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汶川地震建筑震害分析

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]
清華大學(xué)土木結構組，西南交通大學(xué)土木結構組，北京交通大學(xué)土木結構組
    清華大學(xué)土木結構組，西南交通大學(xué)土木結構組，北京交通大學(xué)土木結構組

    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(lái)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)土木結構組在四川地震主要災區所調查的建筑震害資料，根據建筑的結構類(lèi)別、建造年代、地震區估計烈度和使用功能進(jìn)行了統計整理。結合典型工程震害案例，分析了此次地震中的建筑震害特點(diǎn)，總結了一些經(jīng)驗和教訓。
    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(shí)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（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(lái)最為強烈的一次地震，直接嚴重受災地區達10 萬(wàn)平方公里，包括震中50km 范圍內的縣城和200km 范圍內的大中城市。全國大部分地區有明顯震感，泰國首都曼谷，越南首都河內，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(wàn)人受災。地震發(fā)生后，清華大學(xué)立即組織了相關(guān)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)家趕赴四川協(xié)助抗震救災，并會(huì )同西南交通大學(xué)和北京交通大學(xué)土木結構有關(guān)專(zhuān)家，先后分三批開(kāi)展建筑震害調查，廣州建筑質(zhì)檢站專(zhuān)家也提供了相關(guān)建筑震害安全檢查的數據。本文匯總了有關(guān)建筑震害調查資料，根據建筑的結構類(lèi)別、建造年代、地震區估計烈度和使用功能，對建筑震害情況進(jìn)行了初步統計，分析了此次地震的建筑震害特點(diǎn)。在此基礎上，對我國建筑抗震現狀進(jìn)行了初步評價(jià)，并提出
    了有關(guān)建議。
    2 建筑震害等級劃分
    本次建筑結構專(zhuān)家赴四川協(xié)助抗震救災主要工作是進(jìn)行房屋建筑震后安全檢查。根據當地有關(guān)部門(mén)要求，按震后建筑結構的破壞程度被分為四個(gè)等級：
    （1）可以使用，即結構的承重結構基本保持完好，少量非結構構件損傷，繼續使用不會(huì )引起承重結構的破壞，損傷的非結構構件不會(huì )造成對生命和財產(chǎn)的威脅；
    （2）加固后使用，即承重結構發(fā)生一定的損傷，部分非結構構件破壞，繼續使用可能將會(huì )引起承重結構的損傷加大，或是剩余的非結構構件不穩定，對生命和財產(chǎn)產(chǎn)生威脅；
    （3）停止使用，即承重結構發(fā)生嚴重損傷，僅能保持自身結構穩定，不能繼續使用；
    （4）立即拆除，即承重結構發(fā)生非常嚴重的損傷，隨時(shí)可能發(fā)生倒塌。
    另外，也有一些地區要求將建筑物損傷程度分為三個(gè)或五個(gè)等級的。
    盡管以上震后建筑結構破壞程度等級劃分標準與建設部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區建筑安全檢查的實(shí)際情況，本文建筑震害調查統計仍根據“可以使用、加固后使用、停止使用、立即拆除”四個(gè)等級來(lái)進(jìn)行，并將震區建筑破壞程度按照結構形式、建造年代、震區估計烈度和使用功能進(jìn)行分類(lèi)統計整理，對研究震害成因和今后制定抗震設防標準具有重要的參考
    價(jià)值。
    3 各類(lèi)結構形式的震害
    3.1 砌體－木屋架結構
    由于木材可以就地取材，砌體使用較少，這種結構的造價(jià)非常低，在村鎮多采用這種結構作為簡(jiǎn)易廠(chǎng)房、倉庫等。但是這種結構的砌體墻和砌體柱強度不高，且大多年代較長(cháng)，在地震中容易發(fā)生屋面破壞和局部倒塌，見(jiàn)圖1。

    3.2 磚混結構
    地震區村鎮的住宅、教學(xué)樓，城市的一些舊的居民樓、辦公樓、小型廠(chǎng)房多采用磚混結構。這類(lèi)結構在地震區數量最多，震害也比較嚴重，比較典型的破壞形式有：結構抗震體系單薄，未設置構造柱，
    也有未設置圈梁，預制樓板未拉結。圖2 為砌體結構震害情況。
    當合理設置構造柱和圈梁，磚混結構也能有效抵御地震破壞，在震害調查中也發(fā)現基本沒(méi)有受到破壞的磚混結構。因此，對于砌體結構，如何保證結構的整體性和側向承載力是抗震設計的關(guān)鍵。

    3.3 框架－砌體混合結構
    這類(lèi)結構形式有多種，如底框磚混結構（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(lèi)結構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力構件的承載力和變形能力很不協(xié)調，平面抗側剛度極不均勻。這類(lèi)結構的震害主要有：底部框架由于變形集中而破壞，或上部砌體結構破壞。圖3
    為框架－砌體混合結構的震害情況。

    3.4 框架結構
    本次地震中，大多數框架結構的主體結構震害一般較輕，主要破壞發(fā)生在圍護結構和填充墻，尤其是圓形填充墻的破壞較重（見(jiàn)圖12）。這類(lèi)破壞仍然會(huì )造成嚴重的生命和財產(chǎn)損失，且震后的修復工作量很大和費用很高。個(gè)別因施工質(zhì)量很差、結構布置過(guò)于復雜的框架結構也發(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、或增大上部結構的剛度，使得框架梁或屋蓋的實(shí)際剛度增大，在實(shí)際框架結構震害中，很少看到“強柱弱梁”型破壞。圖5 為框架結構震害情況。此外，還有錯層結構造成短柱剪切破壞，異形柱端破壞。


    3.5 框架－剪力墻（核心筒）結構本次地震中，框架－剪力墻（核心筒）結構，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，尤其是與統一地區的框架結構相比，框架－剪力墻（核心筒）結構的非結構構件的損壞要輕很多。圖5 為綿陽(yáng)新益大廈，在地震中僅少數圍護結構產(chǎn)生細微裂縫。
    值得注意的是，框架－剪力墻（核心筒）結構主要在成都和綿陽(yáng)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）結構的抗大震性能在這次地震中沒(méi)有表現出來(lái)。

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

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


    4 震害情況統計
    4.1 按結構形式
    各類(lèi)結構形式建筑的震害情況統計如表1 所示。震區大量應用的砌體結構、砌體－框架混合結構和框架結構的不同震害程度的對比見(jiàn)圖13。破壞程度嚴重而應立即拆除和停止使用所占的比例來(lái)看，不同結構形式的抗震性能按以下順序依次增強：砌體結構——砌體－框架混合結構——框架結構——框架－剪力墻（核心筒）結構/鋼結構。除了各類(lèi)結構本身抗震性能的差別以外，結構體系和施工質(zhì)量的離散程度也對結構的抗震性能有一定的影響。比如各種砌體結構，建造隨意，有時(shí)沒(méi)有進(jìn)行設計，很多情況是結構體系不清楚，因此結構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(dòng)剪切破壞，也可能是樓板拉結破壞和砌體墻的傾覆破壞。而框架結構、框架-剪力墻結構和鋼結構，大多情況下結構體系的傳力路徑比較清晰，施工工藝先進(jìn)，容易保證質(zhì)量，結構的抗震性能能夠比較準確的預測和設計。這類(lèi)結構如發(fā)生嚴重震害，大多是由于施工質(zhì)量問(wèn)題或嚴重結構不規則造成。

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


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





    4.3 按地震區烈度
    根據本文作者所調查本次地震區估計烈度，各地區建筑震害情況統計見(jiàn)表5 和圖15。從破壞情況較為嚴重的兩類(lèi)建筑（“停止使用”和“立即拆除”）來(lái)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(yáng)和相同地震烈度的其他地區相比，震害較輕。主要是由于這兩個(gè)城市的經(jīng)濟水平相對較好，建筑以框架結構或框架-剪力墻結構為主；而其他地區，如江油，建筑以砌體結構為主，震害較為嚴重。因此可見(jiàn)，除了國家整體經(jīng)濟水平對抗震設防水準的影響外，地區經(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(lái)看，學(xué)校和工廠(chǎng)建筑的震害最嚴重，如表5 和圖16 所示。震區的學(xué)校建筑主要以砌體結構為主，加上建筑上的大開(kāi)間、大門(mén)窗洞、外挑走廊，有時(shí)甚至無(wú)抗震構造措施，導致其抗震性能較差。工廠(chǎng)的廠(chǎng)房也多為砌體結構，規模不大而且多為人員較少的車(chē)間，因此其抗震設計的要求也很低，導致震害較為嚴重。政府機構多用框架結構，其震害最輕。其他類(lèi)型建筑的震害介于這兩類(lèi)建筑之間。

    5 結論和建議
    通過(guò)對汶川地震的建筑震害調查，得到以下經(jīng)驗和教訓：
    （1）砌體結構的抗震性能需要嚴格的構造措施和施工質(zhì)量給予保證，包括合理設置鋼筋混凝土構造柱和圈梁、預制樓板的有效拉結和擱置長(cháng)度、或增加現澆層等，最好采用現澆樓蓋，特別是應加強構造柱和承重墻的安全儲備，否則這種結構形式極易在地震中發(fā)生嚴重破壞。
    （2）在這次地震中，框架結構的抗震性能表現基本較好，若能保證施工質(zhì)量，框架結構可以實(shí)現預期的中震和大震抗震性能目標。但這次地震中框架結構的內外裝飾飾面、圍護結構、填充墻的破壞嚴重，仍然造成了較大的生命和財產(chǎn)損失，特別是給震后恢復重建和人們的心理造成很大影響，需在今后的抗震設計中給予重視，應重點(diǎn)加強圍護結構和填充墻與主體框架結構的抗震構造措施的研究。
    （3）剪力墻結構（包括框架-剪力墻結構和框架-筒體結構）在這次地震中的表現優(yōu)異，這與其有較大的抗側剛度有關(guān)。但是這次地震中，剪力墻結構均位于烈度較低的地區，其在大震下的抗震性能沒(méi)有體現出來(lái)，還需要進(jìn)一步研究。盡管如此，根據已獲得的震害調查結果推斷，剪力墻結構在非結構構件的震害方面輕于框架結構，是一種較好的抗震結構形式。
    （4）建筑抗震規范是保證建筑抗震能力的重要依據。本次地震建筑震害調查表明，嚴格按照89版后抗震規范設計、并保證施工質(zhì)量的建筑，基本都保持較好的狀態(tài)。但是，本次地震的震害調查也表明，仍然有許多問(wèn)題值得進(jìn)一步深入研究和改進(jìn)，特別是在管理制度、經(jīng)濟投入、概念設計和施工質(zhì)量方法，還需不斷提高我國的整體抗震防災的水平。
    （5）建筑抗震水平與經(jīng)濟水平密切相關(guān)。震害調查表明，城市震害程度抵御鄉鎮，新建建筑的震害低于早期建筑，因此，隨著(zhù)我國經(jīng)濟建設的發(fā)展，在資金充裕的條件下，應有限選擇更有利于抗震的結構形式，增加更多的抗震措施。
    （6）對工程建設的監督和管理仍需加強，避免在設計和施工環(huán)節出現不符合抗震規范的建筑工程。
    在設計方面，應加強結構抗震體系和概念設計的教育，并在抗震構造措施方面嚴格執行設計規范的規定，如構造柱和圈梁設置要求，預制板的拉結要求，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，應嚴格保證工程材料質(zhì)量、混凝土級配、鋼筋構造措施的實(shí)現等，保證工程施工質(zhì)量。對農村自建住宅政府組織專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員應給予指導，合理設置抗震措施。
    （7）對有些問(wèn)題需進(jìn)一步開(kāi)展深入研究，如：①由于樓面作用大，框架結構的強柱弱梁機制很難做到，應對框架結構的強柱弱梁機制保證措施進(jìn)一步研究；②填充墻有時(shí)可協(xié)助主體結構共同抗震，提高整體結構的抗震能力，有時(shí)由于填充墻開(kāi)洞宜造成主體結構形成短柱剪切破壞，因此應加強填充墻對整體結構的抗震貢獻和影響的研究，特別是應加強填充墻與主體結構抗震構造措施和性能化設計的研究，避免填充墻嚴重破壞；③進(jìn)一步完善抗震構造措施，如最小配筋率、最小配箍率，以及箍筋最小直徑和間距，并應積極推廣連續螺旋箍筋技術(shù)的應用；④進(jìn)一步重視結構整體牢固性和結構抗震體系的研究，提高整體結構抵御意外災害的安全儲備。
    （8）加強各級政府、行政部門(mén)和普通群眾的抗震防災意識，做好抗震預防工作，特別是保證房屋建筑達到規定的抗震設防標準，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)土木工程結構專(zhuān)家組赴四川抗震救災和進(jìn)行建筑震害調查的人員：
    宋二祥，錢(qián)稼茹，劉鳳閣，葉列平，王元清，張天申，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)土木工程結構專(zhuān)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)土木工程結構專(zhuān)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進(jìn)行震后建筑安全檢查人員：
    張文廣，何文中，曹書(shū)兵等
    本文整理：葉列平，陸新征。李易博士協(xié)助震害資料的統計分析。
    致謝：感謝四川省建設廳、綿陽(yáng)市建設局和綿陽(yáng)市房管局的支持和配合。
    參考文獻
    [1] TJ11-78, 工業(yè)與民用建筑抗震設計規范[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 1979.
    [2] GBJ 11-89, 建筑抗震設計規范[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 1989.
    [3] GB50011-2001, 建筑抗震設計規范[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2001.
    [4] BJG21-66, 鋼筋混凝土結構設計規范[S]. 北京: 技術(shù)標準出版社, 1966.
    [5] TJ 10-74, 鋼筋混凝土結構設計規范[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 1974.
    [6] GBJ 10-89, 混凝土結構設計規范[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 1989.
    [7] GB50010-2002, 混凝土結構設計規范[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2002.
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