震作用下的隔震层大变形位移状态时的剪扭验算。

图13 上支墩受剪扭破坏

图14 支墩在隔震层大变形状态受剪扭作用示意图

2.3 隔离缝震损

竖向隔离缝的处理为隔震建筑设计的老大难问题。过去的隔震建筑设计以牺牲小我(建筑做法)、实现大我(结构安全)、创造价值(经济性好)的传统思路进行隔离缝的处理。例如2013年芦山地震时,采用隔震技术的芦山县人民医院门诊楼,地震后整体表现良好,但存在隔离缝震损问题[6]。

涉及竖向隔离缝的处理包括:隔震层与室外地坪、出入口地面;悬挂式电梯井道与地下室楼层;隔离缝两侧建筑间通道、屋面系统连接等。隔离缝构造处理不好,阻碍隔震上部结构在地震下的运动,易发生碰撞造成结构和非结构构件的震损,影响隔震建筑的正常使用,增加震后建筑功能恢复的难度。国务院744号令《建设工程抗震管理条例》的实施,要求设防地震下“两区八类建筑”保持正常使用功能[3],对抗震设防标准提出更高要求,在此背景下,过去以确保结构安全为主,对震后建筑正常使用未有严格要求的隔震设计思路需要进行调整,并采取系统性的改进措施来满足新要求。

2.3.1 主出入口处的竖向隔离缝震损

前后门阶梯或楼梯平台的建筑做法(C15或C20细石混凝土斜坡,长度1.7m)妨碍了隔震主楼位移,并受到推挤和来回碰撞,如图15所示。

图15 主出入口处的隔离缝震损及构造

因细石混凝土斜坡直接铺设在平台结构楼板上,其间未设可滑移的隔离层,由于其面积大且自身具有相当的强度,导致隔震主楼与平台斜坡发生推挤,其中后门楼梯平台发生约5°向外倾斜,框架梁柱端部出铰受损,如图16所示。

图16 后门楼梯平台受隔震主楼推挤受损

2.3.2 相邻建筑的隔离缝震损

建筑立面凸出部位被忽视,造成隔离缝宽度不够,产生碰撞,如图17所示。

图17 建筑立面凸出造成碰撞

副楼屋面与隔震主楼的建筑做法(外保温及装饰)未进行隔断划分,藕断丝连造成建筑面层破坏。与缝垂直方向的副楼女儿墙无避让间距,造成与隔震主楼碰撞,如图18所示。

图18 主楼与副楼相连建筑做法损坏

非隔震副楼砌体女儿墙构造柱与隔震主楼裙房屋面的竖向隔离缝盖板连接,地震时带动副楼砌体女儿墙垮塌,如图19所示。

图19 副楼女儿墙由于构造柱与主楼相连导致垮塌

隔震与非隔震建筑通道处隔离缝盖板简陋,支承长度不能满足隔震位移大小、多向位移需求,地震时掉落,给人员疏散造成困难,见图20。

图20 相邻建筑通道处隔离缝盖板掉落

2.3.3 室外地坪处的隔离缝震损

多处室外地坪处的隔离缝盖板未注意地震位移的多方向性,仅仅在一个方向处理成无障碍,其他方向未能避开相邻非隔震建筑,导致地震时发生未避让方向的碰撞,如图21所示。

水平隔离缝设置成斜坡形式,限制了顺坡方向的隔震建筑自由移动,如图22所示。

2.4 设备管道震损

穿越隔震层的管道不设柔性连接或柔性连接预留的可变形长度不够,导致管道拉脱,如图23所示。

图21 隔离缝盖板另一方向被阻导致碰撞图22 斜坡隔离缝碰撞图23 设备管道震损

2.5 隔震主楼震损

与隔震主楼相邻的非隔震副楼(2层框架结构),填充墙开裂较多且较严重,如图24所示。而隔震主楼结构构件基本完好,填充墙大部分完好,少量出现裂缝,如图25所示。

图24 非隔震副楼震损

图25 隔震主楼震损

从“保持正常使用”的角度看,隔震主楼出现电器箱柜倾倒、物品摔碎、掉落,玻璃隔断碎裂,吊顶掉落等,反映出隔震建筑因建筑构造做法等未处理得当而发生碰撞,导致隔震效果较理想隔震相去甚远,见图26。

3 某宿舍楼隔震建筑典型震损

3.1 隔震结构概况

该宿舍楼项目位于磨西镇,2016年建成。建筑设防类别为丙类。建筑面积约0.49万m2,无地下室,地上4层,房屋高度16.5m,如图27所示。采用框架结构,基础隔震。设防烈度为9度(0.4g),地震分组为第三组,场地类别为Ⅱ类。隔震后上部结构按8度(0.2g)地震输入进行设计(水平减震系数β=0.283)。该建筑在泸定地震中的遭遇烈度为9度。

图27 某宿舍楼概况

隔震层布置示意如图28所示。共布置32个隔震支座,其中8个LRB600、24个LRB700。隔震沟宽度240mm,地震时隔震层实际移动约240mm。

图28 隔震层布置示意图

3.2 隔震层震损

隔震层震后现场杂乱,见图29。隔震层未完全复位,主要震害包括:大量隔震支座损坏、未复位;紧贴隔震层边梁的砖砌体墙及其支承的竖向隔离缝盖板垮塌;水管拉脱、断裂;避雷连接铁条断裂。

图29 隔震层震后整体状态

3.2.1 隔震支座震损

位于建筑四角的LRB600隔震支座未复位,且在上封板或下封板处橡胶层断裂、错位,如图30所示。边、中间支座均有残余变形,其中中间支座残余变形相对较小,如图31所示。地震下,观测隔震层位移约240mm,小于0.55d(支座最小直径d为600mm)的值,说明隔震支座变形在相关标准要求[7]之内,但复位能力未达要求。

图30 建筑四角隔震支座震损

图31 边支座和中间支座未复位

3.2.2 隔离缝震损

竖向隔离缝处理简陋,是典型传统隔震建筑设计思路下的结果,隔离缝构造大样如图32所示。由于内支承砌体墙紧靠隔震层边梁,地震时被推倒,隔离缝盖板掉落,其震损如图33所示。

图32 隔离缝构造大样

图33 隔离缝震损

3.2.3 设备管道震损

设备管道穿越隔震层的做法思路与隔离缝处理如出一撤,以简陋方式处理的结果必然是地震时的破坏,如图34所示。

图34 设备管道穿越隔震层破坏

避雷连接件没有设置U形连接,预留可变形长度不够,被拉脱,如图35所示。

图35 避雷连接件拉脱

3.3 上部建筑震损

隔震层耗散了大部分地震能量,保护了上部结构,上部建筑结构震后基本完好,如图36所示。局部位置有墙皮、踢脚、物品掉落,如图37所示,说明上部结构移动时同周边有一定接触或碰撞,但力度不大。

图36 上部结构基本完好

图37 建筑饰面震损

4 总结与建议

泸定地震中两个隔震建筑是我国为数不多的设防烈度9度、遭遇烈度也达到9度的典型隔震建筑,分析其震害原因并加以总结,对于改进、完善隔震技术在推广应用过程中出现的问题和不足,特别是满足国务院744号令《建设工程抗震管理条例》所提出的“两区八类建筑”在设防地震下保持正常使用功能的要求,具有重要意义。

4.1 隔震设计需要全专业重视

(1)隔震建筑设计需要全专业协调配合,从方案到施工图应全阶段贯穿始终。方案阶段要解决好隔震层位置、隔离缝布置等关键问题,施工图阶段要解决好隔离缝构造、设备管道穿越等问题。应特别注意保证隔离缝同时满足各向位移需求。

(2)重视隔震方案的合理性[8],避免结构专业对其他专业的影响过大。特别是避免设缝过多,将建筑平面分隔过于零碎,造成建筑构造处理困难,导致碰撞可能性增加。

4.2 结构隔震设计

(1)注意隔震建筑地震位移的多向性,各方向都应同时预留足够变形空间。

(2)阻尼器预埋件的锚筋应严格按抗震要求进行锚固,锚筋与钢板的T形焊接应采用穿孔塞焊以提高焊接可靠性和抗地震动力反复作用能力。

(3)地震下,隔震层上、下支墩发生双向位移,支承于上、下支墩的消能器在大变形下所作用的阻尼力将偏离支墩重心,支墩设计应复核在偏心力作用下的剪扭承载力。

(4)宽度较大的隔离缝应注意防掉落及通行需求的设计及构造。

(5)隔震层应预留检修口,隔震层净高不易过小,并预留更换支座的操作条件。

4.3 建筑与设备的隔震设计

(1)建筑构造宜避免“藕断丝连”,即结构分离而建筑做法未能分隔。竖向隔离缝处宜设置易推离、防掉落、甚至可复位盖板,在盖板上覆盖楼地面建筑面层。

(2)隔震层应采取措施防止积水。

(3)穿越隔离缝的各类水管、通风管、天然气管应采用设置U形变形段的软连接[9],预留长度应足够。竖向管道不应占用竖向隔离缝空间。竖向管道井应按隔离缝要求进行设置。

4.4 施工、检验与验收

(1)强化主体设计院对隔震减震产品、埋件、连接件设计的监督责任。

(2)确保隔震减震产品进场见证检验的抽样随机性。

(3)建立隔震减震器件的产品身份信息和可追溯性的平台或系统。

4.5 建设单位责任

(1)对隔震技术应有全面了解。在分包有关建设项目如景观园林、天然气等应告知隔震要求并进行隔震设计。

(2)隔震层应保持干净清洁,无建筑功能的隔震层不得用于其他用处,如储物等。

(3)不应自行随意加建改造。

(4)发生地震及火灾后,对隔震产品进行外观初步检查,发现问题应通知设计施工等相关单位协商处理。

致谢：感谢中国建筑西南设计研究院有限公司熊耀清博士、西南交通大学潘毅教授提供部分资料。本文分析结果及建议仅供专业技术讨论参考,不作为对实际震害现象的结论性解释。