高層建筑震害研究

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【摘要】：簡要介紹了1985年墨西哥格雷羅7.3級地震和1996年麗江7.0級地震高層建筑震害特征。采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋震害預(yù)測方法對2000年姚安6.5級地震區(qū)的典型高層建筑進(jìn)行了計算,將計算結(jié)果與實(shí)際震害進(jìn)行了對比,分析了震害原因。

關(guān)鍵詞:  高層建筑;  震害分析;  震害預(yù)測 1　高層建筑震害概況　　 按照我國《鋼筋砼高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》JGJ3—91規(guī)定,8層和8層以上的房屋為高層房屋。 1.1　墨西哥地震高層建筑震害特征　　1985年墨西哥格雷羅(Guerrero)7.3級地震時,震中附近的建筑未受到嚴(yán)重破壞,而遠(yuǎn)在400多km以外的墨西哥城湖積區(qū)軟弱場地上的的高層建筑卻出現(xiàn)了的嚴(yán)重破壞現(xiàn)象,使10~15層的建筑遭到了前所未有的嚴(yán)重破壞和倒塌。 1.2　麗江7.0級地震高層建筑震害 1.2.1　麗江縣城埸地條件概況 麗江盆地為典型的斷陷盆地,麗江縣城位于麗江盆地中部,地形平坦開闊,地勢北高南低,平均坡度0.8%。除盆地東、西兩側(cè)邊緣出露少量基巖外,大部分地區(qū)為第四系所覆蓋。第四系最大厚度可達(dá)1200m以上,主要為下更新統(tǒng)蛇山組(Q1sh),厚187~1150m。麗江縣城地表主要為晚更新統(tǒng)冰水沉積和全新統(tǒng)河湖相沉積層。晚更新統(tǒng)冰水沉積北厚南薄,厚14~500余m,全新統(tǒng)層較薄,一般只有2~20m。根據(jù)城區(qū)不同位置24個鉆孔原位剪切波速測量結(jié)果,測試深度達(dá)35m,一般為20m左右。各土層剪切波速介于77~533m/s之間,多數(shù)在200~350m/s之間。參照規(guī)范[3]標(biāo)準(zhǔn),大部為Ⅱ類埸地土。 1.2.2　麗江7.0級地震高層建筑震害特征 1996年麗江7.0級地震,極震區(qū)為9度[5],麗江縣城處于極震區(qū)南部,高層建筑分布在縣城新區(qū),麗江縣城內(nèi)共有7幢高層建筑。其中基本完好2幢,占28.57%;輕微破壞4幢,占57.14%;中等破壞1幢,占14.29%。其典型高層建筑結(jié)構(gòu)概況和震害特征是: 麗江地區(qū)人民銀行為12層框剪結(jié)構(gòu),按9度地震進(jìn)行抗震設(shè)計,樁基礎(chǔ),樁長16m,樁基持力層為粉土,承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk≥800kPa,框架和剪力墻混凝土強(qiáng)度為C40,梁斷面為450mm×600mm。 震害特征:底層框架縱梁局部處斷裂,縫寬2~3 cm, 1~2層正面磁片局部脫落,填充墻多處輕微開裂,縫寬0.1~0.3 cm,長1~3m;麗江地區(qū)工商銀行位于?；萋纺厦?與地區(qū)人行只隔一條公路,地區(qū)工行為9〔10〕層框架樓,按9度地震進(jìn)行抗震設(shè)計,震后基本完好;麗江地區(qū)物資商場為8〔10〕層框架樓,按8度地震進(jìn)行抗震設(shè)計,毛石條形基礎(chǔ)深1.2m,地耐力18t/m2。震害特征:1~3層填充墻多處出現(xiàn)交叉剪切裂縫,縫寬2~5 cm,在裂縫交叉部位粉刷層脫落,主樓南北兩側(cè)均為2層的副樓,北面副樓屋蓋相對于主樓往北傾斜3 cm,由于主樓重量要比副樓大得多,地震時主樓的沉降量比副樓的大;麗江地區(qū)電訊大樓為9〔10〕層框架樓, 1~3層填充墻多處出現(xiàn)交叉剪切或水平裂縫,縫寬1~3 cm,長3~4m;黑白水大酒店為10〔13〕層框架樓,按8度地震進(jìn)行抗震設(shè)計,1~2層外墻面磁片局部脫落,填充墻輕微開裂。 為了將震害預(yù)測計算結(jié)果與實(shí)際震害進(jìn)行對比分析,本文采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋震害預(yù)測方法對2000年姚安6.5級地震區(qū)的高層建筑進(jìn)行了計算。 2　鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋震害預(yù)測方法　　 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋的抗震能力受多種因素影響,國內(nèi)外大量地震實(shí)例、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和理論研究表明,層間位移角的大小綜合反映了該層梁、柱、節(jié)點(diǎn)破壞的程度。因此,可以選取層間位移角作為剪切型多層鋼筋混凝土框架房屋震害預(yù)測的主要衡量指標(biāo)。水平地震作用按GB50011─2001規(guī)范采用底部剪力法計算,僅就地震作用而言,認(rèn)為設(shè)計部門按規(guī)范設(shè)計的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是滿足規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度要求的,因此,僅驗(yàn)算框架結(jié)構(gòu)房屋的抗震變形,并將之與變形允許值比較,從而預(yù)測其震害程度。層間彈性位移計算公式為 ΔUei=Qi∑Dij                                 (1) 式中,ΔUei為第i層層間彈性位移,Qi為第i層的地震剪力,∑Dij為第i層所有柱的剛度特征值之和?？紤]到結(jié)構(gòu)的彈塑性影響,層間彈塑性位移按下式計算: ΔUpi=ηp×Uei                                 (2) 式中:ΔUpi為第i層層間彈塑性位移;ηp為彈塑性位移增大系數(shù),當(dāng)薄弱層(部位)的屈服強(qiáng)度系數(shù)不小于相鄰層(部位)該系數(shù)平均值的0.8時,按規(guī)范[4]表5.5.4給定值采用,當(dāng)不大于該平均值的0.5時,按表內(nèi)相應(yīng)數(shù)值的1.5倍采用,其它情況采用內(nèi)插法取值;層間彈塑性位移角按下式計算: θpi=ΔupiHi                                   (3) 式中,Hi為第i層的層高。 由層間位移角,按下列范圍判定震害程度: 　基本完好　　　　　　　θp<1/800 輕微破壞　　　　　　　1/800 θp<1/400 中等破壞　　　　　　　1/400 θp<1/200 嚴(yán)重破壞　　　　　　　1/200 θp<1/100 毀　壞　　　　　　　　1/100 θp 3　震害預(yù)測結(jié)果　　 2000年姚安6.5級地震區(qū)遭受破壞的高層建筑主要有3幢,其中糧貿(mào)大廈和電力公司綜合樓位于姚安縣城,姚安縣城處于姚安盆地南部,離震中約20~30km。牟定鑫大酒店位于牟定縣城,牟定縣城處于牟定盆地北部,離震中約50~60km。 (1)姚安縣糧貿(mào)大廈結(jié)構(gòu)概況:該樓位于7度區(qū),為8層鋼筋混凝土現(xiàn)澆全框架結(jié)構(gòu),總建筑面積3261.4m2,1994年竣工,層高1~2層為4.5m,3層為3.9m,4~8層均為3m,鋼筋混凝土柱斷面1~3層為500mm×500mm,4~8層為450mm×450mm,梁、柱、板混凝土強(qiáng)度為C28,填充墻厚24cm,砂漿強(qiáng)度為M3.0,Ⅱ類場地土,按7度抗震設(shè)計。 姚安縣糧貿(mào)大廈和電力公司綜合樓震害預(yù)測計算結(jié)果列于?！　?shí)際震害:底層、2層?xùn)|端兩角圓弧形填充墻產(chǎn)生X型剪切裂縫,磁片脫落,1~3層填充墻局部開裂,實(shí)際震害為中等破壞,與震害預(yù)測結(jié)果一致。 破壞原因: 1)縱、橫向傳來的地震波在圓弧型墻體匯合,應(yīng)力集中而導(dǎo)致破壞;  2)裝飾墻底部無基礎(chǔ),以懸挑梁形式承重而破壞。 (2)姚安縣電力公司綜合樓結(jié)構(gòu)概況:該樓位于7度區(qū),為9層鋼筋混凝土現(xiàn)澆全框架結(jié)構(gòu),1,2層高各4.2m, 3層高3.9m, 4~8層高3.1m,9層高2.4m?？偨ㄖ娣e3158.75 m2,1997年竣工,鋼筋混凝土柱斷面為550mm×550mm,梁、柱、板混凝土強(qiáng)度1~3層為C25,4~9層為C20,磚砌體砂漿強(qiáng)度為M5.0,填充墻厚24cm,Ⅱ類場地土,按7度抗震設(shè)計。實(shí)際震害:各層填充墻在梁、柱結(jié)合部位局部輕微開裂,其中2層山墻水平裂縫長3.5m,寬1mm,1~3層電梯間墻面磁片局部脫落。實(shí)際震害為輕微破壞,與震害預(yù)測結(jié)果一致。 (3)牟定縣鑫大酒店結(jié)構(gòu)概況:該樓位于6度區(qū),為10層全框架,總建筑面積7396.56m2,2000年竣工,層高1層為4.8m,2~3層為4.2m,4~10層均為3m,鋼筋混凝土柱斷面500mm×600mm,梁、柱、板混凝土強(qiáng)度1~5層為C30,6~10層為C25,填充墻厚24cm,砂漿強(qiáng)度為M5.0,Ⅱ類場地土,按8度抗震設(shè)計。震害預(yù)測計算結(jié)果:列于表2。實(shí)際震害:1~3層填充墻在梁、柱結(jié)合部位局部輕微開裂。實(shí)際震害為輕微破壞,震害預(yù)測結(jié)果為基本完好,實(shí)際震害比震害預(yù)測結(jié)果重。 4　震害原因分析　　 (1)軟土上的高層建筑震害重。如墨西哥城湖區(qū)的嚴(yán)重破壞的一個重要原因是土層與結(jié)構(gòu)的雙重共振作用,地震波在墨西哥城的湖相沉積盆地內(nèi)多次反射,軟弱土層使得地面運(yùn)動加速度放大,持續(xù)時間延長,周期約為2s的近似于純簡諧振動的地面運(yùn)動持續(xù)時間長達(dá)180s左右,加速度峰值達(dá)0.18g。 (2)地基土變形引起的破壞。如麗江地區(qū)人民銀行由于地基土開裂,地面裂縫延伸到房屋框架上,使底層框架橫梁斷裂。 (3)地基基礎(chǔ)設(shè)計不合理。如麗江地區(qū)物資商埸為毛石條形基礎(chǔ),地震時由于地基產(chǎn)生不均勻沉降,使房屋嚴(yán)重傾斜。高層建筑的基礎(chǔ)一般應(yīng)采用鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)或箱形基礎(chǔ)。 (4)填充墻施工砌筑質(zhì)量差。如麗江地區(qū)物資商埸磚填充墻設(shè)計砂漿強(qiáng)度為M2.5,實(shí)測砂漿強(qiáng)度不足M1.0,致使1~3層填充墻開裂、酥碎。通過研究高層建筑震害,分析震害原因,可以從遭受破壞的高層建筑中吸取教訓(xùn);同時可以從強(qiáng)烈地震作用下仍然保持基本完好的高層建筑中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計,嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙進(jìn)行施工,加強(qiáng)施工監(jiān)督、檢查和管理,保證工程施工質(zhì)量。 參考文獻(xiàn): [1]　國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局. GB/T17742-1999,中國地震烈度表[S]. [2]　中國地震局.地震現(xiàn)場工作大綱和技術(shù)指南[M].北京:地震出版社,1998. [3]　GBJ11-89,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]. [4]　GB 50011,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]. [5]　王錫財,等.麗江7.0級地震麗江縣城房屋震害分析[J].地震研究,1997,20(4):417-423. [6]　王錫財,等.施甸5.9級地震房屋震害分析[J].自然災(zāi)害學(xué)報,2002,11(1):74-80