园地的土木人，讨论一下地震区结构师的一篇文章

hujian2008

偶然看到地震区一位结构师的文章，园地的土木人甚至普通书友都来探讨一下，附全文：

纪念“5•12” ！
——从“5•12”地震看现行建筑抗震规范的漏洞
邹 军

一．砖混、框架、底框三种结构型式从规范来看哪种抗震能力强。
我们在“5.12”地震之前普遍认为砖混、框架、底框三种结构型式。框架是混凝土结构，承重、抗震由混凝土承担，抗震性能最好。砖混结构为砌体结构，结构体系明确，抗震性能次之。而底框结构，底层或底部两层为框架抗震墙结构，以上为砌体结构，竖向结构形式混杂，抗震性能最差，甚至有不少专家呼吁取消这种结构形式。但从这次“5.12”地震建筑物的破坏情况来看，框架结构破坏最为严重，砖混次之，底框抗震墙结构相对较好。拿破坏最严重的北川县城来说，在我的印象中，北川县城的框架结构房屋，四层以上的框架结构房屋，除北川大酒店未完全垮塌完外，其余全部垮完。北川中学两幢教学楼垮了，县委办公大楼垮了，北川县医院门诊大楼垮了，北川县财政大楼垮了，北川县国税局办公楼垮了，国税局青碧居垮了，信用联社大楼整体倒塌，县政府办公大楼整体倒塌，几乎所有的框架都垮了！我们不能把发生这种现象的原因归结为地震波叠加和建筑质量的优劣，亦不能归结为房屋共振效应。因为这些框架结构房屋星罗棋布于县城各处，而且同一单位其它结构型式的房屋并未垮塌，比如县委办公大楼垮了，而相距只有7—8米的县委住宅楼却只沉了一层并未垮塌，且这两幢大楼为同一老板修建，不能归结于质量问题。再如北川中学，北川中学两幢教学楼垮塌了，而相距很近的两幢学生公寓却完好无损，连裂缝都很少，据说也为同一老板修建。地震后笔者曾到过映秀镇，在映秀镇的漩口中学破坏情况亦是如此，两幢框架结构的教学楼一幢倒塌，一幢垮塌，而砖混结构的学生住宿楼虽破坏非常严重，但却未垮塌。共振的情况更说不上，因为我们知道，地震波从震源发出之后，地震波属于有阻尼振动，地震波在传播过程中逐步消耗能量，振幅会越来越小，周期会越来越大，波长会越来越长，就像水波的扩散一样，由公式λ=νT可以看出，在同一个介质中ν不变，水波离波源越远，波长λ愈大，周期T也愈大。‘5.12’地震时，绵阳市区的地震烈度约为8度，周期约为0.4S。那么北川县城和映秀镇的地震周期会更短。我们知道当建筑物的自振周期与地震周期相同或接近时就会形成共振。五层楼的全框架结构自振周期约为0.5S，层数愈多，周期愈大，框架结构为柔性结构，刚度比砖混和底框小很多，它的自振周期亦较砖混和底框为长，若说共振，在震中地映秀和北川，砖混和底框更易发生共振，故共振之说是行不通的。
建筑抗震规范规定：地震力全部由地震力作用方向的抗侧力构件承担。对于框架结构来说，无论地震力来自哪个方向抗侧力构件都只能是框架柱，故框架结构的抗震设防只有一道防线。对于砖混结构却不一样，当地震作用力平行于纵墙时，地震力全部由纵墙承担，横墙就已作为了安全储备，实际上这时横墙也要承担一部分地震力。当地震力平行于横墙时，地震力全部由横墙承担，纵墙就作为安全储备。实际上，这时纵墙也要承担一部分地震力。当横墙变形进入弹塑性阶段后，纵墙承担的地震力愈来愈大，这时横墙就是抗震的第一道防线，而纵墙就是抗震的第二道防线。而底框结构，底层和底部两层为框架--抗震墙结构，地震力全部由地震作用力方向的抗震墙承担，框架柱就作为第二道防线，实际上地震力的分配是按刚度分配的，有些框架柱的刚度甚至比抗震墙大。所以说从规范的角度看，底框结构和砖混结构的抗震性能优于框架结构。换句话说，就是抗震规范对于框架结构的考虑不足。
二．砖混结构为何出现斜向裂缝
我们知道梁的破坏形态，当梁的弯矩较大时，梁的下部跨中会出现平行于梁的水平裂缝，为什么呢？因为在梁的下部跨中部位只有平行于梁的水平拉应力存在，而框架梁的支座出现斜裂缝是由于粱支座部位既有弯矩，又有剪力，弯矩使梁产生拉应力（水平），剪力使梁产生剪应力（向下或向上），叠加后的应力呈斜向，故裂缝呈斜向。砖混结构在地震荷载作用下呈斜向裂缝也是这个道理，地震力使墙体产生水平方向的剪应力，重力荷载作用下墙体应力为压应力，向下，两者叠加后就形成了斜向应力，故破坏应沿斜向。我们注意到越接近底层，墙体裂缝与水平方向的夹角越大，越接近顶层墙体裂缝与水平方向的夹角越小。这一点可以印证上述原理。
三．破解砖混结构的破坏位置
砖混结构在地震力作用下的破坏位置虽然视情况不一，各处都有，但还是有规律可循的，归纳起来有一下几点：
1. 从楼层看，破坏最为严重的部位一般在底层、顶层和出屋面楼梯间。这是可以理解的，底层容易破坏是因为底层的地震剪力最大，而顶层和出屋面楼梯间容易破坏主要是因为顶层和出屋面楼梯间位移大，从而使其水平加速大较大，剪重比比下面的楼层都大。我们知道，当剪力一定时，压重越小物体越容易破坏，当物体在拉应力状态时更容易剪坏。
2. 横墙的主要破坏在门洞对应高度处。纵墙的破坏主要在窗洞口对应高度位置。纵墙由于开了较多的窗洞，纵墙被削弱。我们将纵墙沿竖向划分为三个部分：窗洞上、窗洞对应部分和窗台下。窗洞以上几乎未被削弱，故窗洞以上破坏最小，窗洞对应部分由于窗洞削弱了纵墙，故窗洞对应高度部分纵墙破坏最重，常见的X形裂缝多见于此处。另外楼梯间窗台下墙体在高度上正对应于窗洞位置也是薄弱位置，且压应力较小，常见裂缝。另外一个部分是窗台下墙体，因为有少量门洞削弱墙体，故窗台下对应墙体破坏较窗洞以上对应墙体破坏较重，且多破坏在正对应于窗台下，因为此处压应力最小。
3. 山墙、楼梯间以及较长的墙体也易于破坏。山墙易于破坏是由于山墙上不开洞，山墙刚度大，分配的地震力大，所以剪应力亦大。同时，山墙较其他横墙压重较小，压应力较低。楼梯间横墙易于破坏也有同样的原因，首先楼梯间横墙较长，刚度大。另外，楼梯平台在层高的半高处增加了一道约束（平台板），由于高度降低了一半，楼梯间的板使刚度增加了一倍，分配的地震力也增加了一倍，同时楼梯间横墙压应力也较低且不均匀，造成楼梯间横墙易于破坏。无论纵墙或横墙较长的墙肢都易于破坏，因为墙体愈长，刚度愈大，分配的地剪力亦愈大。求算地震力的分配时，都假定各墙体的顶点水平位移大小相同。我们知道同材质的构件，当顶点位移相同时，刚度越大，构件越容易破坏。所以墙越长越容易破坏，墙越短越不容易破坏。对于较长的墙体在可能的情况下，我们首选开设洞口，其次是在其中加设构造柱增强该墙段的抗力。对于楼梯间最好将层高半高处的平台板由横墙承重，改为纵墙承重，使其刚度降低。其次才是增加构造柱。
四． 为什么说规范对框架结构考虑不足
前面已经提到框架结构只有一道抗震设防防线，为解决这一问题，我们可以增加一些不进入抗震计算的柱或剪力墙，或将填充墙改为实心页岩砖墙等措施。规范对框架结构考虑不足，具体说来还有以下几点：
1. 强柱弱梁考虑不足。这次地震，框架结构破坏绝大多数是由于框架柱的破坏造成的，而梁的破坏，相对却轻微的多，其中一个重要原因就是强柱弱梁考虑不足。比如对于三级框架，规范只是将柱端弯矩放大了5%，在计算上既没有增加剪力，也没有减小轴压比，更没有进行荷载最不利计算。
2. 框架柱施工缝留设位置不对。为便于施工，框架柱施工缝一般都留在楼面上和框架梁下口，同时框架填充墙的上部采用240高的滚砖。这种做法相当危险。因为框架柱的两个柱端弯矩最大，框架柱施工缝也未经特别处理，施工缝留设后，新旧混凝土的连结肯定没有一次浇筑成型的混凝土连结紧密，在施工缝位置强度就会降低，而框架填充墙砌筑滚砖的位置，在竖向上正是框架柱施工缝的位置。这就像是将一根木棒上刻了一条深深的刻痕。而我们就是在这木棒上刻痕的人！所以框架柱的破坏基本上都在梁顶施工缝的位置。
五．为什么说一般情况下地震力沿房屋的横向作用对房屋的破坏比沿房屋的纵向作用对房屋的破坏为大。
首先，对于框架结构来说，地震力沿房屋的横向作用时，地震力所产生的倾覆力矩使房屋两端金墙上的框架柱一端受拉、一端受压，经与重力荷载产生的轴力叠加后，两端金墙上柱的轴压比一端大为减小，另一端大为增加，由于横向长度大大小于纵向长度，这时两端金墙上框架柱轴压比的减小值和增加值都大大地大于地震力沿房屋纵向作用时山墙柱轴压比的增加值和减少值，这时框架柱的剪力不变，轴压比降低，剪重比迅速加大，框架柱易于破坏。对于砖混和底框来说也有同样的原因。砖混和底框还有另外一个原因。那就是砖混的横墙较长，横墙刚度比纵墙刚度大得多，当地震力沿横墙作用时，纵墙几乎不起作用。而当地震力沿纵墙作用时，这时纵墙刚度大于横墙刚度，但差异较地震力沿横墙作用时纵横墙刚度差异小得多。这时纵横墙共同参加抵抗地震力的作用，使墙体的抗力增大，房屋不易破坏。

二○○九年五月十二日

作者简介：
北川人，1965年出生，绵阳市涪江建筑设计所工作，注册结构工程师。毕业于北川中学、重庆建工学院，北川大酒店结构设计人。

E-maill：zhoujun1965@126.com

hujian2008

自己先开个头：

1、对于作者所说的框架结构破坏程度普遍是最高的，这真是让我大吃一惊！
   因为网上看到的图片，砖混结构和底框结构的倒塌感觉应该多于框架结构，并且其它专业论坛的网友大多也是认为（有一些是去过地震区考察、工作的）砖混结构和底框结构的破坏是最严重最普遍的；但是因为作者来自地震区当地，因此暂不作继续评论。
2、对于作者所说的砖混墙体出现X形裂缝，实际上我认为材料力学中的应力理论足以解释，而作者所说的平行于梁的裂缝，感觉是不是刚好差了90度？梁底纯受拉区出现的裂缝应该是与垂直于梁轴线吧！
3、作者所说的砖混结构破坏位置，应该是与现行的抗震理论基本吻合的。
  “从楼层看，破坏最为严重的部位一般在底层、顶层和出屋面楼梯间。”一，受剪力最大点无疑在底层，因为此层所受的剪力无疑大于以上各楼层。二、楼梯间顶层因为有刚度突变，成为薄弱点。
  “横墙的主要破坏在门洞对应高度处。纵墙的破坏主要在窗洞口对应高度位置。”“山墙、楼梯间以及较长的墙体也易于破坏。”这些应该也是跟现行概念理论基本吻合的。
  4、最后，对作者对框架结构设计中提出的问题感觉确实有点道理，但这跟地震区划以及此次地震裂度大大高于设防裂度也有关系，在新的地震动区划图里应该已经有所反映。

  5、补充下钢论坛上网友的讨论，设计中应该特别重视楼梯的影响和楼梯部位的安全性！
简单说下粗浅看法，抗震设计因为对地震规律的把握性还不够，实际验证及实验验证还不够，计算理论（特别是对于常见的比如填充墙对整个体系的作用，材料在反复作用下的变化，砼和钢筋组合等）肯定也有不成熟的地方，因此，建筑安全、地震区人民生命、财产的安全，我们土木人责无旁贷！
  
中国加油，土木人加油！

秋风

自己还是个大二的土木学生，有一些还看不懂，但相当一部分用材料力学分析是相当有道理的 希望有更多的专业人士来分析，都为中国建设出一份力！
顶一下，好贴不沉