閱讀 2561 次 應用強柱加固理念,加快都江堰重建步伐
應用強柱加固理念,加快都江堰重建步伐
閔強
(南安市施工圖審查所362000)
1.對都江堰震區的實地考察
2008年8月27日筆者在西南設計院同行的陪同下,對都江堰震區進行了實地考察。從成都驅車約40min到達都江堰市城區,以80km時速行駛,全線基本暢通。一進入市區,巨幅紅底白字標語映入眼簾“患難與共,攜手相連,上海都江堰對口合作重建新家園”。市區交通井然,街景仍然繁榮。但仔細一看臨街房屋,幾乎沒有一幢不出現裂縫。
這些有待加固修復后使用的房屋量大面廣,往往整個結構外觀無較大變形,主體結構似乎牢靠,但外墻面不同程度地分布著裂縫,其中有體量較大的7層“商云大廈”、6層“新華書店”大樓,還有無數不知名的5—6層的臨街商住樓。也有不少的公共建筑如9—11層“江堰賓館”、“廣播電視大樓”,由于變形縫寬不足,地震將建筑物的低層,緊貼著高層往外擠,豎向墻面沿縫隙整條被壓碎,十分顯目。還有一座約3000m2,4層的臨街弧形建筑物“天辰會館”,上部大面積構架倒塌尚未加固修復,而樓下還在營業。一幢九層的高樓,主體結構完好,屋頂的突出建筑物卻已嚴重破壞。最令人觸目驚心的是都江堰中醫院、聚緣中學和新建小學,三幢公共建筑物整體性坍塌。地震來時就有100多人埋在廢墟中,生命財產損失慘重。而周圍的房屋雖有局部損壞,但并未倒塌,社會輿論也在強烈譴責,這幾幢建筑工程質量肯定存在嚴重問題。臨街也偶然見到幾幢2—3層的民居嚴重傾斜,甚至倒塌,有的正在拆除中。
值得欣慰的是有一座近年建成的2—4層星星藝術幼兒園建筑,結構基本完好無損。靠近觀察,大面積彩色墻面和所有窗間墻,也看不到裂縫。還有新蓋的都江堰市公安局大樓,高達10層,頂部設置訊號鐵塔已扭曲變形,遠看房屋兩頭,角部填充墻似有開裂。據權威評估,該房屋主體結構基本完好。同行還特別介紹,這是按2001年抗震規范設計、且施工正常,從而幸免于難。
在都江堰市區轉了二天似有感悟,臨街商住樓的底層一般都在營業,人來客往,車水馬龍,生活照常進行。但抬頭一看,無論是住家、辦公樓或旅館已有不少人去樓空。即使房屋結構基本完好,只要見到樓層出現墻面裂縫,人們在心理上還是難以接受,不敢貿然入住。某電廠職工住宅樓約有5—6個單元,結構外觀估計沒有大問題,沿街面的窗間墻,局部隱約呈現x型裂縫,可是整幢房屋卻空無一人。據說正在等待檢測、鑒定與加固。
有個別正在檢測的房屋上方懸掛著臨時廣告,“建筑醫學骨科加固,免費咨詢電話”。據成都的設計同行介紹,都江堰市區房屋,屬輕微到中等損壞的急需加固項目非常普遍。一些著名的設計院加固設計任務相當飽和,經常加班加點。同濟大學及北京、武漢、廣州等地的權威檢測機構,都早已陸續介入建筑鑒定。按程序必須對受損房屋進行鑒定,或有權威應急評估成果,才能對受損房屋進行加固或重建。地震發生后的一二個月,可能有幾百家甚至上千家,大批從事加固的設計與施工企業涌入四川災區,不久又猶如大浪淘沙地撤走了近80%。其主要原因是這里缺少真正的技術人才、施工力量和設備,而不是光憑資質牌子承攬業務。要做好結構加固和災后重建決非易事。
由都江堰往汶川方向的公路,只能是走一段停一段,行程十分艱辛。坐在車內雖然聽著當地無線電臺在不斷播報,某某路段已進入最后攻堅階段即將開通。可是,當我們在距離汶川約lOkm路段時就只能止步了。同行告訴我們,這里已鄰近龍門山脈斷裂帶,當時震災的中心就在周邊引發。經與附近駐扎的廈門援建彭州指揮部聯系,林指揮長告訴筆者,廈門雖然已援建了一大批臨時安置房,但大規模的建設還處在測量及規劃設計階段,任重道遠,援建任務還非常艱巨。
途中偶然見到山腳下的一片民房廢墟。當我們熄火停車,駐足遙望,周圍寂靜無聲,不見人煙。尤其是兩邊是山,中間是溝的山區民居倒塌更為嚴重。多少生命瞬間泯滅,心情徒然沉重。
昔日的灌縣,因馳名中外的千年水利工程而易名都江堰市。“寶瓶口”就是這項工程的咽喉,二千多年來,四川號稱天府之國,千里沃野深受其益。八十年代,筆者曾來過“寶瓶口”,大地震后究竟如何?筆者在疑惑中隨著小車在山路上爬坡緩行,當行至“二王廟”,眼前所有古建筑全部被臨時設施圍護,偶爾只能見到幾幢建筑屋頂被掀塌。為紀念李冰父子建造的“二王廟”初建于南北朝,歷朝修復,重建于清代,當屬世界文化遺產的重要組成部分。從施工現場可以看出,都江堰古建筑,作為震災后重點保護的歷史文物項目,正在大規模進行如舊修復甚至重建。“都江堰”標志性石碑,雖然絲毫未損,但在距離石碑只有5—6m的混凝土地面處,卻被狠狠地拉開約有8一lOcm寬的裂口長達l0余m。所幸我還能在至高點上,透過茂密的樹枝、樹葉,清晰地看見“寶瓶1:3”的主體巍然不動,而且附近未見任何加固輔助設施搭建。瓶1:3端部的水流仍舊奔騰不息,下游的水域有序分道,靜靜地在流淌。當我們還想開車前行,只見道路前面已有車輛禁行標志。地震已將下山公路震垮。筆者再環視遠看周邊沿山坡建立的十幾幢聯體別墅及其它建筑,有的明顯傾斜,有的甚至瀕臨坍塌。又回首仔細俯瞰著堅固的“寶瓶口”,不禁深感震撼。為什么當鄰近的公路被震垮,鄰近的房屋被震倒,而由李冰父子率領建造的都江堰“寶瓶口”水利工程,已有二千多年歷史,在同樣經歷汶川大地震后卻安然無恙,延續著“四六分水、二八排沙”的傳奇,仍然造福人類。僅僅用“龍門山斷裂帶”、“工程地質差異”、“山體滑坡”“地震烈度差異”等各種學說,可能還無法解釋清楚。筆者從事建筑結構專業近四十年,也常被人們稱為專家,實地考察當時,卻不知道是為祖先改造自然巧奪天工的睿智而自豪,還是為自己對建筑抗震認知的貧乏而汗顏。
由都江堰返回成都的路上,只聞彭州山區農村是重災區。當途經彭州縣城,心情豁然開朗,只見縣城房屋卻是有震無災,顯現出另外一番太平風光。人們生活祥和,縣城街景很美,三四層的臨街建筑,掩映在林蔭道的綠樹叢中,馬路顯得格外寬敞。據當地親歷者介紹,大地震來時有明顯震感,過后又余震不斷,人和房屋在搖晃,但縣城的房屋幾乎沒有倒塌。我們也巡視了周邊的房屋,也沒有見到大面積房屋裂縫。尤其是位于縣城中心的福慧寺廟,四個角點為5層寶塔,圍合中間是一座1 1層寶塔,頗為壯觀。居然也見不到震災裂縫。
都江堰城區震災后的受損房屋,在確保生命財產安全的前提下,大致分為三類:
(1)屬于可邊修復邊使用。即房屋的承重結構基本保持完好,只有局部損壞,邊修復邊繼續使用所占比例較大;
(2)屬先加固后使用。即承重結構發生一定的損傷,或非結構構件已經破壞,必須先加固后使用也占有相當比例;
(3)整體結構完好無損,或者嚴重損壞而應立即拆除的。這二種情況畢竟還是少數。
據資料反映,都江堰城區實際遭受的地震烈度約為8度,還遠低于震中區映秀鎮約為ll度上下。宏觀上看,地震震級大、烈度高是這次地震中城市建筑遭受破壞的主要原因,但每幢建筑破壞原因的科學分析,還需要結構設計圖資料,施工竣工驗收資料以及地震動紀錄’3 J。但有一點非常明顯,未采取抗震設防的舊房屋倒塌破壞嚴重,只要按國家規范和標準正常設計、正常施工和正常使用的房屋都具有良好的抗震能力。
2.朱伯龍“強柱”學說的運用價值
都江堰城區受損房屋主要是修復加固,而加固理念尤重于加固方法。歷次大地震總會發現一些新問題,得到一些新的概念,從而提出新的設計方法,并為修訂國家規范提供新的內容。至于如何不斷充實抗震概念設計,如何善于更新加固理念,又使筆者想起同濟大學朱伯龍教授,他真不失為我國著名的抗震結構工程專家!他雖在汶JIl地震前的一個月病故,但他在抗震防災結構工程及由他創立的房屋加固改造學方面的成就和“強柱”加固理念,仍然是當前汶川震災結構加固值得借鑒的寶貴財富。他是我國建筑結構災害學創始人。上世紀90年代,朱伯龍教授主編的《建筑結構災害檢測與加固》論著…,為許多知名大學列入主要專業教材。他在抗震防災結構工程方面已培養碩士研究生、博士研究生、博士后累計超過100人,他早年領導的科學技術團隊,所從事的“全國農業展覽館”等重大工程的抗震鑒定與加固項目,由于概念明確、程序嚴謹、數據準確、方法得當、成效顯著,而早已被列入教科書,成為著名的科學加固典范。大災過后,重溫他生前對混凝土柱加固的試驗研究論述(包括柱側增加混凝土截面、柱用繞絲法加固混凝土截面、用置換法加固柱混凝土截面)…,更使我感到朱伯龍教授在任何結構工程中,他總是突出“強柱”理念。何謂“強柱”理念?
“強柱”是針對柱及關鍵性承載結構部位進行重點設計,使其不僅應有合理的強度和延性設計,同時還要有合理的構造措施,保證結構在地震來臨時,不會產生致命的破壞。目前使用最普遍的鋼筋混凝土框架結構中的梁板,在地震荷載作用下,已在結構計算中被假定為樓面剛度無限大。磚混結構中的現澆板、圈梁,也是為了加強水平剛度,但最終還是靠柱、靠墻體來抵抗側向力和傳遞豎向力。
“強柱”并非無限加強柱,在抗震設計中,某一部分結構的超強設計,可能會吸引并且承擔更多的地震力,同時也可能造成結構其它相對薄弱部位的出現,而危及整體結構的安全。“強柱”不是局部對柱構件的超強設計,仍然是相對“弱梁”而言。所謂“強柱弱梁”設計,泛指在地震力作用下,梁先于柱損壞,梁端吸收地震能量出現塑性鉸,確保柱不致于因損壞而導致建筑倒塌。強調“強剪弱彎”的設計概念,是由于剪切破壞屬于脆性破壞,在受力時這種破壞是瞬時發生,無先兆,難以預測。而彎曲破壞是延性發生,有著較明顯的破壞征兆,可以預測。
“強柱”加固理念、“強柱弱梁”、“強剪弱彎”,都是抗震概念設計的重要組成部分。而“強柱”加固理念,就是將包涵廣泛內容的抗震概念進行升華,從而突出主要矛盾,解決主要問題。結構局部加固甚至普遍加固,即便耗資再多,也不等于房屋整體結構一定安全。而整體結構安全必須符合“強柱”加固理念。
“大震不倒”是“強柱”加固理念的核心。1976年,唐山大地震后的幾天,朱伯龍教授身先士卒率先來到重災區調研及評估,通過科學推理,提出了砌體結構與鋼筋混凝土結構的地震破壞機理及快速修復措施。其中在磚混結構中的整體連接部位,增加鋼筋混凝土構造柱,并強調在結構關鍵部位,適當采用箍筋加強柱;適當采用足夠的斷面加強柱;適當采用提高?昆凝土標號加強柱;尤其是底層柱…。直到2008年8月出版的《建筑結構學報》抗震專刊中,還在引述朱伯龍教授1998年關于框架柱軸壓比的試驗研究文獻,論文核心是柱的“軸壓比”,泛指柱承受的垂直壓力和柱子承載能力的比值,在不同的設計條件下有著不同的限值。以此保證柱在外力作用下能處于安全狀態的基本要求。國家新的建筑抗震設計規范嚴格限制框架柱的軸壓比,主要是為了保證框架結構柱在地震時具有足夠的安全儲備,通過其延性耗散地震力,延緩或防止房屋倒塌。簡言之:仍然是“強柱”理念。
上世紀八十年代,朱伯龍教授主持了包括上海東方明珠電視塔在內的,大量新型超限結構的地震模擬震動臺試驗研究,為同濟大學土木工程防災國家重點實驗室的建立與發展奠定了基礎。朱伯龍教授生前(1997年)曾自信地當面對筆者講過,上海東方明珠電視塔,經同濟大學地震模擬震動臺實驗表明,這個塔如果放在當年唐山地震的震中位置也不會倒。
一次地震只有一個震級,地震震級僅僅是這次地震釋放多少能量的指標。而地震烈度是地震對地面影響的強烈程度,因位置而異,隨其與震中的距離和地質情況的差異而變化。1966年邢臺地震,設防7度,震中已達10度;l975年海城地震,設防6度,震中已達9—11度;l976年唐山地震,設防6度,震級為7.8級,震中地震烈度已達11度;2008年汶川地震,設防7度,震級為8.0級,震中地震烈度已達11度。朱伯龍教授能大膽假想,東方明珠電視高塔于唐山地震震中不倒,其主要原因就是經試驗各項參數表明塔身堅固,且支撐系統非常有利,符合“強柱”理念。恰恰相反,臺灣1999年“9.21”大地震中的最典型案例之一,就是因為“強柱”出了大問題。許多底層帶店面的小高層商住樓,由于底層柱子不強,在地震力作用下,首先出現底部坍塌,而上部結構具有較好的剛度,有如馬失前蹄,房屋隨著底層坍塌嚴重傾斜,整棟房屋雖未倒塌,也無法加固,只能拆除重建。
將國內外歷年重大震災“強柱”不足的典型教訓,粗略歸納幾例統計如下:
1968年日本十勝沖地震,許多2—4層鋼筋}昆凝土結構破壞就是由于短柱導致。
1971年美國圣弗南多地震,首層空曠l—2層柱薄弱,導致樓層剛度突變,大量結構破壞嚴重。
1975年日本大分地震,長短柱合用框架破壞嚴重,也是由于柱的主要原因,導致災難。
1976年我國唐山地震,其中由磚砌填充墻形成的短柱,也普遍遭受嚴重破壞。
1979年美國加州愛爾生居地震,由于底層柱的嵌固問題,柱的首層被埋入地面遭受嚴重破壞。
1985年墨西哥地震,其中柱截面過小(形成“雞腳”)且超量配筋,造成大量框架結構倒塌。
1995年日本阪神地震,再次證明:其中由于底層柱及底部薄弱,導致大面積建筑物及高架橋嚴重坍塌。
1999年“9.21”中國臺灣地震,因底層柱薄弱,大量小高層“馬失前蹄”典型案例如前所述(略)。
據有關權威資料統計:這次汶川大地震倒塌房屋700萬余問,其中農房占80%以上;而農房本身90%以上倒塌。其多方面的深層次原因姑且不論。僅從結構專業技術層面分析,有地基基礎問題、墻體薄弱問題、材料性能問題、預制板連結構造問題、配筋不足問題、圈梁拉結問題、結構體型問題、抗震體系問題等等。但倒塌結構最主要原因還是承重墻和柱出了大問題。
有關都江堰市建筑震害僅從以下各類結構形式統計也說明了“強柱”問題的重要性:
(1)村鎮大量為單層砌體一木屋架、簡易廠房、倉庫和二、三層或五、六層磚混結構的住宅教學樓、辦公樓,其震害嚴重,尤其抗震體系薄弱。由于墻倒、柱倒,引起整體坍塌非常普遍。
(2)以多層框架結構為主體的房屋,震害相對較輕,也較為普遍。其主要原因是一般均按不同時期的國家建筑抗震規范設計,都不同程度具有多道抗震防線。除施工質量低劣、結構布置嚴重不規則的框架以外,只要框架柱倒不了,房屋就不會倒塌。
(3)在實際框架結構震災中,符合“強柱”理念或理解為“強柱弱梁”型的房屋工程破壞實例極少。而有的樓中樓或樓梯間,由于錯層結構造成短柱破壞和異形柱端破壞的還不乏其例。框架結構幾乎所有破壞形態癥結都取決于框架柱。
3.“強柱”加固:資源節約型的重建選擇
無數工程實例都從正反兩方面證明了“強柱”理念,是抗震設防和結構加固的第一要務。由于地震的不確定性以及人類對其認知的遠遠不足,美國應用技術局(ATC)有專家學者甚至認為,至今抗震設計尚不能稱為一門科學,有很多問題要靠工程判斷,這也不無道理。而工程判斷能力主要來自對歷次震災分析經驗和試驗研究成果,這種判斷也可稱為概念設計,它不僅是抗震設計的重要組成部分,甚至比使用精確的結構設計計算軟件更為重要。“強柱”理念與抗震概念設計和三水準設防理論(大震不倒,中震可修,小震不壞)應視為殊途同歸。現行的修復加固名目繁多,而且價格差異很大。如增大截面加固、置換混凝土、種植鋼筋、錨栓鋼材、高強鋼鉸線、外加預應力、外粘型鋼、結構膠、粘貼碳素(或芳綸等)纖維、粘貼玻璃鋼、粘貼鋼板、增設鋼管支架、減梁增柱、增加支撐與拉結、裂縫灌注等等。同濟大學結構工程與防災研究所,最新提出的基于新型高粘結、無收縮、自密實加固材料專門用于震損建筑快捷加固的新技術,也充分體現了“強柱”加固理念,對災區大量亟待加固的墻柱關鍵結構部位,尤其凸顯其快速、有效和經濟。
隨著新材料新技術不斷涌現,結構加固雖然沒有唯一的解,但唯有建筑抗震概念設計及“強柱”加固理念,猶如指南針,永遠在為結構加固正確導向。它可以幫助我們清理各種加固的適用范圍、合理措施,從而最直接、最有效地改善原結構傳力路徑,使新舊結構共同工作。
“強柱”加固理念與全面加固理念,雖一詞之差,但加固成本卻相差很大。僅就都江堰城區加固重建投資而言,根據實際資料分析比對,前者比后者至少要節約40%。
參照都江堰市房管部門資料介紹,都江堰市老城區的建筑將近90%存在損毀,80%左右已經很難居住,受災房屋無法正常使用的家庭約8萬戶。城區現有房屋則80%以上需要不同程度地加固。在權衡加固與拆遷選擇中,無論是企業主還是居民,都希望維持原有房屋產權,人心所向,加固為上。
按照概率統計分析,都江堰城區目前亟需加固的各類房屋建筑面積在400萬m2以上,以8度抗震設防加固,均價按每平米500元計,總投資約20個億。
誠然,“強柱”加固理念不能取代加固設計,它與國家現行加固規范、規程的抗震概念雖如出一轍,但這種理念特別有助于投資者與設計方,在決定加固結構方案及選擇各種適用方法及材料時作出明智抉擇。為此,可以斷言按“強柱”加固理念,引導解決都江堰城區房屋加固,節約投資不會低于8個億! 這次震災分析資料反映:建于1985年的德陽市幼兒園,建于上世紀七十年代的都江堰市寧江幼兒園,建于1952年的甘肅天水某工廠車間,幾乎都是花小錢辦大事,無需重建也無需全面加固,而僅僅是在關鍵性結構部位點到為止。均分別采用外包柱、外加角鋼圍套柱以及增加柱的支撐等措施,提前進行“強柱”,而極大程度地減少了這次汶川震災財產損失與人員傷亡。
為了使上海對口支援都江堰的資金用在刀刃上,都江堰城區震后受損房屋,只要不影響城市規劃,能加固修復的就不要拆除重建,能局部加固修復使用安全的,就不要全面加固。不僅可以節省大量建設資金,早El還當地居民一個安居環境,而且在處理建筑垃圾和建筑材料生產過程中增加的環境污染、能源消耗方面,也會取得更廣泛的社會效益。
在都江堰城區,大量亟待修復加固的房屋,也理應從“強柱”理念出發,準確把握好結構加固設計及建筑抗震概念設計。包括多道抗震防線、強柱弱梁、砌體結構整體性、其它構件與部位的構造設計,并對必須加固部位應實行總量控制。
4.“強柱”加固:倡議編制出臺《都江堰既有建筑震后加固方案選擇指南》
我國是世界上受地震災害影響最為嚴重的國家之一。本次大地震,大量房屋倒塌損壞,人員傷亡極其嚴重。上海市對口支援都江堰市的l9個行政區鎮,災后重建房屋加固工程量極大,而災區面臨的加固對象是不同建造年代、不同剩余使用年限、不同建筑材料、不同結構形式、以及不同施工質量的房屋結構,且由于年代久遠,部分房屋結構甚至老化嚴重,結構加固強度相差較大。尤其是都江堰城區的房屋90%以上需要不同程度地加固,時間緊迫,規模龐大且高度集中,為國內歷史罕見。同時也為國內房屋加固業的發展提供了新的機遇。
對于結構抗震加固,通常情況根據房屋結構形式、震害程度、使用狀況、原始質量等諸多因素綜合判斷其適用的加固方法。這部分工作往往由結構工程專家完成,即對具體房屋進行結構咨詢或抗震檢測鑒定,而相對量大面廣的災區建筑,靠專家一幢一幢地進行房屋檢測鑒定,并確定千差萬別的加固方案,顯然是不現實的。
結構加固遠比新建工程復雜,即便有經驗的設計人員,對結構加固設計未必有經驗。而更多的設計人員習慣于新建結構設計,習慣于在正常情況下如何選用總體信息及參數,如何選用軟件作精確的結構計算并繪制施工圖。至于如何得心應手運用“強柱”加固理念,指導結構加固設計,尤其是區別不同情況,首先確定合理的加固方案,又往往缺乏相應的專門知識和可循標準。
沉重的工程災害代價,也為我們積累了豐富的工程防災經驗。通過幾代人的努力奮斗,才建立起現在的抗震“三水準”設防理論,改進了抗震技術,修訂了各種有關抗震的國家強制性標準、鑒定標準、設計規范、規定,以及全國省級以上建設行政主管部門制定的,適用于當地的各項抗震設計技術規定、暫行規定等等,據網上搜索統計近200余本。可是,迄今為止還找不到一本《震后建筑加固方案選擇指南》。
結構加固是一個新領域,我國標準規范體系還有不少缺口。針對這一現狀,若能用“強柱”加固理念為指導,新編出臺一本《既有建筑震后加固方案選擇指南》,為廣大設計工作者和房屋管理部門提供直接指導,選擇有效快捷、經濟的加固方案,無疑對加快災區重建步伐意義重大。也為我國結構加固規范體系填補了一個空白。
作者倡議,先期僅限于都江堰編制《都江堰既有建筑震后建筑加固方案選擇指南》,局部試用,積累經驗,逐步完善。其中至少應從三方面立即展開專門針對加固的調查研究工作:(1)都江堰災區有可能加固的既有建筑震害調查;(2)都江堰災區房屋加固修復標準現狀;(3)都江堰災區房屋結構加固技術現狀。 在調查、總結和提煉基礎上,按最新修訂即將實施的國家加固設計規范及新的鑒定標準衡量,使其上升為理論依據。
對于房屋加固修復標準,都江堰雖已明確按8度設防,但需考慮震害程度、房屋殘余使用年限、資金承受能力,資源投入和環境建設等綜合因素深入研究。對于房屋結構加固技術與材料,需結合目前當地可能達到的加固技術水平和當地房屋特征,在震害調查和房屋加固修復標準研究基礎上加以選擇,最終形成《都江堰既有建筑震后建筑加固方案選擇指南》。
致謝:本文自醞釀至完成歷時半年,期間曾向上海社會科學院王泠一博士主編、同濟大學胡克旭教授、廈門市審圖中心郭立高級工程師,征得寶貴意見。我國結構工程與抗震加固領域的著名學者同濟大學呂西林教授、中國建筑科學研究院黃世敏研究員,對本文也曾給予關注和鼓勵,一并致謝!
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(本文來源:陜西省土木建筑學會 文徑網絡:尚雯瀟 尹維維 編輯 文徑 審核)
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