汶川地震14周年|裝配式建筑抗震問題的思考

   日期:2022-05-13     來源:預制建筑網    作者:廈門市交通運輸局巡視員、總工程師 林樹枝    瀏覽:1262    

裝配式建筑抗震問題的思考

文/林樹枝

 

地震造成的災害是巨大的,每年全球各地都發生著或大或小的地震災害,下圖顯示了全球一些比較大的地震中的人員死傷和經濟損失情況。

地震災害造成的生命財產損失

▲ 全球地震中的人員死傷和經濟損失一覽

 

▲ 中國5.12與日本6.14地震傷亡對比情況

 

據2008年7月10日-14日在中國成都召開的中國5.12日本6.14地震震害、結構抗震、災后重建研討會數據顯示的傷亡人數(見上圖)所示,兩次地震相差1個月,雖然日本巖手地震釋放的能量遠小于汶川地震,但死傷人數相差之大,令人震驚。


該次會議中,中國代表重點介紹了鋼筋混凝土結構建筑、磚混結構建筑,強調只要按抗震要求設計,鋼筋混凝土結構建筑、磚混結構建筑可以抗震。外方代表重點介紹了新型建筑結構體系(包括鋼結構建筑、木結構建筑)及減隔震技術。

 

汶川地震中房屋倒塌的教訓

 

 

 

▲汶川地震中房屋倒塌的照片

 

總結汶川地震中房屋倒塌情況綜合有如下情況:


1) 汶川地震共倒塌房屋700萬余間,其中80%是農房;


2)農村地區建筑物損毀要遠高于城市建筑物,很多農村的房屋倒塌率在90%以上;


3)農村房屋建造不重視圈梁、構造柱,在地震時,這種房屋往往在搖晃后,樓板脫落造成整體垮塌(如圖1所示);


4)農民建房一直以自建為主,從設計、施工到災害保險等幾乎所有環節,都處于無人監督、隨意建設的狀況,農村建筑呈現出整體上的“不設防”格局。 


地震發生時國內媒體曾報道:北川縣城房屋倒塌很嚴重。


 

綿竹市遵道鎮鵬花村震前震后對比

 

其中,汶川縣城房屋倒塌極其嚴重,其中約1/3房屋嚴重受損;映秀鎮有不少房屋在地震中傾斜,局部房屋大面積垮蹋;耿達鄉倒房率在40%以上;綿竹市拱星鎮倒房較多,綿竹市區東北部、興隆鎮、富新鎮、五福鎮、齊天鎮、柏隆鎮的倒房率約20%至40%,綿竹市區東西部、什坊市倒房率在20%以下;青川縣再遭余震重創,房屋大面積倒塌;茂縣太平鄉倒房率約在10%至20%,部分區域倒房率在20%至50%;疊溪鎮倒房率較低,在10%至20%之間。城區也有不少的砌體結構住宅倒塌。


總結受災情況大致得出以下幾點教訓:


1)地震死傷,絕大多數是被垮塌房屋壓死的、或被破損房屋砸傷的;


2)中國地震死傷人數較多,說明建筑質量,中國相比發達國家差,特別是農村地區的建筑質量尤其差;


3)中國大量采用磚混結構、或鋼筋混凝土結構建造住宅,重量大,地震力也大,加上施工質量難于確保,地震時,住宅垮塌較多;


4)磚混結構若沒有設置圈梁、構造柱,就形不成結構的整體性,抗震性能差,又沒有冗余度,抵抗不了連續倒塌,地震一來,很容易整體垮塌。

 

美國住宅建設的經驗借鑒

住宅產業作為美國國內經濟的重要支柱,對拉動經濟發展起舉足輕重的作用。擁有住房的人,要比租房者有更強的責任感,更關心自己的社區。穩定的社區植根于大量自有住房者的群體之中,因此鼓勵一切有能力的人買房是政府住宅政策的基石。


美國住宅建設大致有以下特點:


1)大量建設裝配式住宅;


2)形成集設計、制作、安裝、裝修為一體的住宅產業;


3)以住房建設促進社區發展;


4)通過政府調節,保證居住政策上的公平。

 

 

 

 

木結構在北美應用較多,4層及4層以下的木結構建筑在美國、加拿大很流行,多用于公寓、住宅等,有以下特點:


1)正交膠合木,膠合梁和柱,強度很大,可用于木桁架屋頂,實現大跨度;


2)鋼筋混凝土核心筒+木框架+木樓板,可建設高層建筑。


膠合木與成材相比,強度大,而且結構均勻,內應力小,不易開裂和翹曲變形,還有較高的耐火性能,可解決部分大跨度、耐候防蛀問題。這種材料非常輕便和堅固,而且由于抗剪能力提高,對抗震更有利,也更能支撐起大樓的重量。美國現代化的林業工程,采用疊合層技術,能夠幫助木材發揮更大的強度,更穩定的性能。 

膠合木結構建筑

 

無論是在美國的東部還是西部,均可見到大量的木結構住宅。


在美國,住宅建設衍生出集設計、制作、安裝、裝修、整體廚衛為一體的集成住宅產業,工廠化生產,工地現場安裝。原來量大面廣的是木結構,但隨著木材價格的上漲,美國加大了鋼結構住宅的推廣。目前,鋼結構住宅,已經成為集成住宅市場的主力。


美國對超高層住宅的建設一直很慎重。規劃建設之前,需綜合評估文、教、體、衛、商業等配套要求,交通設施要求(道路、停車位等),以及市政設施要求。 


美國超高層住宅的建設主要集中在幾個大都市區,主要采用鋼結構。

 

超高層住宅的規劃

 

借鑒美國住宅建設的經驗,可以引起我們的以下幾點思考:


1)發達國家的居民住宅以低層、多層為主,且大力推廣裝配式木結構住宅、輕鋼結構住宅,對增強房屋抗震能力,十分有利;


2)裝配式木結構、輕鋼結構,重量輕,吸收地震力小,地震時更不易垮塌;


3)結構是由不同功能的基本構件通過可靠連接組成的、能夠長期安全可靠的承受各種荷載和作用的、合理的整體系統,裝配式木結構、輕鋼結構,只要連接節點可靠,就有很好的整體性;


中國人普遍不認同木結構作為住宅,不是因為缺少木材,而是因為歷史上兵荒馬亂,燒殺搶掠,木制房屋不安全,這種觀念應改變。

 

推廣裝配式+減隔震技術

 

▲(蘆山縣人民醫院門診綜合樓)

 

四川雅安地震,蘆山縣人民醫院門診綜合樓在地震中表現出良好的隔震效果,經歷7.0級強震后,除了少許墻面乳膠漆層脫落,建筑內部梁柱和墻構件竟沒有出現任何裂紋,就連窗戶的玻璃沒有任何毀壞,成為震后地震區搶救傷員的主要醫院之一。


截至2014年,日本共有各類隔震建筑8,600幢,其中有不少是裝配式建筑。隔震建筑在日本的歷次地震中表現良好。臺灣的辦公建筑、居住建筑也應用裝配式+ 減隔震技術(注:臺灣大學土木研究大樓是一幢全預制裝配鋼筋混凝土結構隔震大樓)。



(臺灣大學土木研究大樓)


綜上經驗,我們呼吁推廣裝配式+減隔震技術。裝配式混凝土結構的節點連接存在薄弱環節,為了提升結構的抗震能力,節點連接構造的研究,應與減隔震技術應用結合起來。

 

裝配式減隔震抗震技術,在日本應用很多。隔震,不讓地震力直接傳遞給建筑物,可減輕地震的搖晃約1/3左右,對鋼筋混凝土結構較為有利;減震,通過減震器對地震力產生阻尼,可減輕地震的搖晃約3/4左右,對鋼結構尤為適合。采用減隔震技術,可能會使裝配式建筑的節點連接變得相對簡單。

 

裝配式+減隔震技術

 

我們在學習國外裝配式技術的同時,也要把減隔震這樣的先進技術結合進來。把采用減隔震技術的裝配式結構體系,作為裝配式建筑的創新技術。

 

在國內,減隔震技術也已經得到應用,在一些常規的建造中,也積累了不少經驗,推廣應用到裝配式建筑,會相對容易。廈門市已施工完成多個減隔震項目,并進行了最大水平位移值的實際隔震結構動力特性試驗,收到了良好的效果。

 

綜上所述,關于裝配式建筑抗震問題思考后可初步得出以下結論:

 

1)木結構重量輕、抗震性能好,尤其適用于低層、多層住宅;

 

2)高層鋼結構建筑,跨度大、斷面小、抗震優,宜推廣;

 

3 輕鋼結構,抗震能力強,可借鑒發達國家的經驗,重點發展集設計、制作、安裝、裝修、整體廚衛為一體的集成住宅;

 

4)預制裝配式砼結構,應重視節點設計、連接,加強整體性;

 

5)裝配式混凝土結構的節點連接存在薄弱環節,為了提升結構的抗震能力,節點連接構造的研究,可與減隔震技術結合考慮。


 
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