高层建筑结构设计：地基土与震害探讨

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：图4-2 加拉加斯地震冲积土层厚度与震害关系3）墨西哥城多次遭到地震严重破坏，是由场地土影响造成震害的典型。两次地震，23层和44层的高层建筑均未损坏。这次地震以后，墨西哥修改了规范，加大了设计地震作用。图4-6 1985地震墨西哥城地震波与El Centro地震波的地震系数比较图4-7 1964年日本新泻地震钢筋混凝土房屋倾倒

地震对建筑物的破坏程度，首先取决于地震释放能量的大小，也就是通常所说的震级，同时还和震源深浅程度、建筑物与震中的距离以及建筑物所处场地土性质有关。此外，地震对建筑物的破坏还和建筑物本身动力特性有关。一般说来，震级小、震源深、离震中距离远的地方，建筑物遭到破坏的可能性小一些。但是对于高层建筑，大量宏观震害表明，遭到震害的范围比低层建筑要大一些，震害程度受场地性质影响也更大一些，软土对高层建筑不利。

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。例如1952年7月21日美国加利福尼亚州的克恩地震，洛杉矶市距震中112～128km，洛杉矶市的低层建筑只有轻微损坏，而五、六层以上的钢筋混凝土建筑发生了强烈振动，造成一些破坏；与此相反，距震中很近的克恩县的一、二层砖石结构却比多层钢筋混凝土结构破坏严重^[7]。由此，人们认识到震害不仅与震中距离远近有关，还与地震波经过的土壤介质有关，与建筑物的特性有关。

图4-1 地基土壤对地震波的放大作用

2）地震传播过程中，在软土中，地震波的长周期成分传播得更远，而在硬土中，短周期成分则保留较多。由基岩到上部土壤，地震波还有放大作用，图4-1是一个观测实例^[38]，在地下90m的基岩只有很小的振动，达到地表后，加速度急剧增大，地震波的周期特性也明显地表现出土壤的性质。因此，软土层愈厚的地方，不但卓越周期愈长，地震波的振幅也放大得愈大。许多大地震发生后，软土区高层建筑破坏率高，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，但高层建筑的损坏却十分严重，损坏的建筑物大都集中在加拉加斯市东部，地震后统计了覆盖土层厚度与震害的关系如图4-2所示。由图可见，覆盖土层厚度超过160m后，震害急剧增加，尤以大于14层的高层建筑为甚^[10]。

图4-2 加拉加斯地震冲积土层厚度与震害关系

3）墨西哥城多次遭到地震严重破坏，是由场地土影响造成震害的典型。墨西哥大地震大都发生在墨西哥南部海岸近海，墨西哥城距离震中很远，大约270～350km，但历次地震遭受震害都比较严重。20世纪中，超过7级的地震大约发生过40次以上，而其中以1957年7月28日发生的7.6级地震和1985年9月19日的8.1级（9.20日余震7.5级）最为著名，原因是它们受到地震学家的重视，技术上也已具备了记录地震和深入分析建筑物震害的条件，对震害的分析较充分。1985年的地震持续时间长达60s，有两次地震能量释放，震中区加速度峰值约为0.18g，传到墨西哥城时峰值加大了，达到0.2g，这与墨西哥城附近的场地性质有关。

1957年地震统计了建筑物震害发生率，见表4-2，11～16层建筑物破坏率最高，较低的和较高的建筑物破坏率都相对较低。1985年地震对建筑物破坏的规律几乎相同，倒塌率最高的是7～15层建筑，见图4-3。两次地震，23层和44层的高层建筑均未损坏。图4-4是44层高的拉丁美洲大厦（Latinamerican Tower），1956年4月建成，1957年就遭遇了大地震，地震时表现良好，没有损坏，1985年大地震时仅有10块玻璃破碎。在众多中高层建筑物遭到破坏的同时，这幢超高层建筑物得以避免，究其原因，主要是墨西哥城的场地条件和该建筑物的特性和设计质量的影响^[39][40]。

表4-2 1957年墨西哥城建筑物层数和震害关系

图4-3 1985年墨西哥城地震建筑物破坏率

图4-4 拉丁美洲大厦

墨西哥城建造在古代的Texcoco湖的沉积土上，湖底有约70m厚的软土层，主要成分是火山灰，城市边缘靠近湖边，湖深减小，有一些较硬的火山凝灰岩，图4-5a是墨西哥城所在地的湖底土层剖面示意，有人曾说：墨西哥城就像建造在“一盆肉冻”上。在靠近湖中部的墨西哥城边缘部位，场地卓越周期约为4s，城市中心大部分场地的卓越周期为1.5～2s，靠近湖边部位的场地卓越周期是1s，图4-5b表示了卓越周期的分布线和被破坏建筑物的位置，城市中心破坏的建筑物最多，10～20层建筑物的自振周期正好与场地卓越周期吻合，发生类共振，地震反应强烈。图4-6是1985年地震时墨西哥城记录到的地震波加速度反应谱与El Centro地震波加速度反应谱的比较，在2.0～3s周期之间墨西哥地震的地震系数（加速度谱）大得多。44层的拉丁美洲大厦是钢结构，结构柔，它的自振周期按顺序排列为3.5s、1.5s、0.9s、0.7s，基本自振周期大于场地土的卓越周期，因此地震反应较小，除此以外，拉丁美洲大厦结构设计时对地震影响考虑仔细，曾经用弹性时程分析方法进行计算，并在估计地震反应以后采取了相应措施，上述多种因素使它在地震中表现较好。

图4-5 墨西哥城的场地简况及卓越周期分布

a）场地剖面示意图 b）场地卓越周期分布

1985年地震在墨西哥城遭受震害较多的建筑物还有：板柱结构、柱子较细的框架结构、底层为车库上层加填充墙的具有软弱层的结构，还有大量高层建筑出现了建筑物的碰撞等。这次地震以后，墨西哥修改了规范，加大了设计地震作用。

4）砂土液化以及不利地基、地形造成建筑物破坏也有很多实例。最为著名的是1964年日本新泻地震，大面积的砂土液化使整体性好且十分结实的钢筋混凝土房屋整体倾倒，见图4-7。在我国，无论是1966年的邢台地震，1975年的海城地震，还是1976年的唐山地震，都看到了在较大面积范围内出现砂土液化造成的建筑物沉陷与开裂的现象。

图4-6 1985地震墨西哥城地震波与El Centro地震波的地震系数比较

图4-7 1964年日本新泻地震钢筋混凝土房屋倾倒

高层建筑结构设计：地基土与震害探讨

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