高层建筑震害研究

关键词:  高层建筑;  震害分析;  震害预测

1　高层建筑震害概况　　

按照我国《钢筋砼高层建筑结构设计与施工规程》JGJ3—91规定,8层和8层以上的房屋为高层房屋。

1.1　墨西哥地震高层建筑震害特征　　1985年墨西哥格雷罗(Guerrero)7.3级地震时,震中附近的建筑未受到严重破坏,而远在400多km以外的墨西哥城湖积区软弱场地上的的高层建筑却出现了的严重破坏现象,使10~15层的建筑遭到了前所未有的严重破坏和倒塌。

1.2　丽江7.0级地震高层建筑震害

1.2.1　丽江县城埸地条件概况

丽江盆地为典型的断陷盆地,丽江县城位于丽江盆地中部,地形平坦开阔,地势北高南低,平均坡度0.8%。除盆地东、西两侧边缘出露少量基岩外,大部分地区为第四系所覆盖。第四系最大厚度可达1200m以上,主要为下更新统蛇山组(Q1sh),厚187~1150m。丽江县城地表主要为晚更新统冰水沉积和全新统河湖相沉积层。晚更新统冰水沉积北厚南薄,厚14~500余m,全新统层较薄,一般只有2~20m。根据城区不同位置24个钻孔原位剪切波速测量结果,测试深度达35m,一般为20m左右。各土层剪切波速介于77~533m/s之间,多数在200~350m/s之间。参照规范[3]标准,大部为Ⅱ类埸地土。

1.2.2　丽江7.0级地震高层建筑震害特征

1996年丽江7.0级地震,极震区为9度[5],丽江县城处于极震区南部,高层建筑分布在县城新区,丽江县城内共有7幢高层建筑。其中基本完好2幢,占28.57%;轻微破坏4幢,占57.14%;中等破坏1幢,占14.29%。其典型高层建筑结构概况和震害特征是:

丽江地区人民银行为12层框剪结构,按9度地震进行抗震设计,桩基础,桩长16m,桩基持力层为粉土,承载力标准值fk≥800kPa,框架和剪力墙混凝土强度为C40,梁断面为450mm×600mm。

震害特征:底层框架纵梁局部处断裂,缝宽2~3 cm, 1~2层正面磁片局部脱落,填充墙多处轻微开裂,缝宽0.1~0.3 cm,长1~3m;丽江地区工商银行位于福惠路南面,与地区人行只隔一条公路,地区工行为9〔10〕层框架楼,按9度地震进行抗震设计,震后基本完好;丽江地区物资商场为8〔10〕层框架楼,按8度地震进行抗震设计,毛石条形基础深1.2m,地耐力18t/m2。震害特征:1~3层填充墙多处出现交叉剪切裂缝,缝宽2~5 cm,在裂缝交叉部位粉刷层脱落,主楼南北两侧均为2层的副楼,北面副楼屋盖相对于主楼往北倾斜3 cm,由于主楼重量要比副楼大得多,地震时主楼的沉降量比副楼的大;丽江地区电讯大楼为9〔10〕层框架楼, 1~3层填充墙多处出现交叉剪切或水平裂缝,缝宽1~3 cm,长3~4m;黑白水大酒店为10〔13〕层框架楼,按8度地震进行抗震设计,1~2层外墙面磁片局部脱落,填充墙轻微开裂。

为了将震害预测计算结果与实际震害进行对比分析,本文采用钢筋混凝土框架结构房屋震害预测方法对2000年姚安6.5级地震区的高层建筑进行了计算。

2　钢筋混凝土框架结构房屋震害预测方法　　

钢筋混凝土框架结构房屋的抗震能力受多种因素影响,国内外大量地震实例、实验室试验和理论研究表明,层间位移角的大小综合反映了该层梁、柱、节点破坏的程度。因此,可以选取层间位移角作为剪切型多层钢筋混凝土框架房屋震害预测的主要衡量指标。水平地震作用按GB50011─2001规范采用底部剪力法计算,仅就地震作用而言,认为设计部门按规范设计的钢筋混凝土框架结构是满足规范规定的强度要求的,因此,仅验算框架结构房屋的抗震变形,并将之与变形允许值比较,从而预测其震害程度。层间弹性位移计算公式为

ΔUei=Qi∑Dij                                 (1)

式中,ΔUei为第i层层间弹性位移,Qi为第i层的地震剪力,∑Dij为第i层所有柱的刚度特征值之和。考虑到结构的弹塑性影响,层间弹塑性位移按下式计算:

ΔUpi=ηp×Uei                                 (2)

式中:ΔUpi为第i层层间弹塑性位移;ηp为弹塑性位移增大系数,当薄弱层(部位)的屈服强度系数不小于相邻层(部位)该系数平均值的0.8时,按规范[4]表5.5.4给定值采用,当不大于该平均值的0.5时,按表内相应数值的1.5倍采用,其它情况采用内插法取值;层间弹塑性位移角按下式计算:

θpi=ΔupiHi                                   (3)

式中,Hi为第i层的层高。

由层间位移角,按下列范围判定震害程度:

　基本完好　　　　　　　θp<1/800

轻微破坏　　　　　　　1/800 θp<1/400

中等破坏　　　　　　　1/400 θp<1/200

严重破坏　　　　　　　1/200 θp<1/100

毁　坏　　　　　　　　1/100 θp

3　震害预测结果　　

2000年姚安6.5级地震区遭受破坏的高层建筑主要有3幢,其中粮贸大厦和电力公司综合楼位于姚安县城,姚安县城处于姚安盆地南部,离震中约20~30km。牟定鑫大酒店位于牟定县城,牟定县城处于牟定盆地北部,离震中约50~60km。

(1)姚安县粮贸大厦结构概况:该楼位于7度区,为8层钢筋混凝土现浇全框架结构,总建筑面积3261.4m2,1994年竣工,层高1~2层为4.5m,3层为3.9m,4~8层均为3m,钢筋混凝土柱断面1~3层为500mm×500mm,4~8层为450mm×450mm,梁、柱、板混凝土强度为C28,填充墙厚24cm,砂浆强度为M3.0,Ⅱ类场地土,按7度抗震设计。

姚安县粮贸大厦和电力公司综合楼震害预测计算结果列于。　　实际震害:底层、2层东端两角圆弧形填充墙产生X型剪切裂缝,磁片脱落,1~3层填充墙局部开裂,实际震害为中等破坏,与震害预测结果一致。

破坏原因:

1)纵、横向传来的地震波在圆弧型墙体汇合,应力集中而导致破坏; 

2)装饰墙底部无基础,以悬挑梁形式承重而破坏。

(2)姚安县电力公司综合楼结构概况:该楼位于7度区,为9层钢筋混凝土现浇全框架结构,1,2层高各4.2m, 3层高3.9m, 4~8层高3.1m,9层高2.4m。总建筑面积3158.75 m2,1997年竣工,钢筋混凝土柱断面为550mm×550mm,梁、柱、板混凝土强度1~3层为C25,4~9层为C20,砖砌体砂浆强度为M5.0,填充墙厚24cm,Ⅱ类场地土,按7度抗震设计。实际震害:各层填充墙在梁、柱结合部位局部轻微开裂,其中2层山墙水平裂缝长3.5m,宽1mm,1~3层电梯间墙面磁片局部脱落。实际震害为轻微破坏,与震害预测结果一致。

(3)牟定县鑫大酒店结构概况:该楼位于6度区,为10层全框架,总建筑面积7396.56m2,2000年竣工,层高1层为4.8m,2~3层为4.2m,4~10层均为3m,钢筋混凝土柱断面500mm×600mm,梁、柱、板混凝土强度1~5层为C30,6~10层为C25,填充墙厚24cm,砂浆强度为M5.0,Ⅱ类场地土,按8度抗震设计。震害预测计算结果:列于表2。实际震害:1~3层填充墙在梁、柱结合部位局部轻微开裂。实际震害为轻微破坏,震害预测结果为基本完好,实际震害比震害预测结果重。

4　震害原因分析　　

(1)软土上的高层建筑震害重。如墨西哥城湖区的严重破坏的一个重要原因是土层与结构的双重共振作用,地震波在墨西哥城的湖相沉积盆地内多次反射,软弱土层使得地面运动加速度放大,持续时间延长,周期约为2s的近似于纯简谐振动的地面运动持续时间长达180s左右,加速度峰值达0.18g。

(2)地基土变形引起的破坏。如丽江地区人民银行由于地基土开裂,地面裂缝延伸到房屋框架上,使底层框架横梁断裂。

(3)地基基础设计不合理。如丽江地区物资商埸为毛石条形基础,地震时由于地基产生不均匀沉降,使房屋严重倾斜。高层建筑的基础一般应采用钢筋混凝土桩基础或箱形基础。

(4)填充墙施工砌筑质量差。如丽江地区物资商埸砖填充墙设计砂浆强度为M2.5,实测砂浆强度不足M1.0,致使1~3层填充墙开裂、酥碎。通过研究高层建筑震害,分析震害原因,可以从遭受破坏的高层建筑中吸取教训;同时可以从强烈地震作用下仍然保持基本完好的高层建筑中总结经验。应严格按照规范进行抗震设计,严格按照设计图纸进行施工,加强施工监督、检查和管理,保证工程施工质量。

参考文献:

[1]　国家质量技术监督局. GB/T17742-1999,中国地震烈度表[S].

[2]　中国地震局.地震现场工作大纲和技术指南[M].北京:地震出版社,1998.

[3]　GBJ11-89,建筑抗震设计规范[S].

[4]　GB 50011,建筑抗震设计规范[S].

[5]　王锡财,等.丽江7.0级地震丽江县城房屋震害分析[J].地震研究,1997,20(4):417-423.

[6]　王锡财,等.施甸5.9级地震房屋震害分析[J].自然灾害学报,2002,11(1):74-80.