从震害教训看多高层建筑结构的概念设计

从震害教训看多高层建筑结构的概念设计周森（华南理工大学土木与交通学院广东广州510640）摘要：统计了1920s以来历次对建筑影响较大的地震的震害情况，对其震害原因进行了分类归纳。汇总了较为宏观的与总体建筑方案、结构布置以及与结构控制有关的概念设计的重要内容，并针对性地将震害原因与相关概念设计联系起来。本文工作为多高层建筑结构设计中进一步提高对概念设计清晰的认识，并减少引起震害的因素等方面提供了一定的参考价值。关键词：震害情况；原因分类；概念设计；联系中图分类号：TU973文献标识码：A文章编号：作者简介：周森（1986～），河南南阳人，从事于岩土工程地下结构设计方法与风险评估的研究。E-mail：[e-mail]h-risebuildingstructurefromtheperspectiveofseismicdamageZhouSen(CollegeofCivilEngineering&Transportation，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640，China)Abstract:Theearthquakeswhichhadhappenedsincethe1920simposingmajordamageonhigh-risebuildingstructurewerecollectedandthecharacteristicsoftheseismicdamagewereclassified.Theconceptualdesignconcerningwithbuildingprogram,arrangementofstructuresandcomponentswaspresentedindetailsincorrespondancewiththefactorsofseismicdamage.Thecontentsofstudymayprovideareferenceforthosewhoareengagedinstructualdesign.Keywords:seismicdamage;classifiedreasons;conceptualdesign;correspondance0引言地震是一种自然现象，世界上的地震主要分布在环太平洋地震带、欧亚地震带和海岭地震带等三大地震带。据统计，地球每年平均发生500万次左右的地震，其中5级以上的地震约1000次[1]。发生在人类聚居区的地震造成的最严重的直接后果之一是土木结构的破坏和失效，从而导致人员伤亡、财产损失等各种震害。随着地震活动的频繁加剧和多高层建筑结构的迅速发展，客观上要求设计人员充分考虑地震作用对建筑结构承载能力极限状态和正常使用极限状态的影响，以确保《建筑抗震设计规范》（GB5001-2001）规定的建筑结构三水准抗震设防目标，即：“小震不坏、中震可修、大震不倒”[2]。随着人们对建筑结构抗震认识的深入，地震作用的计算也经历了静力法、反应谱法和时称分析法等三个阶段。静力方法和反应谱法主要通过计算手段来设计构件以达到承载力要求。随着震害调查、分析的不断深入，基于承载力和延性的抗震设计概念研究也越来越受到人们的重视，使得以反应谱理论为基础，以三水准设防为目标，以构件承载力设计保证结构承载力，以构造措施保证结构延性的抗震设计方法也日益建立并完善起来。但是由于地震随机振动的复杂性和不确定性，要准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数，目前尚难做到；由于未能充分考虑结构的空间作用、结构材料的非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素，在结构分析方面也存在着不准确性[3]。因此，工程抗震问题不能完全依赖“计算设计”解决，而必须立足于“概念设计”。笔者在阅读建筑抗震设计规范（GB50011-2001）和高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）[4]中关于建筑结构抗震设计条文的基础上，搜集了大量的震害资料，对典型的震害原因进行归纳，汇总了较为宏观的与总体方案和布置以及与结构控制有关的概念设计的重要内容，以便有针对性地建立明确的设计概念，为多高层建筑结构设计中减少震害原因、提高对概念设计的清晰认识提供了一定的参考价值。1国内外大地震的情况由于每年全世界发生的震级不同的地震很多，也无法全部加以统计，笔者仅对1920s以来历次对建筑影响较大的地震（仅统计震级在7.0以上的地震），特别是与高层建筑有关的地震加以归纳整理[5]，地震概况如表1所示。表11920s以来国内外大地震概况时间地点震级建筑震害特点1923.9.1日本关东7.9级一8层钢混框架倒塌1940.11.10罗马尼亚7.4级一13层钢混框架完全倒塌1948.6.28日本福井7.2级一8层钢混框架毁坏1957.7.28墨西哥城7.6级11座钢混结构破坏1964.3.27阿拉斯加8.4级28座预应力钢混建筑中6座严重破坏1964.7.5日本新泻7.4级砂土液化引起较大震害1968.5.16十绳冲7.9级钢混柱破坏较多，短柱剪坏现象突出1977.3.5罗马尼亚7.2级33座高层框架倒塌，多数刚度不均匀1978.6.12宫成冲7.5级框架底层柱剪坏、外墙剪切裂缝多1978.7.28中国唐山7.8级砖石结构全部倒塌，13层框架倒塌1985.9.19墨西哥城8.1级软土冲积层卓越周期长，引起共振1989.10.17美国洛马7.1级软土地基造成多层砌体建筑破坏1995.1.17日本阪神7.2级结构不规则、中间薄弱层破坏严重1999.9.21中国台湾7.6级30所中小学校全毁坏1999.8.17土耳其7.4级地基液化、钢混箍筋不足破坏2008.5.12中国汶川8.0级框架围护结构、填充墙破坏严重[6]2震害原因归纳基于以上国内外大地震的基本情况和其他未列地震造成的典型震害特点的统计分析，并对照建筑抗震设计规范（GB50011-2001）的相关条文，将主要的震害原因归纳如下：2.1场地、地基特征地震对建筑物的破坏程度不仅与震级有关，还与震源深浅、震中距、场地土特征以及建筑物自身动力特性有关。一般来说建筑物在震级小、震源深、离震中距远的情况下遭到破坏的可能性较小。研究表明：1）地震波在土介质中传播时，地面运动中的短周期分量容易衰减，而长周期分量却传播较远[5]。1952年7月21日美国加利福尼亚州的科恩地震，距震中距112~128km的洛杉矶市的低层建筑轻微损害，而五、六层以上的钢混建筑发生强烈振动和破坏；相反距震中距很近的克恩县的一、二层砖石结构比多层钢混结构破坏严重[7]。2）在硬土中，短周期地震波保留较多。而在软土中，长周期的地震波传播得更远，且软土层愈厚，卓越周期愈长，地震波的振幅也愈加放大。1967年7月29日委内瑞拉地震，震中在加拉加斯市西北约70km的加勒比海中，地震烈度并不高，但加拉加斯市东部的高层建筑损害十分严重，覆盖土层厚度与震害的关系如图1所示[8]。3）场地土的卓越周期和建筑物的自振周期较为接近时，易发生共振，震害较为严重。墨西哥地震大都发生在其南部海岸近海，虽然距离震中距很远，但历次震害都比较严重。1957年震害发生率统计表明，该处11~16层建筑物破坏率最高，较低和较高的建筑物破坏率都相对较低。1985年震害表明，倒塌率最高的是7~15层建筑，两次震害规律几乎相同。经过调查分析，墨西哥城建造在Texcoco湖的沉积土上，湖底有约70m厚的火山灰软土层，城市边缘靠近湖边。场地卓越周期约为4s，城市中心大部分场地卓越周期1.5~2s，靠近湖边部位卓越周期是1s，10~20层建筑物的自振周期正好与场地卓越周期吻合，发生共振，地震反应强烈。0102030405060708090050100150200250300350冲积层厚度/m破坏概率/%14层10～14层5～9层图1覆盖土层厚度与震害关系2.2结构刚度低及不均匀历次震害中，普遍可见框架结构的破坏率高，而剪力墙结构的破坏少。剪力墙结构刚度大，地震时它的变形比框架结构小，地震损坏也较小；结构的不对称布置引起扭转，结构破坏更为严重。较为经典的案例为1972年尼加拉瓜马那瓜地震，中央银行和美州银行的震害情况。中央银行为单跨框架结构，平面、立面布置严重不均匀、不连续等，地震时产生较大的偏心扭转效应，最终导致柱子严重开裂，钢筋被压曲，电梯井、楼梯间也遭到严重破坏[9]。美洲银行大厦虽位于震中，承受了比设计地震作用0.06g大六倍的地震作用而未倒塌，墙体仅有很小裂缝。该建筑由四个柔性筒组成，对称地由连梁连接起来，在风荷载和多遇地震作用下，结构表现为刚性体系，在大震作用下，通过连梁的屈服，四个柔性筒相对独立，成为具有延性的结构体系，结构的地震作用明显减小，由于结构对称布置，防止了明显的扭转效应[10-11]。中央银行和美州银行平面布置如图2、3所示。图2中央银行大厦平面布置图3美州银行平面布置图框架大变形除了使结构本身容易破坏之外，一个严重问题是造成大量非结构性填充墙和饰面层的破坏，维修费用既高又危及人员安全，因此近代建筑的抗震设计较少采用纯框架结构，一般都设置剪力墙。结构双向刚度不均匀：1979年10月15日在美国帝国峡谷的一次地震中，ICSB遭受严重破坏[12]。这是一幢6层的钢混框架-剪力墙结构，该结构在结构布置和配筋构造上，存在诸多不合理的地方。该结构只沿横向布置剪力墙，上层和底层的剪力墙不在同一轴线上；纵向没有剪力墙，是很柔的框架结构。震害表明，剪力墙单向布置且底层不对称造成变形过大，纵向及其扭转刚度太弱。结构平面刚度不均匀：较为典型的实例如上文讨论过的尼加拉瓜马那瓜地震中中央银行的震害。结构竖向刚度不均匀：从历次震害看，底部空旷的建筑物形成了结构的软弱层，位移变形大，造成钢混柱子承受不了大变形而破坏。1995年日本阪神地震，很多多高层居住楼房遭受严重破坏或倒塌，原因就是当地习惯将多层或高层住宅的底层作为商店、车库等用途，底层没有或只有很少隔墙，或没有纵墙，形成空旷底层。2.3结构顶部鞭梢效应结构顶部有较高突起且与顶部一下结构刚度相差较大时，地震作用下易产生鞭梢效应，加剧高阶振型对结构的影响。1976年唐山地震中，天津南开大学主楼塔楼由于鞭梢效应产生严重破坏，塔楼向南侧倾斜约20cm，在3个月后的宁河地震中塔楼完全毁坏。2.4结构碰撞国内外大地震中相邻结构碰撞造成的震害十分普遍，主要是在设置温度缝或抗震缝时，缝宽度过小，地震摇摆使距离过近的结构碰撞，导致结构损伤。1985年墨西哥地震时，墨西哥城330撞倒塌和严重破坏的建筑物有40%是由于撞击，其中有15%倒塌。在设计中尽量避免设缝，不得已情况下必须将缝的宽度加至足够大，避免结构摇摆变形碰撞。唐山地震中，北京民航大楼的9层楼房和13层楼房之间由于防震缝仅为10cm，地震时女儿墙撞坏，北京饭店西楼伸缩缝处外贴装饰砖柱破坏。2.5短柱、角柱、节点区箍筋不足及弱柱强梁短柱的破坏是在1968年日本的十绳冲地震以后引起重视的。在该次地震中，很多房屋由于开窗洞使窗间墙形成短柱，产生了“X”型裂缝[13]。此后，日本开展了对短柱的试验研究，模型试验发现钢混短柱在反复荷载作用下抗剪承载力降低，多数出现剪切破坏，在短、长柱协同工作时，一般短柱先破坏，长柱受力负担加大，然后破坏。角柱和节点区的破坏也是常见的震害现象。1999年台湾集集地震时台中县一幢14层钢混居民住宅楼倒塌，经过调查和分析，发现倒塌是由一根角柱断裂引起的。1967年委内瑞拉地震时有两幢相距不远的14层CypressCardens公寓和ConventGar-Dens公寓的钢混框架角柱破坏多而引起人们注意。框架结构由于设计不当造成弱柱强梁，往往造成柱的破坏。1976年唐山地震后，石油规划设计院对48幢发生破坏的框架结构做了调整统计，结果发现，凡是具有现浇楼板的框架，由于现浇楼板和梁的共同作用，大大加强了梁的承载能力，其地震破坏均产生在柱子中，结构多有倒塌；凡是没有楼板的空旷框架，裂缝都出现在梁中，框架结构没有倒塌。3基于震害基础上的概念设