摘要：通过对地震的震害进行统计，发现钢筋混凝土框架结构房屋的破坏所占比重较大。在简要归纳此类房屋的主要震害现象的基础上，分析其破坏机理，并从抗震措施方面提出加强钢筋混凝土结构的抗震性能的对策措施，作为改进钢筋混凝土结构房屋抗震设计和提高施工质量的参考。
关键词：钢筋混凝土框架结构,震害机理,抗震设计
钢筋混凝土框架结构房屋是指由钢筋混凝土纵梁、横梁和柱等构件所组成的承重体系的房屋，框架房屋具有平面布置灵活、可任意分割房间，容易满足生产工艺和使用要求。它既可以用于大空间的商场、工业生产车间、礼堂，也可用于住宅、办公楼、医院和学校建筑。因此，框架房屋在单层和多层工业与民用建筑中获得了广泛应用。
框架结构自身重量轻，能有效减小地震作用。如果设计合理，框架结构的抗震性能一般较好，能达到很好的延性，但同时由于侧向刚度较小，地震时水平变形较大，易造成非结构构件的破坏。结构较高时，过大的水平位移引起的P—△效应也较大，从而使结构的损伤更为严重[1-2]。因此，在设计时必须严格限制框架结构的最大适用高度。
1 震害特性
1.1框架梁、柱的震害
框架梁、柱的震害主要反映在梁柱节点处。柱的震害重于梁，柱顶震害重于柱底，角柱震害重于内柱，短柱震害重于一般柱，震害情况如下。
1.1.1框架柱上下端出现塑性铰
为了实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，对于钢筋混凝土框架结构，要求采用“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件”的设计原则。然而地震中在框架梁基本完好的情况下，柱端出现塑性铰的情况非常普遍，如图1所示。地震灾区很多框架结构的垮塌源于柱端先于梁端破坏，发生一垮到底的现象。对此，不免产生这样的疑问：现行规范的设计方法能实现“强柱弱梁”吗？地震作用在板、梁、柱中的传递路径与设计时所采用的假定一致吗？因此，如何提高柱的承载力，如何考虑楼板对框架梁强度和刚度的贡献，以真正实现“强柱弱梁”值得商榷。
图1框架柱上下端出现塑性铰
1.1.2柱顶周围有水平裂缝、斜裂缝或交叉裂缝。
重者混凝土压碎崩落，柱内箍筋拉断，纵筋压曲成灯笼状，如图2所示，上部梁、板倾斜。
图2纵筋压曲成灯笼状
由于节点处的弯矩、剪力和轴力都比较大，柱的箍筋配置不足或锚固不好，在弯、剪、压共同作用下，使箍筋失效而导致出现此种震害。
1.1.3短柱破坏
当有错层、夹层或有半高的填充墙，或不适当地设置某些连系梁时，容易形成短柱（柱高与柱截面的边长之比小于4）。如：由于窗台墙体对柱子的约束作用，使柱子的有效长度减小了50%，成为短柱，如图3所示。
图3 短柱剪切破坏
柱子较短时，剪跨比过小，刚度过大，柱中吸收的地震力也较大，容易导致柱子的脆性剪切破坏，形成交叉裂缝乃至脆断。因此，结构设计应尽量避免形成短柱。
1.1.4节点破坏
节点核心区产生对角方向的斜裂缝或交叉斜裂缝，如图4所示，混凝土剪碎剥落。节点内箍筋很少或无箍筋时，柱纵向钢筋压曲外鼓。节点破坏将导致梁柱失去相互之间的联系。节点破坏的主要原因是节点的受剪承载力不足，约束箍筋太少，梁筋锚固长度不够以及施工质量差所引起。
图4节点破坏
1.1.5角柱破坏
房屋不可避免地发生扭转，因此角柱所受承载力最大，同时角柱又有双向弯矩作用，而其约束又较其他柱小，所以震害重于内柱。
1.1.6框架梁产生斜裂缝
在地震作用下，部分框架梁有斜裂缝产生，受损严重的梁，裂缝贯通。
1.2填充墙的震害
填充墙能够增加框架结构的整体刚度，人们想利用其刚度来减小框架结构在水平力作用下的侧移。在水平地震作用下，填充墙与框架是共同作用的，由于填充墙早期刚度大，吸收了较大的地震作用，然而因墙体受剪承载力低，变形能力小，墙体与框架缺乏有效的拉结，在往复变形时墙体易发生剪切破坏和散落。所以在地震中，框架结构中填充墙的破坏非常普遍，即使在地震烈度较低的地区，也会出现部分建筑物的填充墙和梁柱界面上出现明显的裂缝。填充墙的破坏形态与填充墙的几何形状、填充墙所用的砌体材料、填充墙与主体结构的连接情况等因素有关填充墙自身严重破坏的情况有出平面破坏（图5a 和图5b）、出现明显的45度斜裂缝（图5c）和部分压碎或坍塌（图5d）。用空心砌块砌体作为框架结构填充墙时，填充墙的自身破坏相比于实心砖砌体更为严重，此时填充墙的破坏有助于耗散地震能量，结构刚度降低，减小地震反应，从而保护了主体框架。此外，由于填充墙布置不均匀、不对称，造成建筑物的质量中心和刚度中心不重合，地震作用下结构发生整体扭转变形，导致梁柱或填充墙发生破坏的情况在地震灾区也较为常见。
图5 填充墙的破坏形态
填充墙与主体之间采用强连接，则其刚度参与整体工作不明确，对结构构件造成破坏；填充墙与主体之间采用弱连接，其自身稳定性则难以保证。地震中部分房屋建筑填充墙坍塌与人员逃生发生在同一时间，特别是作为逃生通道的楼梯间的填充墙倒塌，都造成了严重的人员伤亡，且修复费用高、难度大。综合考察其破坏情况，墙体与主体结构之间缺乏可靠连接，墙柱之间拉结钢筋数量不足甚至未布设拉结钢筋，填充墙自身稳定性未得到保证是重要原因。抗震设计规范2008年修改后已经新增了提高框架结构填充墙和维护结构安全性的内容，在今后的设计施工当中，轻质墙板是高层建筑、超高层建筑不错的选择。对于重要逃生通道的楼梯间过道的填充墙稳定性尤其值得重视，建议采用钢筋混凝土墙或配筋砌体。
从填充墙的破坏形态可以分析其在地震过程中所起的作用，有助于人们认识填充墙和框架结构相互作用的机理。在框架中合理地布置填充墙，结构设计时合理地考虑填充墙的影响，是确保框架结构获得良好的抗震性能的基本途径。
1.3结构布置不规则的震害
1.3.1扭转破坏
如果建筑物的平面布置不当而造成刚度中心和质量中心有较大的不重合，或者结构沿竖向刚度有过大的突然变化，则极易使结构在地震时产生严重破坏，这是由于过大的扭转反应或变形集中而引起的。
1.3.2薄弱层的破坏
图6 软弱底层房屋倒塌
出于对建筑物使用功能的考虑，如上部为住宅、下部为商业用房或车库，相对上部其他层，底层填充墙较少，甚至于没有填充墙，导致层间侧移刚度相差较大，地震作用下建筑物的侧移集中在底层，使之成为薄弱层。这种由于竖向刚度不连续造成侧移集中在底层的情况，在地震中屡见不鲜。如图6所示。
1.3.3应力集中
结构竖向布置产生很大突变时，在突变处由于应力集中会产生严重震害。
1.3.4防震缝处破坏
两建筑物间防震缝宽度留设不足，在地震时发生相互碰撞而破坏。
2 震害原因分析
2.1设计方面的原因
结构选型不合理，出现平、立面不规则的结构布置；未按强柱弱梁的抗震概念进行设计，柱子断面小、材料强度低、层刚度弱、实际轴压比超限；施工混凝土强度低，往往形成薄弱层，大震下弹塑性变形过大，形成层间屈服机制，从而造成框架柱压溃、折断、倾斜及节点破坏等，或造成整幢房屋或房屋底层的压扁、倾斜、平移等整体破坏。
规范中对填充墙的竖向布置并无量化的规定，导致结构设计人员无章可循。即使在汶川地震后的建筑抗震设计规范局部修订版中，也仅提出了如下要求“框架结构的围护墙和隔墙，应考虑其设置对结构抗震的不利影响，避免不合理设置而导致主体结构的破坏。”虽然作为新增的强制性条文列入规范，但设计人员在执行过程中仍存在很大的主观性。
2.2施工方面的原因
施工单位偷工减料，施工方法不当，浇注混凝土强度不足，梁柱配筋不足。特别是框架柱子的混凝土强度及配筋不足，实际轴压比往往超限，柱抗弯、抗剪、抗拔能力差，是造成整幢房屋倾倒、倾斜、压扁及柱子折断、压溃的重要原因。柱箍筋弯钩不是135度，大部分为90度，箍筋锚固差，加上无加密区等，对柱子混凝土约束很差，造成柱子压屈、压溃、剪切破坏等。柱局部抗压抗剪十分薄弱，大震下局部柱压溃或折断，造成整幢房屋倾倒或倾斜。
3 抗震设计
3.l平面布置结构、对称、质量和刚度变化均匀
一幢房屋的动力性能基本上取决于它的建筑布局和结构布置。建筑布局简单合理，结构布置符合抗震原则，就能从根本上保证房屋具有良好的耐震性能。
如果平面不规则，质心和刚心不重合，易发生扭转破坏使结构破坏；立面不规则，易产生突然削弱的薄弱层，导致地震力作用下的变形集中，从而使建筑物首先从该部位发生严重破坏，甚至整个建筑的破坏。
因此，建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。
3.2保证结构的延性抗震能力
合理选择了建筑结构后，就需要通过抗震措施来保证结构确实具有所需的延性抗震能
力，从而保证结构在中震、大震下实现抗震设防目标，抗震措施包括以下几个方面内容：强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件。保证结构延性以防止脆性破坏、承受某些偶然因素的作用、实现塑性内力重分布而有利于抗震，同时也符合经济要求。
3.3设置多道设防的抗震结构体系
多道抗震防线对抗震结构是必要的，当第一道防线的抗侧力构件在强烈地震袭击下遭到破坏后，后备的第二道至第三道防线的抗侧力构件立即接替，抵挡住后续的地震动的冲击，可保证建筑物最低限度的安全，免于倒塌。
3.4利用赘余构件增多抗震防线
在超静定结构构件中，赘余构件是第一道防线，由于主体已是静定或超静定结构，赘余构件破坏不会影响整个结构的稳定。超静定结构在超过其荷载能力时，先使多余杆件发生塑性变形，消耗吸收一部分能量，而保证整个结构的稳定性，减少地震破坏。超静定结构次数多，则消耗地震能量也就愈多，建筑抗震性能越强。
当建筑物受到地震动主脉冲卓越周期的作用时，一方面利用结构中增设的赘余构件的屈服和变形，来耗散输入的地震能量；另一方面利用赘余构件的破坏和退出工作，使整个结构从一种稳定体系过渡到另一种稳定体系，实现结构周期的变化，以避开地震动卓越周期长时间持续作用所引起的共振效应。
3.5 增强构件的相互连接
多个构件有可靠的连接才能保证各个构件的强度充分发挥，才能更好地传递地震力，使各个构件都能充分地吸收地震力，提高整个构件的延性。构件连接不破坏，整个结构才能保证其整体性，各构件之间的连接必须可靠。
3.6填充墙的利用
填充墙在地震力作用时可减轻主体结构的破坏，但混凝土填充墙可能会造成框架比较显著的局部破坏，所以说填充墙对主体结构抗震有有利和不利两种影响，应该在结构抗震时加以具体分析，深人研究不同填充墙布置情况下填充墙对框架结构抗震性能的影响，以期提出对填充墙布置的量化规定，具有重要的工程价值。同时要使隔墙和围墙在平面上要对称均匀分布、沿竖向连续均匀分布。
3.7隔震与消能减震设计问题
使用了隔震技术的建筑在 1994年美国洛杉矶地震和 1995年阪神地震中经受住了考验，隔震技术的可靠性和优越性逐渐得到了认识和承认。2001抗震设计规范吸收国内外研究成果中比较成熟的内容，增加了“隔震与消能减震”一章，但由于当时受各种条件制约，实际应用较少。隔震技术对于低层和多层建筑比较合适，隔震技术近年来发展较为成熟，2008年抗震规范修改以后，也取消了隔震与消能减震设计主要应用于对功能有特殊要求和抗震设防8度、9度建筑的限制。与复杂的主动控制技术相比，隔震技术简单而容易掌握；与传统抗震设计相比，在取得同样抗震能力时，造价更低。中国 70%以上的大城市位于7度或 7度以上地区，隔震与消能减震设计在未来在中国一定会有很好的发展。
4 结论
地震极具偶然性，但同时也极具破坏性，有难于把握的复杂性和不确定性。要准确预测建筑物所遭遇的地震的特性和参数，因此，建筑抗震概念设计显得十分重要。它从总体上把握了抗震设计的基本原则，主要包括：选择有利的抗震场地，优化的平立面布置，利用结构延性，设置多道防线，强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件的指导思想，构件之间应的可靠连接，重视非结构因素。同时，通过抗震计算提供定量手段，构造措施以保证结构整体性，加强结构局部薄弱环节，保证抗震计算结果的有效性。
参考文献：
[1]中华人民共和国国家标准，GB 50011-2010，抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[2]冯远,克艰,宜丰.汶川地震灾害引发建筑结构设计者的思考[J].建筑结构,2008,38(7):25-27.
许凯明工程师，1976.11
