钢筋混凝土框架结构房屋震害特征、加固及抗震措施.pdf

第 3 7卷第 2 期 2 0 1 1年 4月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 95 钢筋混凝土框架结构房屋震害特征 、 加固及 抗震措施 卜良桃 ， 陈 军 ， 黎红兵 ( 湖南 大学 土木 工程学 院 ， 湖南 长沙4 1 0 0 8 2 ) 摘要 ： 地 震极具偶 然性 ， 但 同时也极具破 坏性。通过对在“ 5 1 2 ” 四川汶 川大 地震 中受灾 严重 的 四川 理县境 内 的钢 筋混凝 土框架结构房屋进行调查 ， 介 绍了地震后框架结构房屋 的震 害表现 以及震 后房屋 的破坏等 级 的划 分并 针对一 些结构 出现 的 破坏现象 ， 提出了具 体的加固方案。从抗震措施方面 ， 提出 了加强钢筋混凝土框架结构 的抗 震性能的对策措施 。 关键词 ： 钢 筋混凝土框架结构 ； 地震 ； 加 固； 抗震措施 中图分类号 ： T U 3 7 5 4 文献标 识码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 20 9 5 0 4 S e i s mi c a n a l y s i s ， r e i n f o r c e m e n t a n d a n t i - s e i s mi c me a s u r e s o n r e i nf o r c e d c o n c r e t e fla me s t r u c t u r e h o u s i n g B U L i a n g t a o ， CHE N J u n， L I Ho n g b i n g ( C i v i l E n g i n e e r i n g C o rt e g e ， H u n a n U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 2 ， C h i n a ) Abs t r a c t： Cha nc e o f g r e a t e a rth q ua k e s， b ut a l s o v e r y d e s t r u c t i v e Th i s a r t i c l e o n t h e i n v e s t i g a t i o n o f r e i nf o r c e d c o n c r e t e fla me s t r u c t u r e h o u s i n g i n t h e h a r d h i t r e g i o n o f L i C o u n t y S i c h u a n P r o v i n c e i n “ 5 1 2”E a h q u a k e d e s c r i b e d t h e f r a me w o r k o f t h e s t r u c t u r e p e r f o r m- a n c e a nd v i c t i ms a f t e r t h e e a ah qu a k e， a s we ll as t he di v i s i o n o f t h e l e v e l o f de s t r u c t i o n h o u s i n g， a n d p u t f o r wa r d c o nc r et e r e i n f o r c e me nt t O s o me s t r uc t u r a l da ma g e Me a s u r e s fro m t he s e i s mi c s t r e n g t h e n i n g o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e fla me s t r u c t ure o f t he s e i s mi c p e rfo r ma n c e m easUr es Ke y wo r d s ： r e i nfo r c e d c o n c r e t e s t ruc t u r e s ； e a r t h q u a k e ； s t r e n gth e n； a n t i s e i s mi c me a s u r e s 0 引 言 全世界每年大约发生 5 0 0万次地震 ， 地震死 亡 人数占全球各类因灾死亡人数的 1 3 。地震给人类 带来灾难 ， 给社会造成不 同程度 的伤亡事故和经济 损失 。同时 ， 地震是一种随机振动， 有难于把握的复 杂性和不确定性 ， 要准确预测建筑物所遭 遇地震 的 特性和参数 ， 目前 尚难做到。我 国现行 建筑抗震 设计规范 对建筑抗震概念设计 的基本要求作 了较 全面的规定 ， 归纳起来 ， 大体上包括 以下几方面的内 容 ： ( 1 ) 有利 的抗震场地 ； ( 2 ) 优化 的平 面和立面布 置 ； ( 3 ) 设置多道设防的抗震结构体系； ( 4 ) “ 强柱弱 梁 、 强剪弱弯” 的指导思想 ； ( 5 ) 合理 的建筑 结构参 数设计计算分析。 本 文主要 就 “ 5 1 2 ” 四川 汶 川 大地 震 后 震 害 调 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 3 -0 2 作者简介 ： h良桃 ( 1 9 6 3一) ， 男 ， 湖南 益 阳人 ， 博 士， 教授 ， 主要从 事 结构检测 与加 固技术研究 。 E ma i l ： p i t 6 3 1 2 6 c o n 查 中钢筋混凝土框架结构房屋 的破坏情 况展开研 究 ， 认真总结震害规律 ， 研究有效抗震措施 ， 进行合 理抗震设计 ， 以提高框架结构房屋的抗震性能。 1 地震灾害对建筑物的损害 “ 5 1 2 ”四川汶川 大地震发生时 ， 大部分钢筋 混凝土框架结构房屋是在 2 0世纪 9 O年代以后建造 的， 凡是严格按抗震设计规范设计 、 施工质量较好的 均未出现严重破坏 ， 仅少数框架梁、 柱或梁柱节点附 近出现轻微 的裂缝。房屋受损表现主要是填充墙体 的震害、 变形缝处 的震害等。地震对房屋 的影响主 要表现在以下几点。 1 1 框 架 梁 、 柱 以及 梁柱 节点 的震 害现 象 ( 1 ) 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 。 ( 2 ) 部分框架柱有 水平裂缝 产生 ， 受损严 重的 柱 四周会有贯通 的水平裂缝。 ( 3 ) 梁 、 柱节点 附近有斜裂缝产生 ， 这是最常见 的受损 表现 。 四川建筑科学研究 第 3 7卷 1 2 填充墙体的震害现象 ( 1 ) 大部分受损的填充墙体都有从上向下的4 5 度斜裂缝或“ x” 形裂缝 ， 部分填充墙体粉刷层剥落 ， 砌块开裂甚至局部酥碎 。 ( 2 ) 在门、 窗 口上、 下角多见八字形或倒八字形 缝 ， 在顶层的门窗上 口或屋盖下水平裂缝较多。窗 间墙体出现不同程度的“ x” 形裂缝 。 ( 3 ) 立面上有局 部突出的房屋 ， 突出的墙体 常 易破坏。一部分原有房屋 ， 出现整个女儿墙坍塌 的 破坏 ， 局部突出的建筑 的倒塌较女儿墙多一些。对 于这类附属建筑 ， 不仅因鞭梢效应 而使水平地震力 加大 ， 加重了它的破坏 ， 而且屋盖 的错动、 房屋 的倾 斜等主体结构的震害也对它产生了很大的影响。 1 3 变形缝处震害发生的原因 ( 1 ) 新旧建筑物之间未设抗震缝 。 ( 2 ) 两建筑物间抗震缝宽度留设不足。 ( 3 ) 高低跨处变形不协调 。 ( 4 ) 施工时建筑垃圾掉人变形缝 ， 使其不能发 挥正常功能。 2 地震灾后建筑物破坏等级 的划分 多层钢筋混凝土框架结构房屋的地震破坏等级 可参考以下划分标准。 I 级极轻微损坏： 框架梁、 柱 、 抗震墙完好 ， 无 可见裂缝和明显变形 ； 梁、 柱 、 抗震墙节点无破损、 无 裂缝。楼、 屋盖现浇钢筋混凝土板无可见裂纹和变 形 ； 钢筋混凝土预制板与梁搭接处无松动 和裂缝 。 填充墙体与钢筋混凝土梁、 柱连接处可能有轻微裂 缝 ， 墙体转角处和纵横墙交接处无松动、 脱闪现象。 级轻微损坏： 框架梁、 柱、 抗震墙轻微裂缝 ， 震前混凝土构件已有裂缝 ， 如非预应力筋混凝 土构 件因钢筋锈蚀造成 的裂缝 、 混凝土收缩裂缝等 ， 扩 展 ， 抗震墙、 节点 的轻微破损和裂缝。楼 、 屋盖现浇 钢筋混凝土板有轻微裂缝 ， 无明显变形 ， 钢筋混凝土 预制板与粱搭接处有松动和轻微裂缝 。填充墙、 出 屋面楼梯间墙体无 明显裂缝。墙体转角处和纵横墙 交接处有松动和轻微裂缝 。出屋面的非结构构件和 饰物， 可有裂缝、 移位 、 倾斜。 级中等破坏 ： 框架梁、 柱 、 抗震墙轻微裂缝 ， 如剪力墙结构和框架剪力墙结构的剪力墙出现交叉 裂缝或水平裂缝， 但裂缝宽度较小 ， 未出现承载能力 极限状态的标志； 裂缝所在楼层无明显的层问位移； 部分梁、 柱、 抗震墙节点有轻微破损和裂缝 。个别节 点破损和开裂明显。楼 、 屋盖现浇钢筋混凝土板显 著开裂 ； 钢筋混凝土预制板与梁搭接处有松动和 明 显裂缝 ， 装配或整体式柱在装 配区出现裂缝。抗震 墙与钢筋混凝土梁、 柱连接处有 松动和明显裂缝。 填充墙 、 出屋面楼梯 问墙体有可见裂缝 。填充墙严 重开裂或局部酥碎 ， 墙体转角处 和纵横墙交接处有 松动和明显裂缝。 级严重破坏 ： 框架柱主筋压屈， 梁、 柱节点 破坏严重 。混凝土酥碎、 崩落， 剪力墙结构和框架剪 力墙结构的剪力墙出现交叉形裂缝或水平裂缝 ， 且 裂缝宽度达 1 5 m m或钢筋 出现颈缩拉 断、 裂缝处 的混凝土破碎 ， 所在楼层有明显层间位移， 部分楼层 倒塌。 V级极严重破坏 ： 建筑物内部多数梁、 柱、 板 等承重构件毁坏 ， 导致 结构全部坍塌或局部倒塌。 框架残留部分不足 5 0 。 3 加固方案 本 文以某钢筋混凝土框架结构办公楼 的震后 梁、 柱加固的工程实例， 来阐明地震灾后框架结构受 损后如何对梁、 柱进行加固。办公楼所处地区地震 烈度为 7度 ， 该楼总长度为 2 7 6 m， 总宽度为 1 1 6 4 1 T I ， 共 6层 ， 总建筑面积约为 2 0 2 1 5 3 m ， 建筑总高 度约为 2 2 5 m。办公楼为钢筋混凝土框架结构体 系。地震作用后 ， 该楼部分混凝土梁 、 柱发现有裂缝 产生 ， 但裂缝宽度较小 ， 楼层无 明显的层问位移。填 充墙体在遭受地震作用后 ， 部分受到损伤， 个别墙体 受损较严重 ； 填充墙体与混凝 土梁结合部位有不 同 程度的松动现象 ， 产生 了水平裂缝。地震致使部分 房间个别预制板间顺缝有扩展现象， 同时还造成 了 部分墙体装饰层 的脱落 。依据上文划分 的破坏等 级， 该办公楼最终评定为中等破坏 。根据现场实际 情况和数据分析， 经过加固方案的比选 ， 提出了如下 加固方案 ： ( 1 ) 对混凝土梁采用外包复合砂浆钢筋网进行 加固， 对混凝土柱采用增大截面法进行加固。 ( 2 ) 对受损梁、 柱在加 固过程 中采取部分卸载 和安全防护 。 ( 3 ) 加固施工前 ， 用灌缝材料将构件上的裂缝 封 闭 。 ( 4 ) 对于受损的混凝 土梁构件 ， 采用外包钢筋 网复合砂浆加固， 提高构件的承载能力及刚度等力 学性能。为保证新老界面紧密连接 ， 在界面处涂刷 界面剂 ， 并在梁体内植入锚 固筋。加 固处理如图 1 3所示 。 卜良桃 ， 等 ： 钢 筋混凝土框架结构房屋震 害特征 、 加 固及抗震措施 9 7 6 1 () 0 垂 直植人 粱 中 1 5 d 粱复合砂浆钢筋网加固粱剖面 图 1 钢筋网复合砂浆加 固梁示意 Fi g1 De t a i l s o f re i n f or c e d be am wi t h HPF 柱宽 V 2 层楼面标高( 灌 股租肪 。一 Ir J a C 握 丰 啦 ； 管 # I 刊 新增 钢筋 上部 植人 原有 粱或 斜植 人 柱子 中 新增 加 柱子 主筋广 局部凿去保护层 1 原柱 箍筋 I 新增受力钢筋 新增箍筋 l 新 增 箍筋 = 弯 折 与 原 柱 筋 焊 接 儿 原 柱 受 力 钢 与 原 柱 箍 筋 或 纵 筋 焊 接 ； ； _ 也可采用植筋胶锚固) 新增钢筋植下 基础顶面标高 瓠 人甚础 肉 图 2加固柱楼 段部节点大样 Fi g 2 De a t ai l s o f r e i n f o r c e d c o l umn n ea r b y floo r s e c t i on 4 加 固梁受弯承载力验算 加固梁受弯极限承载力计算模型如图 4所示。 加固梁梁底纵 向加 固受力筋和原纵向受力筋等效为 图 3 加 固柱大样 ( 单 面增 大截面 ) F i g 3 De a t a i l s o f r e i n f o r c ed c o l u mn( i n c r e a s e s e c t i o n b y s i n g l e - s i d e ) 双层单筋矩形正截面承载力计算模型。依据普通钢 筋混凝土梁正截面承载力计算的基本假定和平衡条 件推导的承载力计算公式如下 ： 0 8 ( b + 2 At ) = L A + A M = f y A ( 。一0 4 x )+ 1 2 A ( + 0 5 d一 0 4 设计 已知条件 ： = 6 0 0 n T ff l ， b：3 0 0 m m， =1 1 9 N mm ， f y = 3 0 0 Nmm ， A =9 8 2 mm ， =3 0 0 Nmm ， A = 8 0 4 mm ， h 0=6 003 5 =5 65 mm ， I=0 8， 2=0 8 6 ： 1 7 2 D 解得 = 2 1 4 3 9 m m M =3 8 6 1 6 k N m 3 31 6 2 k N -m 9 8 四川建筑科学研究 第 3 7卷 图4 承载力等效计算模型 F i g 4 Eq u i v a l e n t c a l c u l a t i o n mo d e l o f b e a r i n g c a p a c i t y 加 固梁受弯承载力满足要求。 5 增 强钢 筋混 凝 土框 架 结构 房 屋抗 震能力的措施 5 1 房屋平面布置要规则、 结构力求对称 房屋外形不规则 、 不对称、 凹凸变化尺度大 ， 形 心质心偏心大，同一结构单元 内， 结构平面形状 和 刚度不均匀、 不对称， 平面长度过 长等 ， 均不利 于抗 震 。 5 2强度和刚度匀称 多层建筑应该使其各层之 问强度和刚度匀称 ， 如存在薄弱楼层 ， 则该处就会成为地震力作用下的 变形集中部位 ， 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。可能出现 的薄弱部 位 ， 应采取措施， 提高抗震能力。 5 3结构超静定次数 多 静定结构 的杆件受力系统 和传力路线单一 ， 一 根杆件的破坏 ， 就使整个结构体系 因此而失效。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。 5 4设置多道设防的抗震结构体 系 抗震建筑结构体系应根据建筑物的重要性 、 设 防烈度、 房屋高度 、 场地、 地基 、 基础、 材料和施工等 因素， 经过技术、 经济条件比较综合确定。首先 ， 宜 有多道抗震防线 ， 应避免因部分结构或构件破坏而 导致整个结构体系丧失抗震能力或对重力荷载的承 载能力。所谓多道抗震防线 ， 是 指在一个抗震结构 体系中， 一部分延性好的构件在地震作用下， 首先达 到屈服。充分发挥其 吸收和耗散地震能量的作用 ， 即担负起第一道抗震防线 的作用 ， 其他构件则在第 一 道抗震防线屈服后才依次屈服 ， 从而形成第二、 第 三或更多道抗震防线 。这样的结构体系， 对保证结 构的抗震安全性是非常有效的。 5 5 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。系统 的 抗震措 施包括 以下几 个 方 面 内容 。强 柱 弱梁 ： 人 为 地增大柱相对于梁的抗弯能力 ， 使钢筋混凝土框架 在大震下 ， 梁端塑性铰出现较早 ， 在达到最大非线性 位移时 ， 塑性转动较大 ； 而柱端塑性铰出现较晚， 在 达到最大非线性位移时， 塑性转动较小 ， 甚至根本不 出现塑性铰 ， 从而保证框架具有一个较为稳定的塑 性耗能机构和较大的塑性耗能能力 。强剪弱弯： 剪 切破坏基本上没有延性 ， 一旦某部位发生剪切破坏 ， 该部位就将彻底退出结构抗震能力。对于柱端的剪 切破坏还可能导致结构 的局部或整体倒塌。因此， 可以人为增大柱端、 梁端、 节点的组合剪力值 ， 使结 构能在大震下的交替非弹性变形中， 其任何构件都 不会先发生剪切破坏。 5 6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。 5 7填充墙的利用 砖砌围护墙和隔墙 ， 嵌砌于框架之间， 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 ， 砌体填充 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， 同时要使隔墙和围墙在 平面上对称均匀分布 ，以及沿竖 向连续均匀分布。 6 结 语 本文介绍了灾后钢筋混凝土框架结构的破坏等 级划分 以及梁的加固方案 ， 并提出了增强钢筋混凝 土框架结构房屋抗震能力的措施 。在建筑物的设计 全过程 中， 首先要根据使用要求处理好建筑物的总 高度、 总宽度、 平立面形状、 门窗洞口位置、 承重体系 等的相互关系 ， 根据场地情况选择合适的基础形式 ， 包括基础深梁、 基础 圈梁、 系梁等的设置， 按地震烈 度的高低和房屋层数的不同， 兼顾大房间、 楼梯间的 要求确定构造柱的位置 ， 力争达到最好的抗震效果。 做好结构的合理布置 和采取必要 的抗震构造措施 ， 这是做好抗震设计的非常必要的前提条件。结构 的 合理布置及采取必要的抗震构造措施 ， 是减轻震害 的最根本 、 最有效的措施。 参 考 文 献 ： 1 寇秀 梅结构 设 计 中的抗震 设 计 问题 J 中国西 部科 技 ， 2 0 0 8 ， 7 ( 6 ) 2 廖雅娟 ， 明铁钢筋混 凝土多层 框架 的抗震设计 浅谈 J 建筑工程 3 尚守平 ， 曾令宏 ， 彭晖 ， 等 复合砂浆钢 丝网加 固 R C受弯构 件 的试验研究 J 建筑结构学报 ， 2 0 0 3 ， 2 4 ( 6 ) 4 G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 建筑抗震设计规范 s 5 建标 2 0 0 8 1 3 2号 地震灾后建筑鉴定加 固技术指南 S