高层建筑结构设计：刚度与震害的关系

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：历次地震中，普遍可见框架结构的破坏率较高，而剪力墙结构破坏较少。图4-9 中央银行及美洲银行结构平面a）中央银行 b）美洲银行尼加拉瓜马那瓜地震时，地面加速度为0.35g，比设计地震加速度0.06g几乎超过5倍，而美洲银行之所以能在如此的大地震中得以留存，除了它是剪力墙结构，刚度及承载力都较大以外，更重要的是它平面、立面规则，并按照多道设防的思想设计结构。

历次地震中，普遍可见框架结构的破坏率较高，而剪力墙结构破坏较少。下面两个震害实例的对比可以说明：剪力墙结构刚度较大，地震时它的变形比框架结构小，地震损坏也较小；此外，不对称布置引起的扭转，使结构破坏更为严重。

（1）1972年尼加拉瓜马那瓜地震时，城市中大部分建筑物倒塌，图4-8是位于市中心的两幢钢筋混凝土高层建筑，相距很近，一幢是15层的中央银行，虽未倒塌，但结构破坏严重，震后拆除另一幢是18层的美洲银行，局部破坏，震后局部修复，继续使用。建筑物震害差别如此之大，主要是结构体系、布置以及设计概念不同造成的^[41]。

图4-8 尼加拉瓜马那瓜地震时，中央银行和美洲银行

15层的中央银行结构体系及结构布置都不利于抗震，为单跨框架结构，有1层地下室，3层以上柱距是1.4m，3层以下柱距扩大为9.8m，用深梁转换，3层以下大柱子的断面为1m×1.55m，3层以上的标准层平面布置见图4_-9a。由平面图可见，电梯井及楼梯间都布置在平面一端，又由于建筑要求，在该侧的山墙窗洞全部用砌体填充封闭，造成结构一端刚度大、另一端刚度小，而且单跨框架较柔，由房屋内部家具和设备的混乱情况可见，地震时建筑物经历了剧烈晃动，再加上很大扭转，致使各层楼板都沿电梯井边断裂，最大裂缝宽度约有12mm，4～15层的柱子都出现裂缝，5层柱上端裂缝大而且柱子有错动，个别柱子钢筋屈服等，见图4-10，端部框架的填充墙以及其他窗上、窗下填充墙都遭到破坏。

18层的美洲银行，有两层地下室，结构平面见图4-9b，采用了对称布置的4个L形剪力墙井筒，井筒之间用连梁连接，形成一个正方形剪力墙筒体抗测力体系（外柱之间没有横梁，所以不是框架，外柱仅承受竖向荷载而不抵抗水平荷载）。由于设备管道要求，多数连梁上开孔，地震时几乎所有的连梁，开洞的和不开洞的连梁都被剪坏，见图4-11，设计时已经考虑了连梁破坏后4个L形剪力墙井筒独立抵抗地震作用的情况，井筒设计了足够的承载力，因此，剪力墙除了局部饰面脱落以外，未发现任何裂缝。地震后重新更换连梁，继续正常使用。

图4-9 中央银行及美洲银行结构平面

a）中央银行 b）美洲银行

尼加拉瓜马那瓜地震时，地面加速度为0.35g，比设计地震加速度0.06g几乎超过5倍，而美洲银行之所以能在如此的大地震中得以留存，除了它是剪力墙结构，刚度及承载力都较大以外，更重要的是它平面、立面规则，并按照多道设防的思想设计结构。结构的第一道防线是带有连梁的剪力墙大筒，在连梁破坏以后，形成了独立的四个剪力墙井筒，刚度减小了很多，虽然侧向位移加大，但是地震力也减小了，设计时考虑了4个小井筒独立抵抗地震作用，避免了剪力墙墙肢的破坏。表4-3比较了连梁破坏前后结构的周期和受力。

图4-10 中央银行结构破坏

a）8层柱、梁裂缝 b）电梯井边的楼板裂缝

表4-3 美洲银行结构中连梁破坏前后的比较

图4-11 美洲银行连梁的破坏

a）开洞连梁破坏 b）不开洞连梁破坏

地震后对该建筑进行了深入的弹塑性地震反应分析，进一步了解剪力墙结构抵抗地震作用的机理和连梁的作用，其弹塑性地震反应分析和连梁影响详见第7章7.2.4节。

（2）1976年我国唐山地震时，天津的烈度是8度左右，天津友谊宾馆的震害也很典型。友谊宾馆主体结构由抗震缝分为两段，平面及剖面见图4-12a，东段为8层框架结构，西段为具有少量剪力墙的11层框剪结构，按7度抗震设防。地震时东段框架的填充墙几乎全部破坏（裂缝很大或者塌落），而且下部楼层更为严重，可见其变形是剪切型的，Δ/H约为1/164～1/374；西段框架的填充墙只有少量裂缝，上部较为严重，可见其变形是弯剪型的，且变形较小，Δ/H约为1/960～1/430。特别值得提出的是，在7月28日地震以后，天津友谊宾馆立即进行了修复，但是在同年11月15日发生宁河地震时，由于框架结构的变形大，填充墙遭到同样的破坏。框架结构本身的破坏并不严重，只在一个角柱发现了斜裂缝，见图4-12b。

图4-12 友谊宾馆结构平面、剖面和角柱裂缝

a）结构平面、剖面 b）角柱裂缝

钢筋混凝土柱，柱子断面一般为25cm×50cm，有的柱子还埋设了管道，箍筋没有设135°弯钩。钢筋混凝土柱子很弱；纵向没有砖墙，刚度极差，集集地震时横墙如骨牌般倒塌，破坏很多。b类平面中，横墙与a类平面相同，由于楼梯间为纵向布置，在纵向砌砖墙，使两个方向都有一定的刚度和抵抗水平地震能力，情况好得多，只有部分破坏。

此外，台湾集集地震时的学校建筑破坏很多，主要也是因为学校建筑结构的纵向刚度太弱引起的，图4-17是一般学校建筑结构的平面布置情况，横向设置剪力墙分割教室，纵向是框架结构（设置走廊并开大窗洞），窗洞下部有填充墙，使框架柱成为短柱，纵向薄弱导致在纵向倒塌。

图4-15 柱端配筋构造

图4-16 台湾民居“透天厝”结构平面（由台北市结构技师公会提供）

框架变形大除了使结构本身容易破坏外，一个严重的问题是造成大量非结构性的填充墙和饰面层的破坏，其修复费用可达原造价的60%以上，有时还会危及人员的安全，特别是在现代建筑中，结构变形大造成的设备及财产损失不可低估。因此，近代建筑的抗震设计一般很少采用纯框架结构，一般都需要设置剪力墙。

高层建筑结构设计：刚度与震害的关系

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