汶川地震中西安高層建筑震害調查及分析

陳 平,吳 博

(西安建筑科技大學 土木工程學院,陜西 西安710055)

0 引 言

2008年5月12日,我國四川省汶川縣發生里氏8.0級地震,震中烈度11度,周邊多個省市受災。此次地震是新中國成立以來破壞性最強、波及范圍最大的一次地震,地震的強度、烈度都超過了1976年的唐山大地震。離汶川750 km的西安地區在這次地震中震感強烈,大部分高層建筑遭到程度不同的損壞。本文以位于西安市北郊未央大道旁的賽高國際為例,結合震害調查結果,運用ETABS有限元軟件對震害比較嚴重的高層建筑進行了抗震能力分析與評估。

1 工程概況

該工程為高層商住樓,地下2層,地上28層,地下室為停車場及設備用房,地上1至4層為商場,5層為設備層,6層以上為住宅,其中地下室部分為統一整體,地上部分分為5個獨立的結構單元:A、B、C、D四棟塔樓和一座裙房E(見圖1),其中A、D兩棟塔樓總高度相同,為94.850 m,均采用現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系;另 B、C兩棟塔樓總高度相同,為90.050 m,均采用現澆鋼筋混凝土剪力墻結構體系;裙房4層,總高度為19.100 m,采用現澆鋼筋混凝土框架結構體系。

圖1 賽高國際大廈平面

5.12地震后,《西安市房屋安全鑒定中心文件》定論為本建筑主體結構無明顯異常變化。因其地處鬧市區及抗震縫外露,仍給業主及社會帶來較大不安和恐慌。

2 震害調查及分析

2.1 震害調查

根據西安建筑科技大學建筑勘測研究所2008-05-21提供的“賽高大廈沉降觀測報告”:賽高大廈在現觀測階段,沉降均勻、相鄰沉降點差異沉降小。最大沉降量-7.8 mm,最小沉降量-3.1 mm,平均沉降量-5.7 mm,差異沉降量-4.7 mm。總體沉降平穩,地基無異常表現,該樓的地基是安全的。

通過現場調查,震情主要表現為:

(1)A座與B座以及C座與D座之間抗震縫外表面裝飾用瓷磚脫落(見圖2、圖3);

(2)A座北立面2～3層一裝飾柱外瓷磚開裂(見圖4);

(3)C、D座南端頂部靠近抗震縫處墻體相撞破壞;

(4)D座塔樓北立面非結構填充墻有不同程度裂縫(見圖5)。

圖2 A、B塔樓間

圖3 C、D塔樓間

圖4 裝飾柱

圖5 D座填充墻

2.2 調查結果分析

(1)汶川5.12地震對于西安地區的影響是典型的遠震型低頻振動,相對高柔、自振周期較長的高層建筑地震作用也更加明顯。

(2)地震發生時抗震縫兩側的結構產生側移,由于地震的復雜性及兩側結構類型不同從而造成結構側移不協調,最終使得抗震縫外表裝飾層受到反復擠壓而破壞。

(3)在框架中填嵌的磚填充墻由于其受剪能力低,變形能力小,在地震往復作用下易發生剪切破壞,形成典型的交叉斜裂縫。框架,框架-剪力墻以及框架-筒體結構的底部更易產生此類裂縫,本結構D座下部填充墻破壞即屬此類。

(4)C、D座南部頂層抗震縫處,C座樓面泛水(現澆)外伸,造成抗震縫寬度不足,地震時C座泛水將D座外填充墻撞倒,造成損壞[1]。

(5)位于A座北立面底部裙房西北角部的裝飾柱由于其截面較小從而造成受剪能力相對較低,地震發生時在剪力較大的柱上下端造成破壞。

3 ETABS有限元分析

針對震害調查分析結果,本文采用有限元分析軟件ETABS對結構進行地震作用下的反應譜分析及彈性時程分析,以對其抗震性能進行驗證和評估。ETABS是由CSI公司開發研制的房屋建筑結構分析與設計軟件,以有限元技術為基礎,針對多層及高層建筑結構的特點,從工程師的角度開發和設計的樓房結構的線性及非線性靜動力分析和設計專用系統,集成了荷載計算、靜動力分析、線性和非線性計算等所有計算分析為一體,并將中國規范納入其中,其權威性和可靠性已得到了業界的一致肯定。

本工程因各塔樓及裙房間有落至基礎的抗震縫,實際為5個相互獨立的結構,故可分別單獨建模,現以D座框筒結構進行分析。模型按結構的實際尺寸和受力狀態建立。梁、柱采用桿單元,墻采用殼單元,樓板采用膜單元。按目前結構計算的慣例,不考慮地下室和基礎對上部結構的作用,將±0.000以下部分視為固結于地面。因而,在ETABS中結構力學模型的底部支座選用固定支座[2],模型見圖6。

圖6 ETABS模型

3.1 結構動力特性分析

為滿足規范要求的計算振型數時應使振型參與質量不小于總質量的90%。為此,用ETABS計算了結構前18階振型以分析高階振型對結構的影響。X向平動、Y向平動、繞Z軸旋轉的振型質量參與系數分別達到99%、99%、94%,滿足規范要求。

分析結果:第1,2,3階振型分別是以 X向平動,繞 Z軸旋轉,Y向平動為主,第二振型即以扭轉為主說明地震時扭轉效應對結構破壞影響較大。結構以扭轉為主的自振周期Tt為2.862 s,第一平動周期 T1為3.412 s,兩者比值為0.84(見表1),略小于《高層建筑混凝土結構技術規程》[3]第4.3.5條對A級高度高層建筑的周期比0.9的限值,滿足規范要求。

表1 結構前三階振型自振周期及其振型質量參與系數

3.2 地震反應分析

本文對結構分別進行了單向地震作用和雙向地震作用分析,按照《高層建筑混凝土結構技術規程》第3.3.3條規定,在計算單向地震作用時,考慮偶然偏心的影響,每層質心沿垂直于地震作用方向的偏移值為ei=±0.05Li。

在進行時程分析法時,根據《建筑抗震設計規范》[4]第5.1.2條規定,應按建筑場地類別和設計地震分組選用不少于二組的實際強震記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線,其平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符,本結構位于三類場地,8度抗震,最終選取了Courthouse波,EL centro(NS)波和一條Mmw-3人工波,并根據《建筑抗震設計規范》表5.1.2-2,多遇地震加速度曲線最大值為70 cm/s2,罕遇地震最大值為400 cm/s2,進行了加速度峰值的調整。

為便于分析,將時程分析法計算所得結構底部剪力及層間位移角與振型分解反應譜法(CQC法)求得的結構底部剪力及層間位移角進行了比較,結果見表2、表3。

表2 結構底部剪力(kN)

表3 最大樓層位移和層間位移角

(1)結構樓層最大位移與平均位移的比值最大值為1.27,根據《建筑抗震設計規范》第3.4.2條,屬于扭轉不規則結構,需加強相關構造措施,該值小于1.5,尚符合規范要求。

(2)上述各條地震波作用下結構底部剪力值均大于振型分解反應譜法計算剪力的65%,且平均底部剪力值大于振型分解反應譜法計算結果的80%。滿足《建筑抗震設計規范》中5.1.2條中的規定。從振型分解反應譜法及時程分析的計算結果來看,反應譜法分析和時程分析中結構的反應特征是基本一致的。

(3)根據《高層建筑混凝土結構技術規程》第4.6.3規定,樓層最大層間位移角不宜大于1/800,本結構的最大層間位移角為1/812,發生在19層,滿足規范要求,但已屆極限。

4 結 語

賽高國際表現的問題具有一定的普遍性,震害調查及分析說明:

(1)汶川地震對于西安地區的影響是典型的遠震型低頻振動,相對高柔和自振周期較長的高層建筑地震作用更加明顯符合客觀規律[5]。

(2)盡管西安高層建筑在汶川5.12地震中未見有結構性損壞。但也給住戶造成一定的經濟損失,帶來諸多生活不便。分析結果顯示,調查結構的平面扭轉效應較為明顯,反映出結構剪力墻布置偏少且不均勻。因此,在結構設計中強調滿足規范各項指標固然必要,但同樣應該重視概念設計的重要性,從宏觀上,總體上和原則上去決策和確定建筑結構設計中的一些最基本、最本質也是最關鍵的問題。

(3)賽高大廈的損壞主要集中在結構抗震縫、填充墻、外裝飾層和裝飾柱等非結構構件,主體結構抗震性能滿足規范要求。因此宜適當加強填充墻與主體結構之間的拉接,抗震縫處原有外貼瓷磚做法也宜取消。

[1] 門進杰,史慶軒,陳曦虎.汶川地震對遠震區高層建筑造成的震害及設計建議[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版),2008,40(5):648-653.

[2] 中國建筑標準設計研究院.ETABS中文使用指南[M].北京:中國建筑工業出版社,2004.

[3] JGJ 3-2002.高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[4] GB 50011-2001.建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2001.

[5] 豐定國,王社良.抗震結構設計[M].武漢:武漢理工大學出版社,2003.