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什么建筑最抗震?如何减少损失和伤害?

发布日期 : 2021-03-25 来源 : 申捷科技

什么建筑最抗震?

  地震是一种能够对人类造成巨大灾害和损失的自然现象,从古至今,每次发生地震都会带来巨大的人员伤亡和无法估量的经济损失。随着现代科学技术的发展,人类对地震的研究和理解也有了足够的进步,然而当前的科技水平依然无法准确预测地震的到来,并且在未来相当长的一段时间内都是无法预测的。对于地震,我们目前应该做的更多的,不是预测,而是预防。

 

    在全世界的众多国家内,对地震研究比较深入的,当数美国和日本。我国于上世纪60年代起才建立起统一组织规划的地震工作研究机构-国家地震局(后更名为中国地震局),专门负责我国的防震减灾工作,编制相关规划,领导全国各地的地震安全性评价工作,制定相关行业规范。

    在对地震的预防工作中,建筑的抗震设计往往是重中之重,其承担的都是直接涉及人的生命财产安全的基本环节的作用。

那么问题来了

我们平常见到的建筑结构有很多,主要有砖木结构、砖混结构、钢筋混凝土结构和钢结构四种,哪一种建筑结构的抗震性能最好呢?

让我们以08年“5.12”汶川大地震为例来详细了解。

根据震后实地勘查研究和理论分析,得到以下的结果:

严重损坏的房屋类型主要是抗震设防标准较低的砌体结构、厂房等建筑。

中等损坏的房屋多为砌体结构、框架结构等建筑,发生破坏部分以非承重的围护结构居多,损坏的隔墙大部分是因为没有与主体结构进行很好的连接。

轻微损坏或几乎没有损伤的建筑主要为框架-剪力墙结构、钢结构。

 

另外,从时间维度来分析,上个世纪80年代之前建造的、比较陈旧的民房、厂房,以及村镇上部分私人建房等受损比较严重,基本全部坍塌,造成较大损失。而在后期建造的,按照相关标准规范进行过建筑抗震设计的建筑,则基本没有太大的损坏。

房屋建筑的总体受损情况,按不同的结构形式可以总结出以下规律:

    钢结构建筑基本未受损或受损较轻,其次为钢筋混凝土建筑,其中剪力墙结构或框架-剪力墙结构较框架结构受损轻,而外廊悬挑的单跨框架、底部框架上部砌体结构震害较为严重,砌体结构尤其是楼面采用预制板的预制装配式或装配整体式建筑受损最为严重。

 

下面通过现场实际照片来观察一下不同结构的建筑类型受到地震后的破坏影响

 

1

砌体结构房屋

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采用预制楼板的建筑整体损坏

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地震力反复作用下形成的交叉裂缝

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门窗洞口处的墙体常出现45°斜裂缝

 

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转角处应力集中对墙体造成破坏

 

2

底框结构房屋

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墙角处的破坏

 

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窗间墙及洞口处墙体的破环

 

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底层填充墙的破坏

 

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底层框架破坏

 

3

框架结构房屋

 

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角柱破坏

 

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边柱破坏

 

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短柱破坏

 

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柱顶破坏

 

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柱底破坏

 

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楼梯破环

 

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伸缩缝、沉降缝处的结构破坏

 

日本是多地震国家,其国内钢结构建筑占据很大的比重,在地震发生时,钢结构建筑因地震受到的破坏远远小于混凝土结构。汶川地震,处于震中的绵阳体育馆,不但未受到明显的破坏,更是在灾后成为安置灾民的地点,究其原因,就是体育馆是钢结构建筑,具备良好的抗震性能。

 

综合以上众多的建筑受地震影响破坏的照片,结合不同地区受地震影响建筑的实例,我们可以知道,砖混砌体结构的主要承重材料砖块为脆性材料,抗震性能较差,框架结构稍胜之。而框架剪力墙和钢结构,抗震性能则明显优于前两种。

 

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那么为什么说砌体结构受地震影响最大,钢结构影响最小呢?从专业角度分析的话,可能太过深奥,我们深入简出,为大家简单介绍一下。

 

砌体结构

通俗的理解,即我们小时候在农村见到的红砖+水泥,由工人堆砌而成的房屋。由于其本身材料属于脆性材料,抗拉抗剪强度较差,抗变形能力小,并且一般砖块的自重较大,使得砖块承受的地震力也相应增大。特别是农村地区上个世纪八十年代之前造的房屋,大部分都是砖混砌体结构,墙体是空心的,又没有规范的圈梁和构造柱进行加强,一旦发生地震,此类建筑往往都是最先倒塌的。

底框砖混结构

同样也是在上世纪建造的房屋,也有很多都是采取这种结构,底层框架一般为空旷大厅,作为商店、车库等,上部多层砌体结构作为居民住宅。上部砌体结构基本也是采用砖块材料,在平面布置上纵横墙较密,不仅自重大,而且侧向抵抗位移的刚度较大。底层框架为相对柔性体系,其侧移刚度比上层小得多,在布置上形成下柔上刚的结构形式。发生地震时,即使地震力不算大,但由于底层结构未进入弹塑性变形,地震力没有得到较多的消耗,导致结构上层的砌体遭到破坏。

当发生较大地震时,对于底层框架结构的建筑来说,底层受到的地震剪力是最大的,而底层框架结构受到剪力产生弹塑性变形造成明显的水平方向位移(可以理解成为水平摇摆),当其变形超过一定限度,则会引起底层抗震墙体刚度大幅度退化,框架承受了大量的地震力引起底层框架梁、板节点功能失效,造成结构坍塌。甚至有些底层框架结构几乎全部是柱子,不设置抗震墙,抗震性能极低。

通俗的理解则是成群的柱子支撑起一栋建筑,上面重,下面轻。如果单靠柱子,一旦发生地震,很容易建筑就倒塌了。需要在底层柱子中增设抗震墙。

框架结构

框架结构的抗震设计主要还是遵循一些基础原则:强柱弱梁、强剪弱弯、强节点若构件。钢筋混凝土框架结构的优点之一就是能够通过内部钢筋的布设来控制结构性能。两个看起来完全一样的混凝土结构,很可能因为内部钢筋布置的不同而具有差异很大的结构性能。

通俗理解则是:矩形一经摇摆很容易就倾斜倒塌,如果在矩形的四个角上加固一些小杆件,则稳固性大大增强。钢筋混凝土框架结构中的这个小杆件,其实就是我们所说的“配筋”。合理的配筋将会大大增强建筑的抗震性能。

钢结构

钢材基本上属各向同性材料,抗拉、抗压、扛剪强度均很高,而且具有良好的延展性,各个部件之间发生变形能够自行协调,抵消地震力的作用。而且钢结构还可以看作比较理想的弹塑性结构,可以通过结构的塑性变形吸收和消耗地震输入能量,从而具有较高的抵抗强烈地震的能力。钢结构相对于其他结构自重轻,这也大大减轻了地震作用的影响。

 

  结 语

地震的发生是一种复杂现象,涉及很多偶然因素,是无法准确预测的,起码,目前没有任何公认的可靠办法可以准确预测地震的发生。在现有的条件下,我们国家的地震研究人员的职责不应该是预报地震,而是监测、研究地震,如何更好的进行预防工作和震后的减灾救灾工作。

我们不应该把减少地震灾害的希望寄托在准确预报地震之上,而应该采取更切实可行的预防措施,例如要求建在地震带的建筑能达到抗震设防标准。美国、日本的一些大型城市均在地震带上,每次发生地震,虽然遭遇了严重的经济损失,但是死亡人数很少,靠的就是他们的建筑具有非常优越的抗震性能,而不是预报。在这点上,我们国家也逐步的认识到预防工作的重要性,从设计、建造到后期验收、使用、维护等流程都加强了建筑抗震性能方面的工作,制定了一些标准和规范,加强了建筑抗震性能的监管和实施,从根本上减少了地震带来的损失和危害。