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从震害谈房屋建筑的抗震性能


从震害谈房屋建筑的抗震性能

发布时间: 2012-06-06

来源:畅言网 | 作者 :刘平 | 五合国际(5+1 Werkhart)结构工程 师

2008 年 5 月 12 日, 在四川省汶川县发生的地震造成了巨大的人员和财产损失, 也使得人们对日常 居住的房屋,以及整个社会生活所涉及的各种公共建筑如办公楼、学校

、医院、商场等的安全性 引发了更多关注。那么我们现在居住或使用的房屋在地震中是否安全呢?让我们先从地震说起。

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一、地震与震害

地震是地球表层的快速振动,它发源于地下某一点,该点称为震源(focus)。振动从震源传出,在 地球中传播。地面上离震源最近的一点称为震中,它是接受振动最早的部位。地震发生时,最基 本的现象是地面的连续振动,主要是明显的晃动。极震区的人在感到大的晃动之前,有时首先感 到上下跳动。这是因为地震波从地内向地面传来,纵波首先到达的缘故。横波接着产生大振幅的 水平方向的晃动,是造成地震灾害的主要原因。

为了明确描述地震的大小和危害,专业上引入两个概念,即地震震级和地震烈度。震级是指地震

的大小;是以地震仪测定的每次地震活动释放的能量多少来确定的。我国目前使用的震级标准, 是国际上通用的里氏分级表,共分 9 个等级,在实际测量中,震级则是根据地震仪对地震波所作 的记录计算出来的。地震愈大,震级的数字也愈大,震级每差一级,通过地震被释放的能量约差 30 倍。烈度是指地震在地面造成的实际影响,表示地面运动的强度,也就是破坏程度。影响烈度 的因素有震级、距震源的远近、地面状况和地层构造等。

一次地震只有一个震级,而在不同的地方会表现出不同的强度,也就是破坏程度。影响烈度的因 素有震级、距震源的远近、地面状况和地层构造等。烈度一般分为 12 度,它是根据人们的感觉和 地震时地表产生的变动,还有对建筑物的影响来确定的。一般情况下仅就烈度和震源、震级间的 关系来说,震级越大震源越浅、烈度也越大。以本次汶川地震为例,震中汶川的烈度可达 11 度, 破坏程度表现为该地区绝大部分房屋倒塌或严重受损,地形地貌发生改变,而距汶川 100 多公里 的成都的烈度初步估计为 6~7 度,震害相对要轻得多。

地震除了以地面震动的方式对房屋建筑产生破坏外,还会引发很多次生灾害,进一步增加地震的 破坏性。这些次生灾害主要包括:地震引起火灾、水灾(海啸、水库垮坝等)、震后出现传染性 疾病(如瘟疫)、有毒物质泄漏(含放射性物质)、停产(含文化、教育事业)、生命线工程被 破坏(通讯、交通、供水、供电等),以及社会动乱(大规模逃亡、抢劫等)。如 1923 年日本关 东大地震死亡 58420 人,其中因地震引起火灾被烧死或因躲火跳河而淹死的人为全部死亡人数的 95%; 2004 年印度尼西亚大地震发生在位于印尼苏门答腊岛上的亚齐省, 地震引发的海啸席卷斯里 兰卡、泰国、印尼及印度等国,导致约 30 万人失踪或死亡。

二、从抗震性能看房屋建筑的工程抗震设计

地震的危害性如此之大,建筑物的抗震性能就显得尤为重要。目前我国抗震设计的目标是“小震 不坏,大震不倒”。即当地震烈度小于设防烈度时,房屋应基本完好;当地震烈度大于设防烈度 时,房屋建筑即使产生较大破坏,也应保证不出现即时的垮塌,以使人员能够有逃生的时间。

我国目前房屋建筑的结构形式主要有:以砖石为主要建筑材料的砌体结构;以钢筋混凝土为主要 建筑材料的钢筋混凝土框架结构,钢筋混凝土框架----剪力墙结构、钢筋混凝土剪力墙结构;以 钢材为主要建筑材料的钢结构框架以及钢与钢筋混凝土的组合结构。其中,住宅多为砌体结构或 钢筋混凝土剪力墙结构;公共建筑由于需要较大空间,一般为框架结构或框架----剪力墙结构。

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砌体结构和框架结构多见于多层建筑

从抗震性能的角度分析:砌体结构由于由砖、石等砌筑而成,砌块之间的连接较差,虽然设置了 钢筋混凝土构造柱、圈梁等加强措施,但当遇到强震时,在水平和竖向交替振动作用下,砌块之 间的连接容易被破坏,导致砌体松散,竖向受力构件破坏,建筑物垮塌;相比之下,框架结构能 够提供较为宽敞的使用空间,有利于建筑功能的组织和分割,但其抗侧刚度较弱,在强震作用下 易出现较大位移,导致结构产生较严重破坏,因此也属抗震不利结构。

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钢筋混凝土剪力墙结构多用于多高层住宅

钢筋混凝土剪力墙结构有较大的抗侧刚度,在地震作用下位移较小。经过抗震设计的剪力墙结构, 在大震作用下,破坏会局限于门窗洞口处出现裂缝,而即使墙体开裂,各墙肢也可支承楼板,不 会发生大规模的垮塌。从日本坂神地震的实例来看,钢筋混凝土剪力墙结构房屋未出现大的破坏, 震害较轻。

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框架----剪力墙结构主要用于公共建筑和多高层建筑

框架-剪力墙结构是在框架结构中合适的部位增设剪力墙, 在提供满足功能需要的大空间的同时, 由增设的剪力墙提供较大的抗侧刚度,提高结构的抗震性能。

上述各种结构形式的抗震性能,即指结构在小震和大震下的表现各不相同。总体来说,钢筋混凝 土剪力墙结构和框架-剪力墙结构的抗震性能较好, 砌体结构和框架结构的抗震性能相对差一些。

由于历史原因,在我国,80 年代以前的建筑大量存在,这些建筑大多未考虑抗震或抗震能力较差。 有些房屋虽经过抗震加固,整体抗震性能依然较差。在此次汶川地震中垮塌的房屋大部分为建造 较早的砌体结构和多层框架结构。同时,由于我国经济发展不均衡,在部分经济欠发达地区及交 通运输能力较差的地区,使用较易就地取材的砖石作为主要建筑材料的砌体结构在今后相当长的 时期内仍将大量存在,而作为低层公共建筑的主要结构形式,框架结构也将大量存在。因此如何 从设计上提高高设防烈度地区砌体结构和框架结构的抗震性能,特别是在罕遇的强震作用下的防 倒塌能力,应是今后工程抗震研究的重点。

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三、从建筑结构减轻地震灾害的新技术

近年来,随着科学技术的发展,新技术、新材料甚至新的设计思想得到大量的应用,大大丰富了 提高建筑抗震能力的手段。如使用更高强度的建筑材料,能够提高构件的极限承载能力并降低结 构自重。而与之相比,新技术、新设计思想的应用,能够更有效地减轻地震灾害。其中,隔震和 消能减震就是两种建筑结构减轻地震灾害的新技术。

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隔震技术在建筑结构中的应用

隔震技术是国际上热门的工程抗震新技术。它通过把隔震消能装置(如橡胶隔震垫)安放在结构 物底部和基础(或底部柱顶)之间,把上部结构和基础“隔开”。这样,改变了结构的动力特性 和动力作用,明显地减轻结构物的地震反应,达到“以柔克刚”的效果。国内外大量的试验和工 程实践证明, 隔震体系一般可使结构水平地震加速度反应下降 60%左右, 从而消除或有效减轻结构 的地震损坏,提高建筑物及其内部人员的安全性。隔震体系具有很大的垂直承载力(50T~2000T) 及很大的垂直压缩刚度,而其水平变形刚度较小(0.25kN/mm~1.8kN/mm),水平极限变位值较大 (10~50cm),它具有足够大的初始刚度,以抵抗风荷载和轻微地震,当强地震发生时,又能自由 柔性滑动,而变形过大时,刚度回升,具有保护和限位作用,钢板夹层橡胶隔震垫具有较大的复

位能力,在多次地震中自动瞬时复位。

同时,它耐久性能好,一般使用寿命可在七十年以上,远远超过一般民用建筑物五十年使用寿命 的要求。1994 年 1 月 17 日,美国洛杉矶大地震中,该市相距不远的两个医院,一个是隔震的,地 震时医师护士照常工作;另一个是不隔震的,损坏厉害,一直无法恢复工作。 1995 年 1 月 17 日, 日本神户大地震,该市的西部邮政大楼和松村研究所大楼等隔震房屋经受了地震的考验,房屋结 构安全完好,仪器、设备、装修等丝毫无损。根据其特性,一般来说隔震技术主要适用于较重要 的低层和多层建筑,如医院、学校、商场、科研机构以及重要的指挥职能单位。

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建筑结构消能减震技术的应用

结构消能减震技术的方法是指在结构的某些部位(如支撑、剪力墙、节点、连接缝或连接件等) 设置消能阻尼装置或元件,通过消能装置产生摩擦非线性滞回变形耗能来耗散或吸收地震能量以 减小主体结构的水平和竖向地震反应,从而避免结构产生破坏或倒塌,以达到减震抗震的目的。 这种方法主要用于高层或超高层建筑。

隔震和消能减震技术目前在日本,美国已有了一定数量的应用,并在震害中有较好的表现。我国 从九十年代开始,也以试点的方式在一些工程中应用了这些技术并取得了一些好的经验。新的抗 震设计规范已给出了隔震和消能减震技术工程应用的指导性意见,标志着这些新技术已进入实用 性阶段。

隔震和消能减震技术虽然能够大幅度提高建筑结构的抗震性能,但目前其建造成本较高,且其技 术从设计到构造,施工均较复杂,正确合理地掌握和实施尚存在一些问题,因此,新技术距离大 规模推广和应用还需要一定时间的准备。

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合理的建筑设计,也可提高建筑结构的安全可靠性

其实从建筑设计的角度出发,在正确的抗震理论指导下,依据合理的设计原则,同样可以提高甚 至保证建筑结构的安全可靠性。这些原则包括结构构件应具备足够大的承载能力;结构应具有足 够大的刚度以减小地震作用下的扭转和位移;结构应具有足够大的延性和耗能能力,这一点对结 构在强震作用下的安全性尤为重要。延性是指构件和结构屈服后,具有承载力不降低或基本不降 低、且有足够塑性变形能力的一种性能。延性大,说明塑性变形能力大,强度或承载力的降低缓 慢,从而有足够大的能力吸收和耗散地震能量,避免结构倒塌。

综合运用以上的抗震原则,以承载力,刚度和延性为主导目标,实施多道防线,刚柔结合的基本 理念,同时保证结构体型简单规则,结构受力和传力途径直接,整体结构与结构构件共同作用, 就可以从设计上确保建筑结构在地震作用下的安全性。

以著名美籍华裔设计师林同炎设计的尼加拉瓜首都马那瓜美洲银行大楼为例, 该楼 18 层 61 米高。 由于采取了多道防线,刚柔结合的概念设计思想,通过在总体系中预设薄弱环节作为强烈地震作 用下可被破坏但不影响整体安全的耗能构件保证结构的抗震性能。 在 1972 年马那瓜强烈地震作用 下,该楼仅出现少量裂缝,经过简单维修加固后至今仍可使用,而周围大量建筑物倒塌,5000 多 人死亡。美洲银行大楼在马那瓜地震中的表现充分证实了概念设计思想的创造性和前瞻性。说明 以承载力、刚度和延性为主导目标,在罕遇的强烈地震作用下,通过充分发挥结构和构件的延性 与耗能能力,仍可使结构具有足够的承载能力。

四、地震灾害对建筑行业的启示

工程抗震是一门在实践中不断发展的学科,每一次地震都会为我们提供新的信息,推动建筑抗震 设计向更好的方向发展,从而提高建筑的安全性。我国的建筑结构抗震的设计与研究五十多年来 取得了巨大的进步。而随着我国经济实力的提升,建筑结构设计中的安全储备大幅提高。近年来, 新技术,新型建材以及新的设计思想得到越来越多的应用,建造出大批高质量的建筑。这些在新 的抗震规范指导下设计的建筑,基本能够保证在地震下的设计目标。

应该看到,近年来在房地产行业,也确实存在着一些片面追求建筑造型的新奇独特,忽视建筑整 体抗震性能的问题。不论如何,对建筑结构来说,良好的抗震性能一定来自于相对简单的体型, 简单而直接的传力体系以及地震作用下结构的多道防线。考虑到地震可能造成的巨大灾难,防患 于未然,未雨绸缪是非常必要的。

同时,在考虑房屋建筑抗震能力的同时,也应高度重视由地震引发的次生灾害。对房屋建筑来说, 最主要的次生灾害就是火灾,以及由地震引起的地质灾害。因此在今后房屋设计中有必要增加结 构抗火设计,同时地基和基础的设计也应充分考虑到地基变形对房屋安全的影响。

地震是一场灾难,为了最大限度地保护人民以及整个社会的利益,建筑行业有责任更加努力地工 作,战胜灾难,建设美好的家园。


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