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構房屋震害預測方法對2000年姚安6.5級地震區(qū)的典型高層建筑進行了計算,將計算結果與實際震害進行了對比,分析了震害原因。

關鍵詞:  高層建筑;  震害分析;  震害預測 1　高層建筑震害概況　　 按照我國《鋼筋砼高層建筑結構設計與施工規(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重破壞,而遠在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)了的嚴重破壞現(xiàn)象,使10~15層的建筑遭到了前所未有的嚴重破壞和倒塌。 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果,測試深度達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]標準,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%。其典型高層建筑結構概況和震害特征是: 麗江地區(qū)人民銀行為12層框剪結構,按9度地震進行抗震設計,樁基礎,樁長16m,樁基持力層為粉土,承載力標準值fk≥800kPa,框架和剪力墻混凝土強度為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度地震進行抗震設計,震后基本完好;麗江地區(qū)物資商場為8〔10〕層框架樓,按8度地震進行抗震設計,毛石條形基礎深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度地震進行抗震設計,1~2層外墻面磁片局部脫落,填充墻輕微開裂。 為了將震害預測計算結果與實際震害進行對比分析,本文采用鋼筋混凝土框架結構房屋震害預測方法對2000年姚安6.5級地震區(qū)的高層建筑進行了計算。 2　鋼筋混凝土框架結構房屋震害預測方法　　 鋼筋混凝土框架結構房屋的抗震能力受多種因素影響,國內(nèi)外大量地震實例、實驗室試驗和理論研究表明,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測的主要衡量指標。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,認為設計部門按規(guī)范設計的鋼筋混凝土框架結構是滿足規(guī)范規(guī)定的強度要求的,因此,僅驗算框架結構房屋的抗震變形,并將之與變形允許值比較,從而預測其震害程度。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]到結構的彈塑性影響,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),當薄弱層(部位)的屈服強度系數(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,當不大于該平均值的0.5時,按表內(nèi)相應數(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 嚴重破壞　　　　　　　1/200 θp<1/100 毀　壞　　　　　　　　1/100 θp 3　震害預測結果　　 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)大廈結構概況:該樓位于7度區(qū),為8層鋼筋混凝土現(xiàn)澆全框架結構,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、板混凝土強度為C28,填充墻厚24cm,砂漿強度為M3.0,Ⅱ類場地土,按7度抗震設計。 姚安縣糧貿(mào)大廈和電力公司綜合樓震害預測計算結果列于。　　實際震害:底層、2層東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,實際震害為中等破壞,與震害預測結果一致。 破壞原因: 1)縱、橫向傳來的地震波在圓弧型墻體匯合,應力集中而導致破壞;  2)裝飾墻底部無基礎,以懸挑梁形式承重而破壞。 (2)姚安縣電力公司綜合樓結構概況:該樓位于7度區(qū),為9層鋼筋混凝土現(xiàn)澆全框架結構,1,2層高各4.2m, 3層高3.9m, 4~8層高3.1m,9層高2.4m。總建筑面積3158.75 m2,1997年竣工,鋼筋混凝土柱斷面為550mm×550mm,梁、柱、板混凝土強度1~3層為C25,4~9層為C20,磚砌體砂漿強度為M5.0,填充墻厚24cm,Ⅱ類場地土,按7度抗震設計。實際震害:各層填充墻在梁、柱結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。實際震害為輕微破壞,與震害預測結果一致。 (3)牟定縣鑫大酒店結構概況: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、板混凝土強度1~5層為C30,6~10層為C25,填充墻厚24cm,砂漿強度為M5.0,Ⅱ類場地土,按8度抗震設計。震害預測計算結果:列于表2。實際震害:1~3層填充墻在梁、柱結合部位局部輕微開裂。實際震害為輕微破壞,震害預測結果為基本完好,實際震害比震害預測結果重。 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)的嚴重破壞的一個重要原因是土層與結構的雙重共振作用,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動持續(xù)時間長達180s左右,加速度峰值達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)地基基礎設計不合理。如麗江地區(qū)物資商埸為毛石條形基礎,地震時由于地基產(chǎn)生不均勻沉降,使房屋嚴重傾斜。高層建筑的基礎一般應采用鋼筋混凝土樁基礎或箱形基礎。 (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計砂漿強度為M2.5,實測砂漿強度不足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;同時可以從強烈地震作用下仍然保持基本完好的高層建筑中總結經(jīng)驗。應嚴格按照規(guī)范進行抗震設計,嚴格按照設計圖紙進行施工,加強施工監(jiān)督、檢查和管理,保證工程施工質(zhì)量。 參考文獻: [1]　國家質(zhì)量技術監(jiān)督局. GB/T17742-1999,中國地震烈度表[S]. [2]　中國地震局.地震現(xiàn)場工作大綱和技術指南[M].北京:地震出版社,1998. [3]　GBJ11-89,建筑抗震設計規(guī)范[S]. [4]　GB 50011,建筑抗震設計規(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].自然災害學報,2002,11(1):74-80