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预制混凝土结构在新西兰的应用与震害

时间:2018-03-31 23:53:45  来源:互联网  作者:张琳

  提到世界上地震频发的地区,土木小兵之前给大家介绍过日本和智利。但世界上还有一个遭受地震与上述地区旗鼓相当的国家,那便是新西兰。美丽的新西兰主要由南、北两个岛屿及周围的一些小岛组成,山地区域占国土总面积75%以上,地域特征倒是和香港相似。除了美景,最令小兵所向往的还是新西兰地震工程的研究和应用。

1、新西兰地震概述

  由于新西兰位于太平洋地震带上印度-澳洲板块和太平洋板块的交界处,故而地震频繁发生。据统计,新西兰每年大约发生地震14000次,其中比较大的地震大概150-200次。自2010年以来,新西兰发生6级以上大震共21次,其中震害最为严重的便是2010年9月的Canterbury earthquake和2011年2月的Christchurch earthquake。尽管新西兰地震频发,但是其优秀的地震工程研究与实际工程应用,对保护生命财产安全起到了关键作用。今天土木小兵给大家介绍预制混凝土结构在新西兰的应用与震害情况。

2、预制混凝土结构在新西兰的应用

  预制混凝土结构(Precast concrete structure)在新西兰有着较早的应用历史。从上世纪60年代开始,新西兰就开始使用预制楼板和其他非结构构件。早年预制混凝土结构由于连接措施不当而震害明显(如1976年中国唐山地震,1988年美国亚美尼亚地震),所以此时并没有推广预制混凝土结构在框架和剪力墙中的使用。80年代中后期由于发展了可靠的连接措施,使得新西兰有信心开始在混凝土框架和剪力墙中使用预制构件。1988年新西兰混凝土学会,新西兰国家地震工程学会与坎特伯雷大学先进工程研究中心成立了预制结构研究小组,分析并总结预制结构设计与施工方面的资料,对实际工程的使用给出指导建议,并于1991年和1999年先后出版了两版Guidelines for the Use of Structural Precast Concrete in Buildings。此时预制结构的抗震设计采用与现浇结构相同的设计思路,即能力设计法,最大限度地保证柱内钢筋不屈服。此阶段预制剪力墙基本上都应用在低层结构,包括两种结构体系,即“monolithic”和“jointed”,前者便是常说的仿现浇结构体系,而后者则属于新型结构体系。

3、预制混凝土结构在新西兰地震中的表现

  众所周知,2010年和2011年新西兰相继遭受了强震,PGA分别为0.22g和0.43g,两次地震均引起了结构不同程度的损伤,后者还导致两栋中层钢筋混凝土建筑的倒塌。此次地震中,仿现浇的预制结构体系表现出一定程度的损伤,但是新型预制混凝土结构体系则表现出良好的抗震性能。

  1. Price Waterhouse Cooper Tower,建于1988年,20层、76米高的办公楼,其预制体系采用System 2(仿现浇体系)。在2011年的地震中,结构遭受不同程度的损伤(主要集中在梁端塑性铰区),预制楼板和楼梯没有明显的损伤。震后调查表明,这栋建筑的层间残余变形处于中低程度(low to moderate),但是由于在地基处产生永久的残余变形导致整体结构倾斜,修复和加固的费用不经济,最终选择拆除重建。

  2. Brannigans tower,建于1987年,10层混合用途建筑,其预制体系采用System 3(仿现浇体系)。在2011年地震中遭受不同程度的损伤,由于框架梁的损伤导致预制板一定程度的开裂。这栋建筑最终也被拆除。

  3. Clarendon tower,建于1988年,17层办公楼,其预制体系采用System 2 (仿现浇体系)。这栋建筑在2010年地震中有些轻微的损伤,后修复后继续使用。但是在2011年地震中楼板和楼梯损伤严重,最终决定拆除。在拆除过程中,有爆破和机械拆除两种方案(印象中由于爆破技术不太成熟),最终还是选择了机械拆除,动用了南半球最大的吊车,拆了两年之久(到2013年2月结束)。

  值得一提的是,当地的结构咨询单位和奥克兰大学的学者从这栋结构中切割出3组预制构件进行了试验研究,结果表明未加固的预制构件能够表现出同时代构件的抗震性能需求,加固后的预制构件表现出良好的抗震性能。

  4. Forsyth barr tower, 建于1988年,18层办公楼,“剪刀撑”式的预制楼梯在地震反复作用下由于锚固不足而损伤严重,相关内容土木小兵在之前已有论述,见“近年地震中钢筋混凝土楼梯的震害现象及分析”。这栋建筑由于预制楼梯的严重破坏,给当时的救援也带来了不少影响。一位被困的住户,最终破窗沿绳而下。这栋建筑一直到2013年还没有确定到底是要拆除还是选择加固修复,直到2014年决定修复,并且将建筑用途改造为宾馆。

  从以上可以看出,在构造措施合理的情况下,新西兰常规的仿现浇式预制混凝土结构表现出和现浇结构类似的抗震性能,能够实现预定的抗震设防目标。

  而针对新型预制结构体系,即上文提到“jointed connection”体系,其主要思想来自于PRESSS研究计划。PRESSS是上世纪90年代由著名的地震工程学者Nigel Priestley领导的关于预制结构抗震性能的评估与设计的研究计划,详细内容见“预制结构抗震体系研究(PRESSS)介绍及其发展”。当时之所以要启动这个研究计划,主要是研究者认为预制装配式结构是未来发展的方向之一,但是当时相关的研究并不广泛,在高烈度地区缺乏先进高效的预制结构体系。通过此研究计划,主要研究不同烈度地区预制结构的抗震性能和设计研究,同时能够发展新的预制结构设计概念、技术和新的建造材料。相关内容土木小兵在之前的文章中已有论述。

  当然,新型预制结构体系不局限于PRESSS的研究思路,还可以与结构隔震、减震等振动控制等技术相结合。本次地震中,采用隔震体系的Christchurch Women Hospital和采用PRESSS技术的Southern Cross Hospital抗震性能良好,震后功能能够正常使用。

  5. Christchurch Women Hospital,建于2005年,8层预制混凝土框架隔震结构体系,是新西兰南岛地区唯一的隔震建筑,这栋建筑的总造价大约5000万新元,隔震支座的总费用少于100万新元。在2011年地震中侧向位移至少达到100mm,但仅在上部结构有非结构性损伤(不过看相关报道,这些非结构性的裂缝好像修复起来也需要数百万新元)。

  6. Southern Cross Hospital,位于新西兰南岛,建于2010年,为后张预应力框架-剪力墙结构体系。在本次地震中,该结构东西方向有明显的瞬时变形,南部的联肢剪力墙顶部交界处有少量混凝土保护层的压碎。通过计算分析表明该结构在本次地震中的瞬时层间位移角超过2.5%。但是由于采用了PRESSS技术,本次地震中结构性能表现良好,仅为minor/cosmetic level of damage,整个医疗设施正常运行。

  文中部分图片来自互联网,感谢万能的互联网!

  主要参考文献:

  1. Park, R. 2002. Seismic design and construction of precast concrete buildings in New Zealand. PCI journal, 47(5), 60-75.

  2. Fleischman, R. B., Restrepo, J. I., Pampanin, S., Maffei, J. R., Seeber, K., and Zahn, F. A. 2014. Damage evaluations of precast concrete structures in the 2010–2011 Canterbury earthquake sequence. Earthquake Spectra, 30(1), 277-306.

  3. Walsh, K., Henry, R., Simkin, G., Brooke, N., Davidson, B., & Ingham, J. 2016. Testing of Reinforced Concrete Frames Extracted from a Building Damaged during the Canterbury Earthquakes. ACI Structural Journal, 113(2), 349-362.

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