框架结构抗地震倒塌能力的研究

——汶川地震极震区几个框架结构震害案例的分析

叶列平1,陆新征1,赵世春2,李易1

1.清华大学土木工程系,北京1000842.西南交通大学土木工程系,四川成都610031

建筑结构学报/Journal of Building Structures, 2009, 30(6): 67-76.

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摘要:介绍了汶川地震中极震区几组相同场地条件情况下倒塌与未倒塌框架结构的震害案例,并分别采用弹塑性时程分析方法、推覆分析方法和基于IDA结构倒塌储备系数分析方法,对其中两个典型框架结构的抗地震倒塌能力进行了分析研究。在此基础上,结合国外关于结构抗地震倒塌计算方法及其相关研究,分析了影响结构抗倒塌能力的主要影响因素和评价指标。研究结果表明,保证结构的整体承载力储备和变形能力,增加结构的冗余度和整体性,采取有效措施使结构形成合理的屈服机制,充分利用填充墙使框架结构形成双重抗震防线,可显著提高框架结构的抗倒塌能力。最后提出了结构抗地震倒塌需进一步研究的问题。

关键词  汶川地震;框架结构;倒塌;弹塑性分析;结构倒塌储备系数;冗余度;整体性

中图分类号    文献标识码  A 

Seismic collapse resistance of RC frame structures

----Case studies on the seismic damages of several RC frame structures under extreme ground motion in Wenchuan Earthquake

Ye Lieping1, Lu Xinzheng1, Zhao Shichun2, Li Yi1

(1. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084, China2. Department of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Sichuan Chengdu, 610031)

Abstract: The seismic damage of several groups of RC frames in the hardest-hit zone of Wenchuan Earthquake is introduced. In each group, some frames collapsed while others survived, despite that they have similar site conditions. The collapse resistances of two typical frames in earthquake are analyzed with nonlinear time-history analysis, pushover analysis and collapse margin ratio (CMR) analysis which is based on incremental dynamic analysis (IDA). The corresponding collapse resistance researches and calculation methods in foreign countries are introduced. The main influencing factors and the evaluation indices that control the structural collapse resistance, as well as the global redundancy and integrity, are discussed. Based on this study, the collapse resistance of frames can be effectively improved with the following methods: (1) Guarantee the global loading resistance capacity and lateral deformation capacity; (2) Increase the redundancy and integrity; (3) Achieve rational yield mechanism with proposed engineering method; (4) Buildup dual-system for frame structures with infill walls. Finally, the problems that may need further researches on structural collapse are proposed.

Keywords:  Wenchuan Earthquake; RC frame; collapse; elastic-plastic analysis; collapse margin ratio; redundancy; integrity

0 引言

2008512日发生在我国四川汶川的8.0级特大地震,造成数百万栋房屋建筑倒塌破坏。根据作者的初步震害调查分析[1],倒塌比例较高的建筑类型主要有砖混结构、底框砖混结构和框架结构。砖混结构的倒塌大多是由于未按GB50011-2001《建筑抗震设计规范》[2]要求设置圈梁和构造柱;底框砖混结构是由于结构体系先天存在刚度薄弱层;框架结构大多是按《建筑抗震设计规范GB50011-2001》要求进行抗震设计,其倒塌原因主要是遭遇超设防烈度大震的地震,但与此同时在极震区,也有很多框架结构未倒塌,因此对框架结构的抗地震倒塌能力值得深入研究。本文以汶川地震中极震区几组倒塌与未倒塌框架结构震害案例的对比分析,对影响框架结构抗倒塌能力的因素进行了初步研究,提出了建筑结构抗震地震倒塌能力的评价方法和有关指标,并提出增强结构抗地震倒塌能力的主要措施。

1 汶川地震极震区的几个框架结构震害案例

1.1 漩口中学

漩口中学位于5.12汶川大地震震中的映秀镇,烈度达11度,共有8栋建筑,包括有:教学区楼群、办公楼、4栋教工宿舍、1栋学生宿舍和1个食堂(图1)。其中,教学区楼群又由7栋独立的框架结构组成,包括教学楼ABC及角部教学楼EF,阶梯教室D和中央楼梯间G。另外,食堂K、办公楼H和教工宿舍P也是框架结构,共有10个独立框架结构。教工宿舍(LMN)和学生宿舍J为砖混结构。

(a)516日航拍照片(新华网陈树根摄)               (b)平面图及总体震害情况

图1  漩口中学总体震害情况

Fig.1 Damage status of Xuankou middle school

2  教学楼AF和办公楼H及阶梯教室D的建筑平面

Fig.2  Plan of classroom A and F, office H and classroom D

教学楼ABCEF与中央楼梯间G成“回”字形布置,为中空活动内庭,如图1b所示,主体结构均为25层框架结构,其中一跨为教室、另一跨为走廊,教学楼A和角部教学楼F的建筑平面如图2所示。教学楼ABC向回字形外侧(跨度大的教室一侧)倒塌(图3a3d);教学楼F未倒塌(图3e),但震后爆破拆除倒塌;E倒塌状况与C类似(图3f)。阶梯教室D、办公楼H、中央楼梯间G和食堂未倒塌(图3g3k),但损坏较重。教工宿舍P底层倒塌(图3m),震后也爆破拆除倒塌。教工宿舍LMN为砖混结构,未倒塌,但破坏严重(图3n)。学生宿舍J也为砖混结构,底层倒塌,中部1个开间的隔墙倒塌(图3p)。

(a) 教学楼A南面

(b) 教学楼A北面

(c) 教学楼B

(d) 教学楼C

(e) 地震后角部教学楼F(李心民摄)

(f) 角部教学楼E

(g)阶梯教室D

(h)中央楼梯间G

(i) 食堂K南面

(j) 食堂K一层

(k)办公楼H

(m)教工宿舍P

(n) 教工宿舍ML

(p) 学生宿舍J

3 漩口中学各建筑的震害

Fig.3  Damage of buildings in Xuankou middle school

除旧教工宿舍N外,其余建筑2006年建成,为同一设计院按GB50011 -2001《建筑抗震设计规范》设计,同一施工单位建造,且处于同一场地,因此对建筑抗倒塌研究有很大的价值。

由于漩口中学位于5.12汶川特大地震震中极震区,实际地震烈度达11度,超过当地抗震设防烈度7度(1组)有3度之多,也超过了7度大震水平近2度,因此结构发生严重破坏和倒塌可以认为符合规范设防目标,况且据现场调查,教学楼倒塌也并非发生在5.128级主震时,而是在其后余震中倒塌或爆破拆除倒塌,人员伤亡很少。

由图1可见,南北朝向的建筑(如教学楼AB、教工宿舍P)震害比东西朝向的建筑(如教学楼C、中央楼梯间G和教师办公室H)更为严重,这与地震动的方向性有一定关系。

倒塌的教学楼与未倒塌的几栋框架结构相比差别在于:中央楼梯间G平面结构布置为纵向5跨(南北向)、横向1跨(东西向),无填充墙,自重轻,且有楼梯作为结构斜撑,抗侧刚度大、承载力高,地震时基本无活荷载;阶梯教室D仅两层,首层平面结构布置为纵向5跨(南北向)、横向3跨(东西向),高度远小于教学楼;食堂K也仅两层,平面结构布置为纵向6跨(东西向)、横向4跨(南北向),高度远小于教学楼,且地震时活荷载小;教师办公楼H为内廊式布局(图2),平面结构布置为横向3跨(东西向),纵向58开间(南北向),填充墙多,地震时活荷载小于教学楼,且地基有沉降变形,可能起到减震作用;⑤教工宿舍LMN,横向可能为3跨,且开间小,填充墙多。

1.2  映秀镇两栋框架结构

4为映秀镇某3层框架结构,南北向4跨,东西向6。该建筑1层坍塌,2层填充墙基本全部破坏,2层楼梯也完全破坏(图4b4c));3层填充墙虽破坏程度较重,但大多部分仍留存。从现场调查情况看,各层均有维护填充墙,内部填充墙较少,1层因坍塌无法确认底层填充墙的布置情况,但根据该建筑的用途判断,1层的填充墙布置与上部相似。映秀镇为震中区,地震动强度十分强烈,由于填充墙均采用空心砖,强度低、变形能力小,地震作用下1层受力最大,导致1层空心砖填充墙先发生破坏,使得1层的层间刚度显著降低形成薄弱层后,不能继续承受后续的地震作用而导致1层坍塌。

(a)东立面

(b)西立面

(c)南立面,1层柱破坏坍塌

(d)西立面1层柱破坏坍塌

4 映秀镇某3层框架结构震害

Fig.4  Damage of a 3-stories frame building at Yingxiu Town

5为与图4所示3层框架建筑一路相隔的另一4层框架结构,南北向2跨,东西向9跨。该框架结构内横墙采用实心砖填充墙,且数量较多,并嵌入框架中。外纵向维护墙虽也采用实心砖,但未嵌入框架中,地震中外闪掉落严重(图5b)。尽管如此,由于横向框架梁柱与实心砖填充墙基本形成框架约束砌体,横向填充墙有效参与结构受力,显著增强了结构横向的承载力,同时纵向跨数较多,且该建筑平面也比较简单、规则,故该建筑未发生如图4所示的1层倒塌震害。在震中近11度的高烈度区,其震害程度属于可接受。

(a)外横墙框架-填充墙

(b)底层门廊填充墙

5 映秀镇某4层框架结构震害

Fig.5 Damage of a 4-stories RC frame at Yingxiu Town

1.3  北川县某教学楼和某办公楼

北川职教中心由南、北两栋教学楼,一栋学生宿舍楼和两个独立的角部连接建筑组成,平面成Π形布置(见图6a,各建筑之间设置抗震缝。在此次地震中,南、北教学楼均未倒塌。7为南教学楼的震害情况,为单跨三层框架结构(顶层另有一层轻质附加层),悬挑外走廊。南、北两栋教学楼虽严重破坏,但未倒塌。现场考察显示,该教学楼采用预制空心楼板,楼板未对框架梁有增强作用,框架梁端形成塑性铰(图7c7e)。此外,纵向填充墙少,结构自重轻。横向虽仅有1跨,但采用实心砖填充墙,增强了结构的横向承载力。横向实心砖填充墙和框架梁的破坏提高了结构的耗能能力。

(a) 职教中心平面图

(b)底层倒塌的学生宿舍

(c) 南角部分倒塌

(d) 北角部分倒塌

图6  北川职教中心震害

Fig.6 Damage of school buildings at Beichuan

(a) 南立面

(b) 北立面

(c)1层入口东侧填充墙倒塌,框架梁端破坏

(d)入口1层西侧,填充墙破坏

(e) 1层框架梁端破坏

7 北川职教中心南教学楼震害

Fig.7 Damage of south classroom building, Beichuan

8为北川青少年活动中心的结构震害。该建筑为8层钢筋混凝土框架结构,框架柱为圆柱,地震后呈整体扭转倒塌,倒塌后柱顶端折断。该建筑距北川职教中心仅100多米,是北川县最高的建筑,且场地条件优于北川职教中心。现场考察显示,下部楼层用粉煤灰砌块做填充墙,且数量不多,而顶部楼层因建筑造型需要,填充墙数量多,重量较大,再加上层数多,发生完全倒塌。


(a)北川县城全景及北川青少年活动中心

的位置

(b) 倒塌后的北川青少年活动中心的北面

(c) 倒塌后的北川青少年活动中心的东面

(d) 倒塌后的北川青少年活动中心顶部

8 北川青少年活动中心的结构震害

Fig.8  Damage of 8-stories RC frame, Beichuan

2 漩口中学教学楼A和办公楼H的抗震性能分析

2.1  弹塑性时程分析

由于缺少上述各建筑的详细资料和建筑场地的实际地震动记录,因此对上述各建筑震害和倒塌无法逐一准确模拟再现。目前仅获得漩口中学教学楼AF和办公楼H的建筑平面。为此,按GB50011-2001《建筑抗震设计规范》[2]PKPM软件对倒塌的教学楼A和未倒塌的办公楼H进行重新设计,然后用弹塑性动力时程分析方法对其进行分析。地震动输入采用汶川地震中记录到的什邡-八角波(NS+UD),并将地震动峰值加速度PGA调整为1g(我国地震烈度表11度无对应峰值加速度PGA,所以按10度水准取PGA=1g。汶川地震记录到的PGA最大约为1g),分析得到的结果见图9。分析结果表明,在相同的地震动强度输入下,教学楼A发生倒塌,而办公楼H未倒塌。同时,由图9a可见,教学楼A的倒塌破坏起始于底层中柱柱头破坏,底层倒塌倾向于走廊一侧,上部倾向于教室一侧,与实际震害一致。由于汶川地震具有明显的方向性,教学楼A和办公楼H均采用什邡-八角波(NS+UD),按结构横向平面框架模型计算,这对于横向为东西向的办公楼H较为不利。由图9还可见,教学楼A框架柱的塑性铰主要集中在底部1~2层,且上部楼层的梁端塑性铰数量也不多;而办公楼H框架柱的塑性铰则基本各层均有,且梁端也大多形成塑性铰。出现塑性铰的数量代表结构耗能能力的大小。在超过设防烈度近3度的强烈地震作用下,出现柱铰难以避免,但如果柱铰数量多,则可增加整个结构在倒塌前的耗能能力。

倒塌前一时刻

t=17.42s

开始倒塌破坏

t=17.72s

最大位移时刻

t=18.94s

地震结束后

(a) 教学楼A

(b)办公楼H

9 汶川地震什邡-八角波(NS+UD)输入下教学楼A和办公楼H的破坏情况对比

Fig. 9 Comparison for the damages of Classroom Building A and Office Building H in Shifang-Bajiao (NS+UD) record of Wenchun Earthquake

: 梁铰; : 柱铰; : 破坏点

对两栋建筑采用倒三角分布水平荷载推覆分析得到的结构基底剪力(剪重比V/W)与结构顶点位移的关系见图10,可见办公楼H的承载能力显著大于教学楼A,且变形能力也大于教学楼A。若以推覆分析曲线上对应设计小震地震作用下的变形能E小震为基准,定义整个推覆曲线的变形能储备系数KE=E/E小震,其中E为推覆曲线的变形能,则办公楼的变形能储备系数为KE=113,而教室楼变形能储备系数为KE=24(向左)和KE=50(向右),可见办公楼H的变形能储备系数比教学楼A高出2倍以上。

10 教学楼A和办公楼H的推覆曲线对比

Fig. 10 Comparison for the pushover curves of Classroom Building A and Office Building H

2.2  抗地震倒塌能力分析

近年来,美国ATC委员会的ATC-63[3]计划提出采用基于增量动力分析(Incremental Dynamic AnalysisIDA)方法对建筑结构抗地震倒塌能力进行评价。该方法通过输入逐步增大地震记录强度的IDA分析,直至结构计算模型发生倒塌破坏,以倒塌时的地震动强度值作为结构抗倒塌能力的指标。但一次IDA分析只针对某一个具体地震记录进行,分析结果与所选择的地震记录有很大关系。为此,ATC-63计划建议通过大量地震记录(不少于20条)计算,来考虑不同地震动输入的差异影响。为此,ATC-63委员会推荐了相应的地震记录数据库[3]。对这些地震记录(总地震动数记为Nt)逐步增大地震动强度(ATC-63建议以结构1阶周期地震影响系数Sa(T1)作为地面运动强度指标),记在某一地震动强度下有Nc个地震记录发生倒塌,则Nc/Nt称为该地震动强度下结构的倒塌率(Collapse possibility)。随着地震强度不断增大,倒塌率也会不断增大,由此可以获得地震强度与结构倒塌率的关系曲线,该曲线称为结构的地震易损性曲线。如果结构在某一地面运动强度下,倒塌率为50%,即有50%的地震波输入发生了倒塌,则该地震动强度Sa(T1)50%)就作为结构的平均抗倒塌能力。将该地震动强度(Sa(T1)50%)和结构设计大震的地震动强度(Sa(T1)大震相对值定义为结构的倒塌储备系数CMRCollapse Margin Ratio),即,

CMR=Sa(T1)50%/ Sa(T1)大震                                                       (6)

式中Sa(T1)50%为有50地震输入出现倒塌对应的地震动强度Sa(T1)Sa(T1)大震为规范建议的大震地震动强度Sa(T1)

尽管采用上述分析方法仍存在诸多问题,如地震波的选取、结构倒塌数值计算模型、多向地震动输入影响、设计与实际资料信息和场地特异性等。但就目前情况,该方法所获得的结构倒塌储备系数CMR是对结构抗倒塌能力评价相对合理方法。CMR指标为判断不同结构的抗倒塌能力提供了一个比较科学的标准。

该方法需借助于模拟结构倒塌的非线性分析软件。近年来,清华大学在MSC.MARC软件上开发的THUFIBER程序,可以实现钢筋混凝土框架结构在地震下倒塌全过程的模拟[4-6]。基于THUFIBER程序和CMR分析所获得的漩口中学教学楼A和办公楼H的地震易损性曲线如图11所示。由图可见,教室楼ACMR约为2.5,而办公楼HCMR达到了5.3,超过教室楼ACMR也达2倍以上,这进一步说明了办公楼H的抗倒塌能力显著高于教学楼A

11 漩口中学教室楼A与办公楼H地震易损性比较

Fig. 11 Comparison for the fragility curves of Classroom Building A and Office Building H in Xuankou Middle School

3 影响结构抗地震倒塌能力的主要因素

在超设防大震水准的地震作用下房屋建筑发生倒塌并未违反GB50011- 2001建筑抗震设计规范》的设防目标,然而由以上相同场地不同框架结构的震害考察可知,框架结构有倒塌和未倒塌两种截然不同的结果。以上汶川地震极震区的几组框架结构的震害和分析结果表明,符合GB50011-2001《建筑抗震设计规范》设计要求的同类建筑,其抗倒塌能力存在很大差别,有必要采用CMR分析方法对各类建筑和不同情况同类建筑的抗地震倒塌能力进行系统研究,并对结构的抗地震倒塌能力作出必要的规定和定量计算。

文献[7]研究结果表明,结构抗地震倒塌能力主要与结构的整体承载能力、塑性变形能力、耗能能力、冗余度和整体性有关。

3.1 结构的整体承载能力与塑性变形能力

结构的整体抗震承载能力是结构抗倒塌能力的最基本要素。日本第二阶段抗震设计计算中所采用的“保有水平耐力”概念,实际上就是规定了结构在罕遇地震下的抗震承载能力需求[8]。对于规则框架结构,日本第二阶段设计时的基底剪力为第一阶段的1.5倍,严重不规则结构则约为3.4倍。而日本第一阶段设计时的基底剪力约为中国第一阶段设计的1.43[9]

美国根据长期抗震工程实践,ASCE7-02及以前版本中原本对延性框架结构有一个最小水平地震作用要求。然而在ASCE7-05规范中,将这个最小水平地震作用要求取消了。ATC委员会通过CMR分析,发现取消最小水平地震作用要求会导致8层以上延性框架结构的倒塌概率明显增大,可见根据传统经验的最小水平地震作用要求是有其内在合理性的,因而已经准备在新版的ASCE7规范中重新恢复[10]

根据汶川地震极震区倒塌与未倒塌的建筑对比,从概念角度可以判定(因无详细结构资料)未倒塌建筑结构的实际抗震承载能力储备比较大,比如漩口中学,中央楼梯间和食堂的人群活荷载较小,实际荷载远低于设计荷载,结构抗震承载力有较多的富余。而对漩口中学办公楼H的分析表明,其抗震承载力显著高于教学楼A,但分析中尚未考虑办公楼有填充墙的影响,若考虑填充墙的影响,其抗震承载力会更高。

纯框架结构仅为一道抗震防线,合理设置填充墙不仅可显著增大框架结构的抗震承载力,还可以作为框架结构的第一道抗震防线,使框架结构形成具有二道抗震防线的抗震体系。图5映秀镇未倒塌的4层框架结构和图7北川职教中心3层框架结构,均由于实心砖填充墙增强了整体结构的抗震承载能力。而图2漩口中学教学楼、图4映秀镇底层倒塌的3层框架结构和图8北川青少年活动中心,则因采用了强度较低、变形能力较小的空心砖填充墙,结果在超大震作用下形成各个击破而导致结构倒塌。因此,对于框架结构,合理利用填充墙作为第一道抗震防线,如砌体结构设置圈梁和构造柱一样,会显著提高框架结构的抗地震倒塌能力。此外,北川青少年活动中心因结构高度较大,其结构配筋基本取决于设计结果,而高度较低的框架结构的配筋通常取决于构造配筋,实际抗震承载能力比计算需求值有一定富余,因此层数较多的框架结构抗倒塌能力可能存在不足。

当结构抗震承载力相同时,显然结构塑性变形能力越大,抗倒地震倒塌能力也越大。本文前述教学楼A和办公楼H,用推覆分析曲线的变形能作为两者抗地震倒塌能力的比较指标,就是要同时考虑结构的抗震承载能力和塑性变形能力两者的共同影响。

3.2 结构的冗余度

除结构的承载能力和塑性变形能力外,结构冗余度和整体性也对结构抗地震倒塌能力也有很大影响。结构的抗震承载能力和变形能力可以通过力学方法计算获得,而结构冗余度和整体性目前还无明确的定量指标,但它们是保证结构预期的抗震承载能力和塑性变形能力得以充分有效发挥的必要条件。

结构的冗余度是反映其耐受意外事件的能力。当结构中单个构件失效后从结构中移除,剩余结构如不能适应由此造成的内力重分布而发生连续破坏,则该结构的冗余度就小;反之,结构的冗余度就大。对于框架结构,如果总高度、层数、层高均相同,则多跨框架的冗余度要大于少跨框架的冗余度;如果跨数也相同,则跨度越大,冗余度越小。此外,具有多道抗震防线的结构,冗余度大于单一抗震防线的结构,前述实心砖填充墙与框架结构在一定程度上就形成了二道抗震防线结构体系。

由漩口中学的几个框架结构的主要参数可知,倒塌的教学楼A明显比未倒塌的中央楼梯间G、阶梯教室D、食堂K、办公楼H的冗余度要小。角部教学楼F因南侧有阶梯教室D和北侧有教学楼C的支撑,增加了其冗余度,故也未倒塌。有一个值得讨论问题,漩口中学的教学楼群设计中采用抗震缝进行分离,使得各个独立的教学楼结构(教学楼ABC和角部教学楼EF)的冗余度显著降低。如果将整个回字形教学楼群按一个整体结构来设计,则整个结构仍然可视为规则结构,这将会有效增加整体结构的冗余度,有可能避免发生目前教学楼群的倒塌后果,局部应力集中的部位难免会产生不同程度的损坏,但与结构倒塌的后果相比,则是完全不同性质的问题了。

北川职教中心的南、北教学楼的情况也相似,角部结构因自身冗余度不足,全部倒塌(见图6c6d)。如果不设防震缝,将这些结构连接起来作为一个整体结构,则结构冗余度会显著提高,则有可能会避免两个角部结构的倒塌和学生宿舍的底层倒塌。

3.3 结构的整体性

结构的整体性是指在结构产生很大程度损坏的情况下,结构的整体构成形态未发生显著变化,结构中所有的构件能够充分发挥各自的承载能力和塑性变形能力。实现结构的整体性包括3个方面: 结构整体协同受力,合理分配结构中各个构件和楼层的刚度和强度,以实现结构的整体屈服机制,这可以使得整体结构的承载能力和变形能力能够得到最大程度地发挥。对于框架结构,就是要求实现“强柱弱梁”破坏机制。汶川地震中,大量的框架结构均发生柱铰破坏机制,所有倒塌的框架结构也基本都是以层屈服机制形式出现的。而前述北川职教中心教学楼虽然仅为单跨结构,冗余度不大,但因实现“强柱弱梁”屈服机制,再加上实心砖填充墙的帮助,以及本身层数不多,重量又比较轻,避免了倒塌。因此,根据这次汶川地震中大量框架结构未实现“强柱弱梁”的问题,需要对规范在保证结构实现整体屈服机制方面的有关规定进一步完善; 构件之间的连接构造措施应能保证实现结构直至倒塌破坏仍可保持整体受力,即所有构件应发挥其预定的能力。震害调查表明,漩口中学教学楼B和教学楼E框架柱底部施工缝连接构造存在问题,框架柱的承载力未得到充分发挥,加剧了发生层屈服机制发生的可能性,因此比教学楼A和教学楼C倒塌得更彻底。 足够的构件延性抗震构造措施,保证结构实现整体屈服机制目标时的承载力和变形能力,这一要求在很多框架结构抗震设计文献和抗震规范中均有明确规定。

4 结论与展望

本文根据汶川地震极震区几组倒塌和未倒塌框架结构的对比分析,对框架结构的抗地震倒塌能力进行了研究,得到以下结论:

(1) 结构的抗地震倒塌能力主要取决于其整体承载能力储备和相应的塑性变形能力。可采用基于IDA分析得到的结构倒塌储备系数CMR作为定量评价结构抗地震倒塌能力指标,也可采用推覆分析得到结构变形能储备指标。

(2) 充分利用填充墙使框架结构形成双重抗震防线,可显著提高框架结构抗震承载能力,提高其抗地震倒塌能力。填充墙自身应具有一定承载力和变形能力。

(3) 保证结构具有足够的冗余度可显著增强结构的抗地震倒塌能力。设计中应从整体角度提高整个结构的冗余度,不必设置过多的抗震缝。

(4) 增强结构整体性,采取有效措施保证实现结构整体屈服机制,可使得整体结构的承载能力和变形能力能够得到最大程度地发挥。为此,需对保证结构实现整体屈服机制的有关规定进一步完善

目前对房屋建筑抗地震倒塌的研究还很少,对于一般结构,规范未给出“大震不倒”的定量计算方法只是问题的一方面,还有很多问题需进一步研究,主要有以下几个方面:

各类建筑倒塌典型案例分析。汶川地震中,房屋建筑的倒塌类型多种多样,各类倒塌情况既与结构类型和结构形式有关,也与地震动特征有关。应从各类建筑(结构类型和结构形式)和各类场地(场地土、断层距、地形)中选出一些典型倒塌案例(包括同类建筑未倒塌的案例)进行详细深入分析,揭示造成倒塌和未倒塌的原因,如地震动强度太大、结构承载能力和变形能力存在不足、结构类型不合适、结构形式不合理、结构的不规则性影响、局部构造存在问题等。

目前,房屋建筑结构抗震设计主要是基于构件层次的结构设计方法,即依据设计地震力(设防地震的弹性地震力)作用下结构弹性分析,并与其它荷载作用下的内力组合所得到的设计内力,按结构构件层次的安全储备要求进行构件设计,再根据经验采取有关抗震构造措施,保证结构的延性。这种设计方法对于一般正常使用和可预期的地震强度,能够达到预期的设计目标。由于超大震作用下、特别是结构接近倒塌时结构进入显著的弹塑性受力阶段,基于构件层次的设计方法没有充分考虑结构构件间的相互作用,及其对整体结构承载能力和变形能力的影响,这是导致按相同标准设计但结构参数不同的建筑(如层数、跨数、层高、跨度、体型、是否设缝等)在超大震下震害结果有很大差别的原因。因此,需充分认识和研究结构构件之间的有利相互作用,并在设计中充分利用这种有利作用,可最大限度地提高整体结构的抗地震倒塌能力。

研究结构的地震倒塌准则和评价指标。根据本文的初步研究,结构的变形能储备是反映结构抗地震倒塌能力的主要指标。而影响整体结构变形能储备的因素很多,如结构体系、结构形式、用途、结构构件屈服机制和屈服次序、结构冗余度和整体性、非结构构件的利用等。因此,需根据实际建筑震害调查,并采用CMR分析方法对各类建筑的抗倒塌能力展开系统的研究,获得各类结构的倒塌准则和评价指标,为结构抗地震倒塌的定量计算提供依据。

对于同类结构形式、不同冗余度结构(如同样层数和层高,但跨度和跨数不同的框架结构)的抗地震倒塌能力开展研究,提出整体结构冗余度的设计要求。

充分利用汶川地震的震害资料,对各种抗震构造措施进行研究,充分保证结构的整体性。

为充分掌握结构抗地震倒塌能力,还应开展结构倒塌理论方面的研究,如结构倒塌机理、倒塌过程等,为抗地震倒塌研究提供科学依据。

基于上述研究,给出建筑结构大震抗倒塌的定量计算方法。

     

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基金项目: 国家自然科学基金重大研究计划重点项目资助(90815025国家科技支撑计划课题(2006BAJ03A02国家科技支撑计划项目2009BAJ28B01)。

作者简介叶列平(1960-),男,浙江温州人,教授博士生导师E-mail: ylp@tsinghua.edu.cn

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