高层建筑结构震害分析

1高层建筑常见结构形式及地震破坏特点

1.1高层建筑常见结构形式

我国《高层建筑混凝土结构技术规程》规定：10层及10层以上或房屋高度超过28m的住宅建筑和高度大于24m的其他民用建筑结构为高层建筑。高层建筑结构以结构体系来分有：框架结构体系、剪力墙结构体系、框架-剪力墙结构体系、框架-筒体结构体系、板柱-剪力墙结构体系、框筒和筒中筒结构体系、多筒结构体系等。以材料来分有钢结构、钢筋混凝土结构、配筋砌体结构、钢-混凝土组合结构。

1.2高层建筑历次地震的破坏情况

近60年来国内外发生了多次大地震，每一次大地震都造成大量的人员伤亡、财产损失以及建筑物破坏。以下表1列举几次国内外典型的大地震造成的高层建筑破坏情况。

2各类高层建筑结构形式的震害形式及原因分析

2.1高层钢筋混凝土结构震害分析

由于高层建筑的结构特点，目前高层建筑大部分采用钢筋混凝土材料。相对其他材料建造的建筑而言，钢筋混凝土结构的建筑具有较好的抗震性能。但如果建筑结构设计不合理，施工质量把控不严，钢筋混凝土结构房屋也会出现严重震害。以下总结了钢筋混凝土结构的大致震害：

2.1.1变形缝破坏

地震时，在变形缝两侧的结构单元各自的振动特性不同，地震时会产生不同形式的震动，如果防震缝构造不当或宽度不够，地震时变形缝两侧建筑物相互碰撞，造成墙体、屋面和檐口破坏，装修塌落。在北京，凡是设置伸缩缝或沉降缝的高层建筑（一般缝宽都很小）在唐山地震时都有不同程度的碰撞破坏；在一些设置防震缝的建筑物中，也有轻微的损坏。变形缝两侧建筑物的震害与结构伸缩缝或沉降缝宽未按抗震要求设置有关，破坏程度与结构地基情况及地震时上部结构的变形大小有关。地基较好，刚度较大的高层结构房屋，变形较小，伸缩缝两侧的建筑碰撞较轻。

2.1.2结构竖向强度、刚度不均匀产生的破坏

当结构沿高度方向的刚度或强度突然发生突变时，比如结构的竖向体型突变（建筑物顶部内收形成塔楼，楼层外挑内收等）、结构的体系变化（剪力墙结构底部大空间需要，底层或底部若干层剪力墙不落地，产生结构竖向刚度突变；中部部分楼层剪力墙中断；顶部楼层设置空旷大空间，取消部分内柱或剪力墙等），会在刚度或强度较小的楼层形成薄弱层。在地震力作用下，整个结构的变形都将集中在该楼层，会导致结构在该层发生严重破坏甚至结构倒塌。

2.1.3框架柱破坏

一般框架长柱的地震破坏发生在框架柱的上下端，特别是柱顶。其具体表现形式是，在轴力、弯矩和剪力的复合作用下，柱顶周围产生水平裂缝或交叉斜裂缝，破坏严重时会发生混凝土压碎，箍筋崩开或拉断，纵像钢筋受压屈曲外鼓成灯笼状；框架短柱刚度较大，剪跨比较小，地震中分担的地震剪力较大，易发生脆性剪切破坏；角柱处于双向偏压状态，受力状态较复杂，其受结构整体扭转影响较大，受横梁约束的作用又相对较弱，因此角柱震害一般重于内柱。

2.1.4框架梁破坏

框架梁的震害一般发生在梁端。在地震和竖向荷载作用下下，梁端承受反复作用的弯矩与剪力，框架梁出现垂直裂缝和交叉斜裂缝。其破坏程度主要取决于梁中钢筋的配置，当抗剪钢筋配置不足时发生脆性剪切破坏；当抗弯钢筋配置不足时发生弯曲破坏；当梁主筋在节点内锚固不足时发生锚固失效破坏。

2.1.5框架梁柱节点破坏

梁柱节点破坏在地面运动反复作用下，框架节点的受力机理十分复杂，其地震破坏主要表现在：节点核心区抗剪强度不足引起的脆性剪切破坏，破坏时，核心区出现斜向对角的贯通裂缝，节点区内箍筋屈服、外鼓甚至崩断。当节点区剪压比较大时，可能在箍筋屈服前，混凝土先被剪压酥碎成块而发生破坏。

2.1.6剪力墙破坏

框架-剪力墙结构中，剪力墙的抗侧刚度远大于框架的抗侧刚度。据震害资料显示，同一地区的框架剪力墙结构的框架与纯框架结构在受到地震作用时，前者的震害情况明显地比后者更轻微，或前者基本完好，所以说剪力墙的抗震性能的优劣直接决定了整个剪力墙结构或者框架剪力墙结构建筑物的抗震性能。底层剪力墙作为结构中最接近地表和基础的构件一般作为结构的第一道抗震防线，在地震中吸收了绝大部分的能量，从而最早可能被破坏。钢筋混凝土剪力墙常见的基本破坏形式有：剪力墙开洞的洞口上部一般出现交叉裂缝、剪力墙的墙底下部混凝土出现脆性剪切破坏、结构底层剪力墙底部一般出现较多的斜向裂缝，剪力墙破坏程度与楼层的高度成负相关关系，随着楼层高度的增加而破坏减轻。

2.1.7围护结构和填充墙破坏

地震中，建筑物的围护结构和框架结构的填充墙发生明显的震害。建筑物围护结构一般为砌体结构，地震中会产生裂缝或发生倒塌；填充墙一般产生水平或竖向墙体-框架界面裂缝、斜裂缝、交叉斜裂缝以及墙体由于缺乏可靠的连接而出现错位甚至倒塌。框架剪力墙结构的填充墙整体性较差，在地震中墙体整体的破坏程度取决于填充墙与框架柱之间的拉筋设置密度、拉筋本身的质量以及施工质量。据震害资料可知，地震中，框架剪力墙填充墙的破坏较大，墙体根部的砌块尤其是空心砌块一般容易被压碎，且在地震剪切作用下，墙体易出现斜裂缝。尽管这些部位的破坏一般不影响主体结构的使用，但一般也会造成很大的财产损失，有时会对人员的安全产生威胁。

2.1.8屋顶突出物破坏

由于鞭梢效应，房屋屋顶局部突出部位在地震时易易遭受比其他部位更严重的破坏，如屋顶突出的楼梯间、电梯间、女儿墙、屋顶附属塔架等。

2.1.9楼梯破坏

地震发生时，楼梯是高层建筑中人员逃生的唯一通道，但是2008年我国汶川地震中框架结构中的楼梯出现不同程度的破坏现象。对于楼梯轻微破坏情况，楼梯平台梁板出现剪切裂缝，楼梯板出现多条水平裂缝；震害严重时，楼梯板被完全拉断，楼梯梁在跨中两端出现明显破坏，混凝土保护层压碎、剥落，钢筋。在以往的结构设计时仅对楼梯进行静力分析和设计，将楼梯作为荷载加到主体结构上，然后对主体结构进行抗震计算分析，没有对楼梯考虑抗震计算。震害表明，正常设计、施工、使用的钢筋混凝土高层建筑，达到了我国现行抗震规范的设防目标，一般在遭遇多遇地震时基本完好；在遭遇设防烈度地震时，仅出现只需简单维修就可正常使用的破坏；城市地区的新修房屋有的甚至在遭遇设防烈度地震时，保持基本完好；在遭遇罕遇地震或更大地震的地区（如极震区），严重破坏的比例较高，个别倒塌。当结构存在先天抗震缺陷时，如未进行抗震设计或设计不合理，或结构抗震设计合格但未按图施工，如果施工过程中存在较严重弊病使得结构容易出现薄弱环节，结构就容易遭受更严重的破坏。

2.2高层钢结构的震害分析

同钢筋混凝土结构相比，钢结构具有强度高、塑性、韧性好、质量轻以及材质均匀、密闭性好等优点，总体上其抗震性能较好。但是由于连接（焊接、铆钉连接、螺栓连接）、冷加工等工艺技术以及环境的影响，钢结构的优点会受到影响。如果钢结构在设计、施工、维护等方面出现问题，在地震时就会造成建筑物或构件损害或破坏。以下主要分析多次地震中的钢结构的震害情况。

2.2.1结构倒塌

造成结构倒塌的主要原因是出现薄弱层。薄弱层的形成与楼层屈服强度系数沿高度分布不均匀，P-效应较大，竖向压力较大等有关。

2.2.2支撑构件破坏

在钢结构震害中支撑构件的破坏和失稳出现较多。主要原因是支撑构件为结构提供了较大的侧向刚度，当地震作用较大时，支撑构件承受的轴向力将增加，如果支撑长度、局部加劲板构造与主体结构的连接构造等出现问题，就会出现构件失稳或破坏。

2.2.3节点破坏

一般刚性连接的结构构件使用铆钉或焊接形式连接。由于节点构造复杂、传力集中，施工难度较大，容易造成节点应力集中、强度不均衡现象。再加上可能出现的焊缝和构造缺陷，更容易出现节点连接破坏。因而梁柱节点可能出现的破坏现象有焊接部位拉脱，铆接断裂，加劲板断裂、屈曲，腹板断裂、屈曲等。

2.2.4基础锚固破坏

钢结构与基础的连接锚固破坏主要有螺栓拉断、连接板断裂、混凝土锚固失效。主要是由于设计构造、材料质量、施工质量等方面出现问题所致。

2.2.5构件破坏

钢结构框架梁的破坏形式主要有腹板屈曲、腹板开裂、翼缘屈曲与梁扭转屈曲等；框架柱的破坏主要有翼缘屈曲、翼缘撕裂、柱子受拉断裂、失稳等。柱子拉断的原因是地震造成的倾覆拉力较大、动应变速率较高、钢材材性变脆。钢结构出现震害的原因主要可归为结构设计与计算、结构构造、施工质量、材料质量、维护情况等5个方面。为减小局部破坏、避免出现整体倒塌失稳的情况，高层钢结构抗震设计必须遵循有关的结构设计与施工规定，才能尽可能减小或避免地震造成的生命财产的损失、降低震后修复的费用。

2.3复杂高层建筑结构震害分析

根据震害资料显示，在强震作用下，结构不规则将直接或间接导致结构发生破坏甚至倒塌。如1995年日本阪神地震中部分复杂高层建筑的中间层倒塌；1999年台湾集地震中部分体型特别复杂的高层建筑倒塌；2008年汶川地震中部分高层建筑的结构构件发生严重破坏。以下分析2010年智利地震中，立面收进高层建筑结构及连体连廊高层建筑结构的破坏情况。智利地震中，某一立面收进结构，共21层，立面收进层位于11层。在地震动作用下，其立面收进层发生整层破坏以及立面收进层以上高位连体楼层发生破坏。另一高层连体结构，共31层，地上22层，地下9层，该结构正处于施工阶段，两侧塔楼通过连廊联系在一起。为了消除两侧塔楼相互振动对连体结构的危害，才用了隔震技术、预留间隙以及后张预应力技术。然而智利地震后，该结构连梁与塔楼连接部位出现了通长裂缝带。根据上述震害可以看出，在高层建筑结构设计中应加强复杂高层建筑的抗震研究，结构的竖向布置和平面布置应尽量选择有利于地震的形式，避免竖向刚度不均匀以及平面布置不合理引起的结构扭转等。

2.4带隔震和消能减震高层建筑结构的震害分析

隔震和消能减震技术是近几十年来应用最多的抗震和减震技术。不同于传统的依靠结构自身的抵抗能力来抗震策略，隔震和消能减震是在建筑物上部结构和基础之间设置隔震消能装置或在结构抗侧力构件中设置消能器，吸收部分地震能量，减轻结构地震作用，达到预期抗震设防目标。隔震和消能减震体系能够减轻结构受到的水平地震作用，减轻建筑物结构和非结构构件的地震损坏，提高人员在地震时的安全性。一般带隔震和消能减震的建筑物，在震后损坏很小，或者主体构件未发生破坏，经修复可继续使用，增加了建筑物的经济性。在2010年智利地震中，位于智利首都Santiago的TitaniumTower，该高层结构为钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，该结构地上52层，地上结构高度181mm，地下7层，楼面为预制板加混凝土整浇层，结构横向支撑交叉位置设置了消能减震装置。在此次地震中，TitaniumTower仅在结构横向40层处出现玻璃幕墙脱落，未见其他任何结构性裂缝及破坏。可以看出，该高层结构结构体系设计合理，消能减震装置可以有效的消耗地震动能量，保护主体结构在强震时不发生破坏。

2.5高层组合结构的震害分析

型钢混凝土组合结构是以型钢为钢骨，在型钢周围配置钢筋并浇注混凝土的埋入式组合结构体系，型钢混凝土组合结构可以发挥钢材与混凝土各自的优点,因而具有刚度大、节省钢材、造价低、抗震性能好、施工方便等一系列优点。目前在工程中应用较多的组合结构为组合板、组合梁、钢管混凝土柱以及钢-混凝土结构体系等。

2.5.1钢板剪力墙及钢板-混凝土组合剪力墙高层结构震害

钢筋混凝土剪力墙结构刚度大，在地震作用下承受较大的水平力，较早产生裂缝，震后不易修复。当钢筋混凝土剪力墙与钢框架或组合框架一起使用时，由于钢筋混凝土剪力墙在水平剪力的作用下延性和耗能能力相对较差，框剪结构体系和层间位移角取值较为严格，此时钢框架或组合框架的优越抗震性能能不能得以充分发挥；同时钢筋混凝土剪力墙结构因其自重较大，导致地震荷载作用增加，基础造价和结构造价明显增加。此外，由于钢筋混凝土剪力墙的尺寸较大，随着建筑物的高度增加，剪力墙的墙厚过大，使得建筑物的自重过大。发展出了钢板剪力墙以及钢板-混凝土组合剪力墙这些新型的剪力墙结构体系。至今采用不同种类钢板剪力墙的建筑已达几十幢，主要分布于日本和北美等地震高烈度区。在1995年阪神大地震中，日本神户建成的35层的日本神户城市大厦（高129.4mm)，经受了此次地震考验，该高层采用钢框架-钢板剪力墙双重抗侧力体系，地下三层和地上二层为钢筋混凝土剪力墙，地上第二层以上采用加劲板剪力墙。在震后调查发现，该结构除第26层的加劲钢板发生局部屈曲外，结构整体并未发生明显破坏，而与其相邻的八层钢筋混凝土建筑却首层完全垮塌。目前已知的采用钢板-混凝土组合剪力墙结构的建筑较少，全世界范围内采用组合剪力墙的建筑不超过二十栋，大部分为混合结构，均没有经过实际地震考验。所以现有国内外对钢板混凝土组合剪力墙的已有震害实例基本处于空白状态。

2.5.2其他型钢-混凝土组合结构震害情况

高层建筑的组合构件中，梁可采用型钢混凝土结构梁或钢-混凝土组合梁；柱可采用钢管混凝土柱或型钢混凝土柱；楼板可采用压型钢板与混凝土组合楼板等。在当今高层建筑中，尤其是超高层建筑，型钢-混凝土组合结构的应用越来越多。在1995年的阪神地震中，一些旧式的钢骨-钢筋混凝土结构柱遭到破坏，旧式的钢骨-钢筋混凝土结构一般主要以角钢焊接成格栅式柱，外绑扎钢筋并浇筑混凝土，因而变形能力较差。而近现代的钢骨-钢筋混凝土结构利用宽翼缘H型钢作为骨架所形成钢骨混凝土结构，具有很强的变形能力，在此次地震中未见有破坏的例子。目前国内外已应用型钢混凝土构建了大量的高层、超高层建筑。从表2的目前国内外最高的十大建筑可以可以看出，超高层建筑大部分为型钢混凝土组合结构。

3结论和建议

文中分别介绍了地震中钢筋混凝土结构高层建筑、钢结构高层建筑、复杂高层建筑、带消能减震支撑高层建筑以及型钢混凝土组合结构高层建筑的基本震害情况，并对其震害原因进行了分析，得到以下建议。

3.1深入研究能够实现高层建筑框架结构

“强柱弱梁”机制的构造措施和设计方法历次震害表明，钢筋混凝土框架结构的薄弱部位一般为框架柱与填充墙，框架柱端的震害最严重，而梁一般很少发生破坏。一般严重破坏或倒塌的房屋是因为某层（多见于底层）较多柱端破坏，使得框架结构层间位移角过大，大量震害表明结构属于“强梁弱柱”。而现行设计理念所倡导的“强柱弱梁”式延性破坏机制极少实现。

3.2重视楼梯间的抗震设计

按我国目前的设计常规。楼梯无需进行抗震设计，承载力设计时一般都未考虑地震时的附加拉（压）力。在多次地震中，楼梯梯段板、梯梁和梯柱均不同程度的破坏。因而在高层建筑以后的设计和施工中，应考虑楼梯对主体结构抗震性能的影响。

3.3确定最优的抗震设防标准

多次地震经验表明，破坏性地震引起的经济损失人员伤亡，主要是由于地震时产生的巨大能量使得工程设施、建筑物产生破坏和倒塌，以及地震伴随的次生灾害造成的。而要最大限度的减轻地震灾害，高层建筑设计时必须进行科学合理的抗震设防，这是目前人类应对地震灾害对策中最积极有效的措施。目前我国的抗震设防原则是“小震不坏，中震可修，大震不倒”，但是对于高层建筑来说，其高昂的造价意味震后重建或者加固的成本过高，而我国目前的抗震设防标准过于笼统，因此可以根据不同地区的地震危险性差异以及建筑功能差异，设定不同的抗震设防标准。

3.4加强复杂高层建筑结构的抗震性能研究

大量震害资料显示，复杂而不规则的高层建筑结构体系，在地震作用下容易出现薄弱部位，因结构薄弱部位的弹塑性变形集中而导致结构的严重破坏甚至倒塌，造成巨大的经济损失和严重的人员伤亡。在近期的历次地震中，复杂高层建筑的震害都有发生。提高复杂高层建筑的抗震性能，一方面应改善结构自身的抗震性能，开发高效的高性能抗震部件及高层建筑结构新体系；另一方面，在施工过程中，应严格控制关键部位的施工质量。

3.5加强消能减震技术在高层建筑以及超限高层建筑中的应用

结构消能减震技术是在结构的抗侧力结构中设置消能部件，这些部位通常由阻尼器、耗能支撑等组成。当结构受到地震作用时，消能部件将产生弹塑性滞回变形，吸收并消耗地震作用在结构中产生的能量，以减少主体结构的地震响应，从而避免结构发生破坏或倒塌，达到效能减震的目的。从历次震害中可以看出，带有消能减震装置的高层建筑，震害一般比较轻。因而利用结构抗震控制的思想，发展适用于高层建筑的消能减震新技术，主动应对地震灾害。

3.6加强新型组合结构的抗震性能研究

钢-混凝土组合结构体现了钢结构与混凝土结构的优点，具有强度高、延性好的特点，能承受较大的地震作用，作为最有发展前途的高层建筑结构形式，尤其适用于多发地震区域的高层建筑。但是由于目前现存的钢-混凝土组合结构高层建筑经历的地震较少，缺乏有效全面的震害资料。对于钢-混凝土组合结构的抗震性能研究仅限于计算机模型分析和振动台试验，需要在以后的高层建筑中不断发展和完善。

作者：王引弟 乔越 单位：兰州交通大学土木工程学院