2014年“威馬遜”超強臺風(fēng)作用下建筑結(jié)構(gòu)災(zāi)損調(diào)查與分析
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
周 華1,2'3， 張江利3
（1雅克設(shè)計有限公司，海口570125；2海南周華結(jié)構(gòu)設(shè)計咨詢有限公司，海口570208；
3海南大學(xué)，�？�570228）
[摘要] 介紹了“威馬遜”超強臺風(fēng)中嚴(yán)重?fù)p壞的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，包括一棟工業(yè)混凝土水塔和幾座工業(yè)廠房。鋼筋混凝土水塔災(zāi)損的主要原因是：簡體中的洞口周圍未采取任何加強措施，洞口中心所在截面是簡體最薄弱截面，筒體最薄弱截面處混凝土質(zhì)量差、強度低，導(dǎo)致混凝土在臺風(fēng)作用下被壓潰。工業(yè)廠房鋼筋混凝土柱災(zāi)損的主要原因是：廠房結(jié)構(gòu)未經(jīng)過正規(guī)設(shè)計，鋼筋混凝土柱截面尺寸和配筋嚴(yán)重不足。此外，媒體廣泛報道，文昌市鋪前鎮(zhèn)海邊一棟“水泥樓”被“威馬遜”超強臺風(fēng)摧毀，該建筑實際上是一棟三層磚混結(jié)構(gòu)，在“威馬遜”超強臺風(fēng)中被一艘軍艦撞毀，而不是被臺風(fēng)直接“吹壞”。
[關(guān)鍵詞] “威馬遜”超強臺風(fēng)；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；災(zāi)損
中圖分類號：TU375，P425.6文章編號：1002-848X( 2016) 06-0100-06
0 概述
“威馬遜”超強臺風(fēng)為2014年太平洋第九號臺風(fēng)，于2014年7月18日下午3點30分在海南省文昌市翁田鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時臺風(fēng)中心附近最大風(fēng)力17級，最大持續(xù)風(fēng)速為60 m/s，是1973年以來登陸我國華南地區(qū)的最強臺風(fēng)。本文主要描述鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在經(jīng)受超強臺風(fēng)后的災(zāi)損情況，對引起結(jié)構(gòu)災(zāi)損的內(nèi)在原因進行分析，并為改進鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能提出建議措施。
1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)災(zāi)損的總體情況
在“威馬遜”臺風(fēng)中受損的建筑結(jié)構(gòu)，絕大部分是砌體結(jié)構(gòu)和輕鋼結(jié)構(gòu)。在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)受損的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要包括：1）一棟工業(yè)水塔結(jié)構(gòu)，在臺風(fēng)中被吹斷成兩截，上截掉落到地面；2）幾座由鋼筋混凝土柱支承輕鋼屋面的工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土柱嚴(yán)重?fù)p壞。本文針對上述鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，進行災(zāi)損描述和分析。此外，在“威馬遜”臺風(fēng)之后，媒體廣泛報道文昌市鋪前鎮(zhèn)海邊一棟“水泥樓”被臺風(fēng)摧毀，本文在介紹該建筑的災(zāi)損情況的同時，澄清該建筑的實際結(jié)構(gòu)類型和在臺風(fēng)中損壞的直接原因。
2 工業(yè)水塔結(jié)構(gòu)災(zāi)損情況與分析
2.1水塔結(jié)構(gòu)基本情況
工業(yè)水塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，位于文昌市翁田鎮(zhèn)境內(nèi)一工廠內(nèi)，筒體在“威馬遜”臺風(fēng)中被吹斷成兩截，下截立于地面，上截則掉落到地面，如圖1所示。通過現(xiàn)場調(diào)查和訪談了解到，該水塔于1997年經(jīng)過正規(guī)設(shè)計和施工建成，在臺風(fēng)之前已使用了17年，2014年7月18日下午1點左右，工廠所在地臺風(fēng)風(fēng)力開始大增，下午3點左右，臺風(fēng)風(fēng)力達到最大值，水塔簡體斷成兩截。
根據(jù)現(xiàn)場觀察和量測，水塔結(jié)構(gòu)布置和幾何尺寸如圖2所示。水塔支承筒體內(nèi)徑為1 960mm，壁厚170mm，外徑為2 300mm;筒體地面之上高度28m，由5道水平隔板分成6段，在每一段筒壁的A側(cè)和C側(cè)，各有一個直徑600mm的采光和通風(fēng)洞口；倒圓錐形水柜高度4. 5m，最大直徑9.9m;水塔地面之上總高度33. 5m。此外，水塔筒體內(nèi)有兩條鋼水管，在每一段與筒壁用錨固件連接。
水塔筒壁斷口處鋼筋為：1）豎向受力縱筋間距150mm，每三根14mm直徑螺紋筋間隔一根直徑25mm光面筋；2）環(huán)向水平筋為直徑8mm光面筋，間距200mm;3）豎向受力縱筋和環(huán)向水平筋均為單層布置，位于筒壁中心；4）筒壁洞口寬度范圍內(nèi)的豎向受力縱筋和高度范圍內(nèi)的環(huán)向水平筋，均在洞口邊緣直接切斷，洞口邊緣未采取加強措施；5）筒壁斷口處是部分縱向鋼筋連接部位，連接方法為搭接焊接。
2.2水塔結(jié)構(gòu)災(zāi)損情況
水塔筒體斷口位于隔板四和隔板五之間，上截斷口如圖3所示，下截斷口如圖4所示，根據(jù)現(xiàn)場情況所描繪的斷口處筒壁外側(cè)展開圖如圖5所示。
水塔筒壁斷口處主要破壞形式為：1）圖5中斜線所示范圍為筒壁混凝土破壞區(qū)，被破壞的混凝土既有塊狀，也有散粒狀（堆積在隔板四上），如圖6所示；2）豎向縱筋均被拉斷，斷裂截面為鋼筋自身截面，基本上未觀察到搭接焊縫被拉斷；3）25mm光面筋的斷裂截面普遍離斷口較遠，光面筋從簡壁中被拔出，引起筒壁混凝土開裂和脫落，見圖4(a)，(b)，(e)，直徑14mm螺紋筋的斷裂截面離斷口較近；4）圖5中陰影范圍內(nèi)的環(huán)向水平筋均被拉斷。
除水塔斷口處筒壁損壞外，水塔簡體其他主要損壞見圖7。塔頂水柜損壞是由掉落到地面的沖擊力引起的，而非臺風(fēng)風(fēng)力所致，因此本文不予討論。
2.3水塔結(jié)構(gòu)災(zāi)損原因分析
將水塔看作是固定在基礎(chǔ)頂面的豎向懸臂構(gòu)件，將臺風(fēng)荷載等效成靜力荷載，則在水塔重力荷載和臺風(fēng)荷載共同作用下，水塔筒體荷載及筒體內(nèi)力簡圖如圖8所示。筒體軸壓力由水塔重力引起，根據(jù)圖2的水塔幾何尺寸計算（混凝土容重取25K N/m3，水容重取10 k N／m3）可知，當(dāng)水柜無水和裝滿水時，筒頂軸壓力標(biāo)準(zhǔn)值分別為650kN和2 150kN，筒底軸壓力標(biāo)準(zhǔn)值分別為1 480kN和3 180kN（數(shù)值未包括水柜頂風(fēng)吸力的影響。若按60m/s風(fēng)速估算風(fēng)壓，則水柜頂部總的風(fēng)吸力標(biāo)準(zhǔn)值大約為260kN）。由臺風(fēng)荷載引起的筒體彎矩和剪力，從筒頂?shù)酵驳走f增，最大值均出現(xiàn)在筒底。在一次臺風(fēng)中，由于風(fēng)向是不斷改變的，簡體彎矩和剪力的方向隨著風(fēng)向改變而不斷變化。
水塔簡體斷口處混凝土破壞區(qū)頂部離筒頂大約4m、底部離筒底大約20m，從圖8可知，筒體斷口處的內(nèi)力較小。由于水塔筒體直徑和壁厚從筒頂?shù)酵驳诪槌Ａ浚瑪嗫谔幧辖睾嗴w和下截簡體的豎向縱筋和環(huán)向水平筋的配筋量沒有變化，可以認(rèn)為筒體斷口處的破壞是由筒壁自身的缺陷所引起的。
水塔簡體斷口處的筒壁存在兩個主要缺陷：第一個主要缺陷是斷口處筒壁混凝土破壞區(qū)頂部為C側(cè)洞口E，如圖2和圖3(b)所示，由于洞口E邊緣未采取任何加強措施，洞口中心處水平截面I-I為筒壁的薄弱截面。第二個主要缺陷是斷口處筒壁混凝土質(zhì)量差，從圖6(a)可看出，斷口處的塊狀混凝土由砂漿組成，幾乎沒有粗骨料，從圖6(b)可看出，斷口處壓壞混凝土呈散粒狀甚至粉末狀，嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷導(dǎo)致斷口處筒壁混凝土強度低。在軸壓力和方向不斷改變的彎矩的共同作用下，截面I-I上洞口E旁的混凝土首先被壓壞，混凝土壓壞區(qū)隨著臺風(fēng)的持續(xù)作用不斷擴大，導(dǎo)致截面I-I的承載力不斷減小。但是，截面I-I的彎矩和剪力并不減小，而是隨臺風(fēng)風(fēng)力加強而不斷增大，當(dāng)內(nèi)力超過承載力時，截面I-I產(chǎn)生破壞，水塔上截失去平衡。在水塔上截往下掉落的過程中，混凝土壓壞區(qū)進一步向下擴展（直到受到隔板四的約束和阻止），斷口處所有豎向縱筋和環(huán)向水平筋被拉斷。
水塔簡體其他部件主要損壞的原因分析如下：隔板四損壞(圖7(a))是由于上截簡體在掉落過程中，通過簡體內(nèi)兩根鋼管向隔板四施加了很大的面外上拔力而引起的，不是由臺風(fēng)荷載直接引起的。筒壁A側(cè)洞口二處的水平裂縫(圖7(b))，目測寬度超過了2mm，是由于洞口寬度范圍內(nèi)豎向縱筋被切斷，臺風(fēng)荷載引起的彎矩導(dǎo)致洞口邊緣縱筋產(chǎn)生受拉屈服而產(chǎn)生的。
2.4改進水塔結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能的建議措施
根據(jù)上述分析，可采取如下措施改進水塔簡體的抗風(fēng)性能：1）水塔筒壁豎向縱筋和環(huán)向水平筋均采用雙層配置，分別位于筒壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)，并采用拉結(jié)筋將兩層鋼筋連接。通過雙層鋼筋網(wǎng)和拉結(jié)筋為筒壁混凝土提供沿厚度方向的約束，能提高筒壁混凝土的抗壓強度和變形能力。2）對筒壁洞口采取加強措施，避免洞口處形成筒壁薄弱截面。具體措施包括：在洞口邊緣布置環(huán)梁（或暗環(huán)梁）；在洞口兩側(cè)加配豎向縱筋補償洞口寬度范圍內(nèi)被切斷的縱筋；在洞口上、下加配環(huán)向水平筋補償洞口高度范圍內(nèi)被切斷的水平筋。3）保證混凝土的施工質(zhì)量和強度，包括混凝土要攪拌均勻，在運輸和澆筑過程中避免出現(xiàn)粗骨料和砂漿分離，混凝土振搗要密實，混凝土強度不低于設(shè)計強度等。
3 工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)災(zāi)損情況與分析
在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，部分由鋼筋混凝土柱支承輕鋼屋面的工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)，在“威馬遜”臺風(fēng)中受到嚴(yán)重?fù)p壞。本文選擇三座工業(yè)廠房，針對鋼筋混凝土柱的災(zāi)損情況進行描述和分析。
3.1養(yǎng)蝦車間結(jié)構(gòu)災(zāi)損情況
養(yǎng)蝦場A位于文昌市翁田鎮(zhèn)海邊，于2011年建成。該養(yǎng)蝦場最大的養(yǎng)蝦車間橫向?qū)挾葹?2m（由兩跨組成，每跨26m），縱向長度為82. 5m（由15個開間組成，每個開間5. 5m），采用鋼筋混凝土柱支承屋面拱桁架的結(jié)構(gòu)形式，屋面采用鋼檁條和壓型鋼板圍護，外圍縱墻和山墻采用鋁合金玻璃窗圍護。該車間在“威馬遜”臺風(fēng)中屋面完全跨塌，多數(shù)鋼筋混凝土柱嚴(yán)重?fù)p壞，如圖9所示。
經(jīng)實地量測，該車間鋼筋混凝土柱截面尺寸均為250×300，縱筋為4根直徑14mm螺紋筋，箍筋為直徑8mm光面筋，間距200mm。鋼筋混凝土柱損壞特征為：1）車間外圍柱與由灰砂磚砌筑的窗下墻連接，在窗下墻頂處損壞嚴(yán)重，在墻頂之下?lián)p壞輕微；2)絕大多數(shù)邊柱（僅一側(cè)與拱桁架連接）柱頂斷裂，斷裂截面位于拱桁架下弦桿與柱連接處；3）中柱（與兩個拱桁架連接）的損壞程度普遍低于邊柱，柱底一般沒有明顯損壞，柱頂損壞程度較輕。
3.2冷庫廠A冷凍車間結(jié)構(gòu)災(zāi)損情況
冷庫廠A位于翁田鎮(zhèn)，其中的一個冷庫車間于2014年4月建成，還未投入使用就被“威馬遜”臺風(fēng)摧毀，如圖10所示。該車間為一單層三跨結(jié)構(gòu)，采用輕鋼屋面，承重柱包括鋼柱和圓形鋼筋混凝土柱。該車間所有鋼筋混凝土柱根部嚴(yán)重?fù)p壞，見圖10。
經(jīng)實地量測，鋼筋混凝土柱高為3. 7m，截面直徑為300mm，縱筋為4根直徑14mm螺紋筋，箍筋為直徑8mm光面筋，間距大約250mm。鋼筋混凝土柱損壞形式為：1）所有鋼筋混凝土柱有明顯的側(cè)向殘余變形；2）部分柱根出現(xiàn)混凝土酥裂、崩落，縱筋屈曲；3）部分柱根出現(xiàn)寬度超過1mm的全截面裂縫。
3.3冷庫廠B冷凍車間結(jié)構(gòu)災(zāi)損情況
冷庫廠B位于文昌市大致坡鎮(zhèn)（緊鄰翁田鎮(zhèn)），其中一車間結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土柱支承三角形鋼屋架，采用輕鋼屋面維護，于201 1年建成投入使用。在“威馬遜”臺風(fēng)中，該車間屋面垮塌，鋼筋混凝土柱損壞，如圖11所示，其中，圖11(a)為中新網(wǎng)發(fā)布的風(fēng)災(zāi)照片。
經(jīng)實地量測，鋼筋混凝土柱高為6m，其截面尺寸為400×400。柱損壞特點為：1）柱殘余層間位移角普遍超過1/10；2）多數(shù)柱根部出現(xiàn)明顯的水平裂縫；3）部分柱根部出現(xiàn)明顯的剪切斜裂縫。
3.4廠房結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土柱災(zāi)損原因分析
上述三座工業(yè)廠房的共同特點為：鋼筋混凝土柱以豎向懸臂構(gòu)件的受力形式為結(jié)構(gòu)提供水平剛度和水平承載力，并承擔(dān)由屋面風(fēng)吸力引起的軸拉力。由于三座廠房的結(jié)構(gòu)均未經(jīng)過有資質(zhì)的設(shè)計機構(gòu)設(shè)計，鋼筋混凝土柱截面尺寸過小，縱筋和箍筋量明顯不足，導(dǎo)致其水平剛度和承載力不夠，在“威馬遜”臺風(fēng)中嚴(yán)重?fù)p壞。
在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，有砌體圍護墻與鋼筋混凝土柱連接的工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土柱在“威馬遜”臺風(fēng)中基本完好，或僅有輕度損壞。從圖9(b)也可看出，養(yǎng)蝦場A養(yǎng)蝦車間的窗下墻體，對鋼筋混凝土柱在墻頂之下的部分，起到了明顯的約束和保護作用。因此，與鋼筋混凝土柱有可靠連接的砌體圍護墻，能明顯提高鋼筋混凝土柱的承載力和廠房的水平剛度，可在單層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)中更多地使用。
4 鋪前鎮(zhèn)“水泥樓”災(zāi)損情況及直接災(zāi)損原因
在“威馬遜”臺風(fēng)之后，南海網(wǎng)發(fā)布了圖12(a)所示的風(fēng)災(zāi)照片，并配有文字說明：“通往北港島的鋪前碼頭，一棟水泥樓被臺風(fēng)“威馬遜”摧垮半邊樓……”。此后，該照片在媒體上被廣泛傳播，成了“威馬遜”臺風(fēng)災(zāi)損的代表性照片之一。
圖12(b)~(d)是調(diào)查組于2014年8月5日在建筑現(xiàn)場拍攝的照片。經(jīng)現(xiàn)場觀察，該建筑為緊鄰海面水邊的一棟三層磚混結(jié)構(gòu)，樓面和屋面為現(xiàn)澆混凝土梁板，采用砌體墻體承重，靠海面一側(cè)部分承重墻和二層樓面垮塌，室內(nèi)墻體可見明顯的斜裂縫。經(jīng)向當(dāng)時在建筑內(nèi)作清理工作的兩位當(dāng)?shù)鼐用窳私�，該建筑為文昌市鋪前�?zhèn)（緊鄰翁田鎮(zhèn)）海事處辦公樓，大約15年前建成，“威馬遜”臺風(fēng)來襲時，�？吭诟浇Ｃ娴囊凰臆娕灡痪蘩讼破穑采狭嗽撝�，建筑和軍艦均嚴(yán)重?fù)p壞。
因此，媒體上廣泛報道的鋪前鎮(zhèn)海邊“水泥樓”，實際上是一棟三層磚混結(jié)構(gòu)建筑，在“威馬遜”臺風(fēng)中損壞的直接原因是軍艦撞擊，而不是風(fēng)荷載作用。澄清該“水泥樓”的實際結(jié)構(gòu)類型和直接災(zāi)損原因，避免被媒體不準(zhǔn)確的信息所誤導(dǎo)，是此風(fēng)災(zāi)調(diào)查的重要收獲之一。
5 翁田鎮(zhèn)海邊養(yǎng)蝦場混凝土框架結(jié)構(gòu)災(zāi)損情況
位于臺風(fēng)登陸地點文昌市翁田鎮(zhèn)海邊的建筑，是受“威馬遜”臺風(fēng)最嚴(yán)峻考驗的建筑。在翁田鎮(zhèn)海邊養(yǎng)蝦場中，輕鋼結(jié)構(gòu)車間普遍受到嚴(yán)重?fù)p壞，但是，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑均基本完好，在臺風(fēng)后正常使用，如圖13所示。
6 結(jié)語
在“威馬遜”臺風(fēng)中損壞的建筑結(jié)構(gòu)，絕大部分是砌體結(jié)構(gòu)和輕鋼結(jié)構(gòu)。在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)受損的混凝土結(jié)構(gòu)，主要包括一棟工業(yè)水塔結(jié)構(gòu)和幾座由鋼筋混凝土柱支承輕鋼屋面的工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)。調(diào)查和分析表明：1）工業(yè)水塔結(jié)構(gòu)損壞主要是由于筒壁洞口未采取任何加強措施和筒壁斷口處混凝土質(zhì)量的嚴(yán)重缺陷引起的；2）工業(yè)廠房鋼筋混凝土柱損壞主要是由于結(jié)構(gòu)未經(jīng)過正規(guī)設(shè)計，柱截面尺寸和配筋嚴(yán)重不足引起的。在受“威馬遜”臺風(fēng)影響最嚴(yán)重的文昌市翁田鎮(zhèn)海邊養(yǎng)蝦場中，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑均基本完好，在臺風(fēng)后不需修復(fù)就可正常使用。
因此可以認(rèn)為，混凝土結(jié)構(gòu)有很優(yōu)良的抗臺風(fēng)性能，設(shè)計合理、施工質(zhì)量合格的混凝土結(jié)構(gòu)建筑均能經(jīng)受“威馬遜”超強臺風(fēng)的考驗，在臺風(fēng)后基本不需修復(fù)就可正常使用。后續(xù)工作將針對上述混凝土結(jié)構(gòu)的臺風(fēng)災(zāi)損，進行定量分析和研究。
