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汶川地震建筑震害分析

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]
清華大學(xué)土木結(jié)構(gòu)組，西南交通大學(xué)土木結(jié)構(gòu)組，北京交通大學(xué)土木結(jié)構(gòu)組
    清華大學(xué)土木結(jié)構(gòu)組，西南交通大學(xué)土木結(jié)構(gòu)組，北京交通大學(xué)土木結(jié)構(gòu)組

    摘要：2008 年5 月12 日四川汶川發(fā)生8.0 級地震，地震造成了大量建筑的倒塌和損壞，給人民的生命和財產(chǎn)帶來了巨大的損失。本文匯總了清華大學(xué)、西南交通大學(xué)和北京交通大學(xué)土木結(jié)構(gòu)組在四川地震主要災(zāi)區(qū)所調(diào)查的建筑震害資料，根據(jù)建筑的結(jié)構(gòu)類別、建造年代、地震區(qū)估計烈度和使用功能進行了統(tǒng)計整理。結(jié)合典型工程震害案例，分析了此次地震中的建筑震害特點，總結(jié)了一些經(jīng)驗和教訓(xùn)。
    關(guān)鍵詞：汶川地震 震害分析 震害案例
    1 引言
    2008年5 月12 日14 時28 分，四川汶川縣發(fā)生里氏8.0 級地震，震中位于汶川縣映秀鎮(zhèn)（緯度31.0°N、經(jīng)度103.4°E），震源深度14km。汶川地震是我國自建國以來最為強烈的一次地震，直接嚴重受災(zāi)地區(qū)達10 萬平方公里，包括震中50km 范圍內(nèi)的縣城和200km 范圍內(nèi)的大中城市。全國大部分地區(qū)有明顯震感，泰國首都曼谷，越南首都河內(nèi)，菲律賓、日本等地也有震感。截至6 月14 日，地震已造成69170人遇難，17428 人失蹤，374159 人受傷，4624 萬人受災(zāi)。地震發(fā)生后，清華大學(xué)立即組織了相關(guān)專業(yè)的專家趕赴四川協(xié)助抗震救災(zāi)，并會同西南交通大學(xué)和北京交通大學(xué)土木結(jié)構(gòu)有關(guān)專家，先后分三批開展建筑震害調(diào)查，廣州建筑質(zhì)檢站專家也提供了相關(guān)建筑震害安全檢查的數(shù)據(jù)。本文匯總了有關(guān)建筑震害調(diào)查資料，根據(jù)建筑的結(jié)構(gòu)類別、建造年代、地震區(qū)估計烈度和使用功能，對建筑震害情況進行了初步統(tǒng)計，分析了此次地震的建筑震害特點。在此基礎(chǔ)上，對我國建筑抗震現(xiàn)狀進行了初步評價，并提出
    了有關(guān)建議。
    2 建筑震害等級劃分
    本次建筑結(jié)構(gòu)專家赴四川協(xié)助抗震救災(zāi)主要工作是進行房屋建筑震后安全檢查。根據(jù)當?shù)赜嘘P(guān)部門要求，按震后建筑結(jié)構(gòu)的破壞程度被分為四個等級：
    （1）可以使用，即結(jié)構(gòu)的承重結(jié)構(gòu)基本保持完好，少量非結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷，繼續(xù)使用不會引起承重結(jié)構(gòu)的破壞，損傷的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不會造成對生命和財產(chǎn)的威脅；
    （2）加固后使用，即承重結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的損傷，部分非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞，繼續(xù)使用可能將會引起承重結(jié)構(gòu)的損傷加大，或是剩余的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不穩(wěn)定，對生命和財產(chǎn)產(chǎn)生威脅；
    （3）停止使用，即承重結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴重損傷，僅能保持自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不能繼續(xù)使用；
    （4）立即拆除，即承重結(jié)構(gòu)發(fā)生非常嚴重的損傷，隨時可能發(fā)生倒塌。
    另外，也有一些地區(qū)要求將建筑物損傷程度分為三個或五個等級的。
    盡管以上震后建筑結(jié)構(gòu)破壞程度等級劃分標準與建設(shè)部1990 頒布的《建筑地震破壞等級劃分標準》不一致，但考慮到本次地震災(zāi)區(qū)建筑安全檢查的實際情況，本文建筑震害調(diào)查統(tǒng)計仍根據(jù)“可以使用、加固后使用、停止使用、立即拆除”四個等級來進行，并將震區(qū)建筑破壞程度按照結(jié)構(gòu)形式、建造年代、震區(qū)估計烈度和使用功能進行分類統(tǒng)計整理，對研究震害成因和今后制定抗震設(shè)防標準具有重要的參考
    價值。
    3 各類結(jié)構(gòu)形式的震害
    3.1 砌體－木屋架結(jié)構(gòu)
    由于木材可以就地取材，砌體使用較少，這種結(jié)構(gòu)的造價非常低，在村鎮(zhèn)多采用這種結(jié)構(gòu)作為簡易廠房、倉庫等。但是這種結(jié)構(gòu)的砌體墻和砌體柱強度不高，且大多年代較長，在地震中容易發(fā)生屋面破壞和局部倒塌，見圖1。

    3.2 磚混結(jié)構(gòu)
    地震區(qū)村鎮(zhèn)的住宅、教學(xué)樓，城市的一些舊的居民樓、辦公樓、小型廠房多采用磚混結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)在地震區(qū)數(shù)量最多，震害也比較嚴重，比較典型的破壞形式有：結(jié)構(gòu)抗震體系單薄，未設(shè)置構(gòu)造柱，
    也有未設(shè)置圈梁，預(yù)制樓板未拉結(jié)。圖2 為砌體結(jié)構(gòu)震害情況。
    當合理設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁，磚混結(jié)構(gòu)也能有效抵御地震破壞，在震害調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)基本沒有受到破壞的磚混結(jié)構(gòu)。因此，對于砌體結(jié)構(gòu)，如何保證結(jié)構(gòu)的整體性和側(cè)向承載力是抗震設(shè)計的關(guān)鍵。

    3.3 框架－砌體混合結(jié)構(gòu)
    這類結(jié)構(gòu)形式有多種，如底框磚混結(jié)構(gòu)（底部框架－上部磚混，豎向混合），底層部分框架、部分砌體－上部磚混，以及部分框架－部分磚混（水平混合）。這類結(jié)構(gòu)的體系大多比較混亂，由于經(jīng)濟原因，大多盡可能少用混凝土框架，框架和砌體承重墻抗側(cè)力構(gòu)件的承載力和變形能力很不協(xié)調(diào)，平面抗側(cè)剛度極不均勻。這類結(jié)構(gòu)的震害主要有：底部框架由于變形集中而破壞，或上部砌體結(jié)構(gòu)破壞。圖3
    為框架－砌體混合結(jié)構(gòu)的震害情況。

    3.4 框架結(jié)構(gòu)
    本次地震中，大多數(shù)框架結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)震害一般較輕，主要破壞發(fā)生在圍護結(jié)構(gòu)和填充墻，尤其是圓形填充墻的破壞較重（見圖12）。這類破壞仍然會造成嚴重的生命和財產(chǎn)損失，且震后的修復(fù)工作量很大和費用很高。個別因施工質(zhì)量很差、結(jié)構(gòu)布置過于復(fù)雜的框架結(jié)構(gòu)也發(fā)生嚴重破壞，甚至倒塌。
    此外，由于樓板的增強作用、建筑需要在框架梁上增加砌體、或填充墻的增強作用、或增大上部結(jié)構(gòu)的剛度，使得框架梁或屋蓋的實際剛度增大，在實際框架結(jié)構(gòu)震害中，很少看到“強柱弱梁”型破壞。圖5 為框架結(jié)構(gòu)震害情況。此外，還有錯層結(jié)構(gòu)造成短柱剪切破壞，異形柱端破壞。


    3.5 框架－剪力墻（核心筒）結(jié)構(gòu)本次地震中，框架－剪力墻（核心筒）結(jié)構(gòu)，由于具有較大的抗震剛度和承載力，顯示出了優(yōu)越的抗震性能，尤其是與統(tǒng)一地區(qū)的框架結(jié)構(gòu)相比，框架－剪力墻（核心筒）結(jié)構(gòu)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞要輕很多。圖5 為綿陽新益大廈，在地震中僅少數(shù)圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生細微裂縫。
    值得注意的是，框架－剪力墻（核心筒）結(jié)構(gòu)主要在成都和綿陽等大城市才有采用，而這些城市在本次地震中的烈度并不高。因此，框架－剪力墻（核心筒）結(jié)構(gòu)的抗大震性能在這次地震中沒有表現(xiàn)出來。

    3.6 輕鋼結(jié)構(gòu)(屋面)/鋼桁架拱
    由于自重較輕和強度較大，鋼結(jié)構(gòu)抵御地震的能力比較強，震害比較輕，主要發(fā)生在維護結(jié)構(gòu)。圖7 為綿陽九洲體育館，其主體結(jié)構(gòu)和支座均無明顯損傷，僅在圍護結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)合處有輕微碰撞破
    壞。圖8 為江油縣體育館，主體結(jié)構(gòu)輕微損傷，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)無明顯損傷，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)支座松動嚴重。

    3.7 其它震害
    其它震害情況還有伸縮縫處碰撞（圖9）、鞭稍效應(yīng)造成頂部突出物結(jié)構(gòu)破壞（圖10）、裝飾構(gòu)件破壞（圖11）、圓形填充墻破壞（圖12）


    4 震害情況統(tǒng)計
    4.1 按結(jié)構(gòu)形式
    各類結(jié)構(gòu)形式建筑的震害情況統(tǒng)計如表1 所示。震區(qū)大量應(yīng)用的砌體結(jié)構(gòu)、砌體－框架混合結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的不同震害程度的對比見圖13。破壞程度嚴重而應(yīng)立即拆除和停止使用所占的比例來看，不同結(jié)構(gòu)形式的抗震性能按以下順序依次增強：砌體結(jié)構(gòu)——砌體－框架混合結(jié)構(gòu)——框架結(jié)構(gòu)——框架－剪力墻（核心筒）結(jié)構(gòu)/鋼結(jié)構(gòu)。除了各類結(jié)構(gòu)本身抗震性能的差別以外，結(jié)構(gòu)體系和施工質(zhì)量的離散程度也對結(jié)構(gòu)的抗震性能有一定的影響。比如各種砌體結(jié)構(gòu)，建造隨意，有時沒有進行設(shè)計，很多情況是結(jié)構(gòu)體系不清楚，因此結(jié)構(gòu)的抗震性能難以把握，破壞情況也多種多樣，可能是砌體墻剪切破壞或砂漿強度不足錯動剪切破壞，也可能是樓板拉結(jié)破壞和砌體墻的傾覆破壞。而框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，大多情況下結(jié)構(gòu)體系的傳力路徑比較清晰，施工工藝先進，容易保證質(zhì)量，結(jié)構(gòu)的抗震性能能夠比較準確的預(yù)測和設(shè)計。這類結(jié)構(gòu)如發(fā)生嚴重震害，大多是由于施工質(zhì)量問題或嚴重結(jié)構(gòu)不規(guī)則造成。

    4.2 按建造年代
    建造年代對結(jié)構(gòu)破壞程度的影響有兩方面：使用年限的長短和設(shè)計規(guī)范的不同。將建筑震害情況按照各版本抗震設(shè)計規(guī)范的實施年份劃分，得到表2 和圖14 所示的震害情況統(tǒng)計。由于78 年以前的建筑現(xiàn)存較少，而且78 版抗震規(guī)范條文比較簡單，在比較中不再列出?？梢园l(fā)現(xiàn)1979 年-1988 年之間的建筑結(jié)構(gòu)破壞的情況最嚴重，其原因主要是，使用年限較長；當時經(jīng)濟水平較低，大多數(shù)房屋以砌體結(jié)構(gòu)為主，而砌體結(jié)構(gòu)本身的抗震性能相對于其他結(jié)構(gòu)較弱；設(shè)計規(guī)范的安全儲備水平較低。


    比較抗震設(shè)計規(guī)范TJ11-78[1]、GBJ 11-89[2]、GB50011-2001[3]可以發(fā)現(xiàn)，自1976 年唐山地震以來，我國加強了對工程結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域的研究，使得抗震設(shè)計規(guī)范逐漸完善，在抗震設(shè)計中考慮的內(nèi)容越來越全面，如表3。同時，隨著經(jīng)濟水平的提高，對建筑抗震設(shè)計要求也越來越高，以同期的混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范為例[4]- [7]，結(jié)構(gòu)的設(shè)計安全水平和安全儲備從74 規(guī)范以后逐漸提高，如表4 所示。而74 規(guī)范的安全水平和安全儲備之所以最低，正是受當時經(jīng)濟水平所限。由此可見，抗震水平也是國家經(jīng)濟水平的反映。





    4.3 按地震區(qū)烈度
    根據(jù)本文作者所調(diào)查本次地震區(qū)估計烈度，各地區(qū)建筑震害情況統(tǒng)計見表5 和圖15。從破壞情況較為嚴重的兩類建筑（“停止使用”和“立即拆除”）來看，基本符合烈度越大，破壞越嚴重的分布趨勢。
    但是都江堰、綿陽和相同地震烈度的其他地區(qū)相比，震害較輕。主要是由于這兩個城市的經(jīng)濟水平相對較好，建筑以框架結(jié)構(gòu)或框架-剪力墻結(jié)構(gòu)為主；而其他地區(qū)，如江油，建筑以砌體結(jié)構(gòu)為主，震害較為嚴重。因此可見，除了國家整體經(jīng)濟水平對抗震設(shè)防水準的影響外，地區(qū)經(jīng)濟水平也對抗震水平也起到了約束作用。

    4.4 按使用用途
    從建筑使用用途上來看，學(xué)校和工廠建筑的震害最嚴重，如表5 和圖16 所示。震區(qū)的學(xué)校建筑主要以砌體結(jié)構(gòu)為主，加上建筑上的大開間、大門窗洞、外挑走廊，有時甚至無抗震構(gòu)造措施，導(dǎo)致其抗震性能較差。工廠的廠房也多為砌體結(jié)構(gòu)，規(guī)模不大而且多為人員較少的車間，因此其抗震設(shè)計的要求也很低，導(dǎo)致震害較為嚴重。政府機構(gòu)多用框架結(jié)構(gòu)，其震害最輕。其他類型建筑的震害介于這兩類建筑之間。

    5 結(jié)論和建議
    通過對汶川地震的建筑震害調(diào)查，得到以下經(jīng)驗和教訓(xùn)：
    （1）砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能需要嚴格的構(gòu)造措施和施工質(zhì)量給予保證，包括合理設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱和圈梁、預(yù)制樓板的有效拉結(jié)和擱置長度、或增加現(xiàn)澆層等，最好采用現(xiàn)澆樓蓋，特別是應(yīng)加強構(gòu)造柱和承重墻的安全儲備，否則這種結(jié)構(gòu)形式極易在地震中發(fā)生嚴重破壞。
    （2）在這次地震中，框架結(jié)構(gòu)的抗震性能表現(xiàn)基本較好，若能保證施工質(zhì)量，框架結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)預(yù)期的中震和大震抗震性能目標。但這次地震中框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)外裝飾飾面、圍護結(jié)構(gòu)、填充墻的破壞嚴重，仍然造成了較大的生命和財產(chǎn)損失，特別是給震后恢復(fù)重建和人們的心理造成很大影響，需在今后的抗震設(shè)計中給予重視，應(yīng)重點加強圍護結(jié)構(gòu)和填充墻與主體框架結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施的研究。
    （3）剪力墻結(jié)構(gòu)（包括框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-筒體結(jié)構(gòu)）在這次地震中的表現(xiàn)優(yōu)異，這與其有較大的抗側(cè)剛度有關(guān)。但是這次地震中，剪力墻結(jié)構(gòu)均位于烈度較低的地區(qū)，其在大震下的抗震性能沒有體現(xiàn)出來，還需要進一步研究。盡管如此，根據(jù)已獲得的震害調(diào)查結(jié)果推斷，剪力墻結(jié)構(gòu)在非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的震害方面輕于框架結(jié)構(gòu)，是一種較好的抗震結(jié)構(gòu)形式。
    （4）建筑抗震規(guī)范是保證建筑抗震能力的重要依據(jù)。本次地震建筑震害調(diào)查表明，嚴格按照89版后抗震規(guī)范設(shè)計、并保證施工質(zhì)量的建筑，基本都保持較好的狀態(tài)。但是，本次地震的震害調(diào)查也表明，仍然有許多問題值得進一步深入研究和改進，特別是在管理制度、經(jīng)濟投入、概念設(shè)計和施工質(zhì)量方法，還需不斷提高我國的整體抗震防災(zāi)的水平。
    （5）建筑抗震水平與經(jīng)濟水平密切相關(guān)。震害調(diào)查表明，城市震害程度抵御鄉(xiāng)鎮(zhèn)，新建建筑的震害低于早期建筑，因此，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，在資金充裕的條件下，應(yīng)有限選擇更有利于抗震的結(jié)構(gòu)形式，增加更多的抗震措施。
    （6）對工程建設(shè)的監(jiān)督和管理仍需加強，避免在設(shè)計和施工環(huán)節(jié)出現(xiàn)不符合抗震規(guī)范的建筑工程。
    在設(shè)計方面，應(yīng)加強結(jié)構(gòu)抗震體系和概念設(shè)計的教育，并在抗震構(gòu)造措施方面嚴格執(zhí)行設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，如構(gòu)造柱和圈梁設(shè)置要求，預(yù)制板的拉結(jié)要求，最小配筋率和最小配箍率要求，箍筋彎鉤和箍筋間距要求等。在施工方面，應(yīng)嚴格保證工程材料質(zhì)量、混凝土級配、鋼筋構(gòu)造措施的實現(xiàn)等，保證工程施工質(zhì)量。對農(nóng)村自建住宅政府組織專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)給予指導(dǎo)，合理設(shè)置抗震措施。
    （7）對有些問題需進一步開展深入研究，如：①由于樓面作用大，框架結(jié)構(gòu)的強柱弱梁機制很難做到，應(yīng)對框架結(jié)構(gòu)的強柱弱梁機制保證措施進一步研究；②填充墻有時可協(xié)助主體結(jié)構(gòu)共同抗震，提高整體結(jié)構(gòu)的抗震能力，有時由于填充墻開洞宜造成主體結(jié)構(gòu)形成短柱剪切破壞，因此應(yīng)加強填充墻對整體結(jié)構(gòu)的抗震貢獻和影響的研究，特別是應(yīng)加強填充墻與主體結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施和性能化設(shè)計的研究，避免填充墻嚴重破壞；③進一步完善抗震構(gòu)造措施，如最小配筋率、最小配箍率，以及箍筋最小直徑和間距，并應(yīng)積極推廣連續(xù)螺旋箍筋技術(shù)的應(yīng)用；④進一步重視結(jié)構(gòu)整體牢固性和結(jié)構(gòu)抗震體系的研究，提高整體結(jié)構(gòu)抵御意外災(zāi)害的安全儲備。
    （8）加強各級政府、行政部門和普通群眾的抗震防災(zāi)意識，做好抗震預(yù)防工作，特別是保證房屋建筑達到規(guī)定的抗震設(shè)防標準，以最大程度的減少因建筑物抗震能力不足倒塌破壞造成的人員傷亡。

    清華大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)專家組赴四川抗震救災(zāi)和進行建筑震害調(diào)查的人員：
    宋二祥，錢稼茹，劉鳳閣，葉列平，王元清，張?zhí)焐?，趙作周，劉彥生，荊建梅，陸新征，李青翔，經(jīng)杰，任寶雙，林磊，湯涵，祝磊，田野，施剛，馮鵬，方東平，安雪暉，潘鵬。
    西南交通大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)專家組成員：
    趙世春，劉文日，黃云德，李力，張建經(jīng)，潘家鼎，黃喜兵，孟鵬暉，李彤梅。
    北京交通大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)專家組成員：
    楊慶山，盧明奇。
    廣州市房屋鑒定所等赴四川抗震救災(zāi)進行震后建筑安全檢查人員：
    張文廣，何文中，曹書兵等
    本文整理：葉列平，陸新征。李易博士協(xié)助震害資料的統(tǒng)計分析。
    致謝：感謝四川省建設(shè)廳、綿陽市建設(shè)局和綿陽市房管局的支持和配合。
    參考文獻
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