從汶川地震看框架結構設計中抗震設防要點

李學進

2008年5月12日，我國四川省汶川縣發生8.0級特大地震，震中烈度11度，當地建筑遭受嚴重破壞并造成巨大的人員傷亡和財產損失。震后，大量的科研工作者及一線設計人員多次深入地震災區，開展震害調查及震后修復工作。并結合地震災害情況，對我國現行的建筑抗震設計規范進行了完善，為日后的工程設計提供更可靠的安全保障。

從本次震害的整體情況來看，經過抗震設防，特別是在1990年后設計建造的建筑整體表現良好，即使在極震區實際烈度高出抗震設防烈度3度～4度(地震動強度超出預計的10倍)的情況下，仍有較多建筑雖受到中等至嚴重破壞，但未倒塌，達到了“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準抗震設防目標［4］。

1 框架結構典型震害實例

1)柱的破壞。柱是框架結構的豎向主受力構件，柱的破壞將直接導致整個結構的破壞。設計中對柱進行必要加強，使梁柱結構形成強柱弱梁，是結構設計中必須重視的一個基本概念。從震害情況來看，抗震設計要求鋼筋混凝土結構的“梁鉸機制”沒有出現，而是出現了大量的“柱鉸”。

如圖1所示為映秀鎮漩口中學教學樓倒塌后的情形［1］，框架底層柱端已經形成彎曲塑性鉸，不能實現強柱弱梁的要求，反而形成強梁弱柱，使塑性鉸出現在柱上，從而失去豎向承載能力，整個教學樓倒塌。如圖2所示為該教學樓中的某剪切破壞的框架柱，顯然因樓梯平臺使該框架柱形成短柱，且箍筋不足，在復雜的地震力作用下，最終使柱受剪破壞。

2)梁的破壞。梁是結構水平承力構件，板上的荷載通過梁傳遞給柱，一旦梁破壞，樓板將遭到破壞而退出工作。圖3是位于映秀鎮泯江右岸的某六層框架結構，在地震中遭到嚴重破壞，未發生倒塌。圖4顯示其中一根梁的剪切破壞形態，圖5顯示樓梯間平臺梁發生了嚴重的剪切破壞。調查發現，地震對樓梯間的破壞相對較重。樓梯間作為地震疏散的通道，一旦發生破壞，人員疏散幾乎不能實現。樓梯間在地震時，受力比較復雜，作為設計人員，必須清楚樓梯間在地震中的重要性，適當加強樓梯間的構造措施。新版規范也對樓梯間構造要求進一步加強。

3)節點破壞。經過對震害的分析發現，在框架結構的破壞形式中，節點的破壞是非常嚴重的。圖6，圖7是映秀鎮泯江左岸一未完工的三層框架工程的底層框架節點破壞形式，顯然節點箍筋不足是造成嚴重破壞的重要原因。另外，框架柱沿縱筋方向混凝土嚴重開裂，為粘結破壞特征，圖7顯示施工縫有明顯破壞跡象［1］。

4)良好設計的房屋。震害調查結果顯示，即使在強震區，只要嚴格按照抗震設計標準進行設計，保證抗震構造措施，確保施工質量的框架結構房屋完全能夠滿足地震區的抗震設防要求［5］。圖8為某破壞較輕的底框結構，底層框架及上部兩層磚混結構受損較輕，充分體現了抗震設計中概念的重要性。雖然本次震害中，該結構抗震能力表現較好，但我們仍然不提倡采用墻體上下不對齊的結構。特別是在懸挑梁端采用凸出的墻體，造成上下結構剛度突變，不利于結構抗震。

2 混凝土框架結構設計要點的體現

綜上幾例框架的典型破壞分析，充分表明框架結構設計中概念的重要性，特別是一些基本的概念應該清楚，做到重點部位重點加強，將鋼筋用在關鍵部位，切實遵循以下設計原則。

2.1 強柱弱梁

強柱弱梁即要求柱端截面的屈服彎矩大于梁端截面的屈服彎矩，使塑性鉸盡可能出現在梁的端部。即滿足:∑Mc＞∑Mb。要實現以上不等式，在實際中很難控制，也很難精確計算。為此，規范采用增大系數來調整:［3］。同時要求一級的框架結構和9度的一級框架可不符合上式要求，但應符合下式要求:［3］。其中，∑Mbua為節點左右梁端截面逆時針或順時針方向實配的正截面抗震受彎承載力所對應的彎矩值之和，根據實配鋼筋面積(計入梁受壓筋和相關樓板鋼筋)和材料強度標準值確定。

而實際設計中對于抗震等級為二級、三級的構件，柱的配筋通常為構造配筋，而節點處梁的上皮鋼筋受拉，配筋往往較大，設計中經常將梁支座負筋采用歸并系數進行歸并放大，通常不采用實配鋼筋所對應的彎矩值來復核式6.2.1是否滿足，設計可能形成的是“強梁弱柱”。本次的震害研究也表明，實際破壞形式也多為強梁弱柱。

因此，結構設計時，在不影響建筑使用功能的情況下，有必要加大柱子斷面和配筋，考慮把一定寬度樓板的配筋作為梁的配筋，而適當減小梁的截面尺寸和配筋，歸并系數取1.0，以減弱梁的剛度，對于結構復雜的關鍵部位可進行適當放大。文獻［3］中6.2.2條也對框架結構的柱端彎矩增大系數ηc進行了調整，以確保強柱弱梁的實現。同時，在結構設計時應盡量避免出現短柱，若實難避免，應對形成的短柱進行加強措施，提高柱的延性，避免柱的脆性破壞。

2.2 強剪弱彎

結構設計所期望的破壞機制應是梁比柱的塑性屈服早發生或多發生，底層柱柱根的塑性鉸較晚形成，各層柱子的屈服順序應錯開，不要集中在某一層。

要使結構具有延性，必須保證框架梁柱構件有足夠的延性，而梁柱構件的延性是以其截面塑性鉸的轉動能力來度量的。“強剪弱彎”設計的實質是控制梁柱的破壞形態，使其發生延性較好的彎曲破壞，避免脆性的剪切破壞。規范中從以下幾個方面進行了規定，實現控制構件的破壞形態:

1)梁、柱剪跨比限制。GB 50011-2010建筑抗震設計規范6.2.9條給出了詳細的規定，以保證構件的延性。通常，抗震設計時要求柱凈高與截面長邊尺寸之比宜大于4，框架梁則要求其凈跨ln與截面高度hb之比宜不小于4，基本已能滿足剪跨比限值的要求。2)梁、柱剪壓比限制也在GB 50011-2010建筑抗震設計規范6.2.9條給出。剪壓比的控制，可以使箍筋的數量不至于太多，同時，可以有效地防止斜裂縫的出現，減輕混凝土破裂程度。實質上也是對構件最小截面尺寸的要求。3)柱軸壓比限制及體積配箍率。GB 50011-2010建筑抗震設計規范6.3.6條對08版規范中軸壓比限值進行了調整，普遍降低0.05，以提高柱的延性。體積配箍率也進行了調整，不再扣除重疊部分的箍筋體積。4)箍筋。GB 50011-2010 建筑抗震設計規范6.3.3，6.3.7 條分別對梁、柱的箍筋要求進行了規定。震害分析表明，在塑性鉸區配置足夠箍筋的構件，在地震中能滿足承載力要求，而配置箍筋較少或不配置箍筋的構件，往往發生嚴重的破壞，如圖6，圖7所示的節點破壞。5)縱筋配筋率。GB 50011-2010建筑抗震設計規范6.3.4，6.3.7條分別對梁、柱的主筋配筋率要求進行了規定，對柱的主筋配筋要求加強，也體現了“強柱”的思想。

2.3 強節點、強錨固

結構中的節點域受力復雜，容易發生破壞。節點的可靠與否是關系梁、柱能否可靠工作的前提，必須做到強節點、強錨固。框架梁柱節點處的箍筋是防止節點破壞的一道防線，在文獻［3］中6.2.14條已經明確提出:一級、二級、三級框架的節點核心區應進行抗震驗算。相比較早版本的規范，將三級框架的節點核心區并入抗震驗算的范疇。汶川地震中，許多框架的節點區箍筋明顯配置不足，有些間距竟然近250 mm，甚至不配置箍筋，施工質量較差。

由于節點區的受力情況比較復雜，在結構設計時只有保證各節點不出現脆性剪切破壞，才能使梁、柱充分發揮其承載能力和變形能力，使梁、柱塑性鉸順序出現完成之前，節點區不過早破壞。

3 結語

1)通過汶川地震的震害分析表明，我國建筑工程界秉承的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標是安全可靠的。只要嚴格按照抗震設防目標設計、施工的房屋是能夠經得起大震考驗的。新的抗震規范更注重了從概念上提高結構構件的安全儲備。設計人員應充分理解并堅決執行規范要求。

2)結構本身應具備多道防線，應與建筑專業充分溝通，盡量采用規則平立面，減少震害。

3)重視節點核心區。抗震規范2010版對三級框架節點核心區配箍特征值做了明確規定，設計人員應引起重視。

4)抗震設防目標的實現不應僅僅局限于設計人員，同時也應加強對施工技術人員及管理人員的抗震概念宣教，嚴格執行相關設計要求、現行施工規范，杜絕偷工減料等惡性事件發生，提高工程施工質量，確保人民的生命財產安全。

［1］孫治國，王東升，李宏男，等.汶川地震鋼筋混凝土框架震害及震后修復建議［J］.自然災害學報，2010，8(4):114-123.

［2］GB 50011-2001，建筑抗震設計規范(2008年版)［S］.

［3］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.

［4］王亞勇.汶川地震建筑震害啟示——抗震概念設計［J］.建筑結構學報，2008，29(4):20-25.

［5］李宏男，肖詩云，霍林生.汶川地震震害調查與啟示［J］.建筑結構學報，2008，29(4):10-19.