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汶川地震建筑震害分析

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]
清華大學土木結構組，西南交通大學土木結構組，北京交通大學土木結構組
    清華大學土木結構組，西南交通大學土木結構組，北京交通大學土木結構組

    摘要：2008 年5 月12 日四川汶川發生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帶來了巨大的損失。本文匯總了清華大學、西南交通大學和北京交通大學土木結構組在四川地震主要災區所調查的建筑震害資料，根據建筑的結構類別、建造年代、地震區估計烈度和使用功能進行了統計整理。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，總結了一些經驗和教訓。
    關鍵詞：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，四川汶川縣發生里氏8.0 級地震，震中位于汶川縣映秀鎮（緯度31.0°N、經度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，直接嚴重受災地區達10 萬平方公里，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 萬人受災。地震發生后，清華大學立即組織了相關專業的專家趕赴四川協助抗震救災，并會同西南交通大學和北京交通大學土木結構有關專家，先后分三批開展建筑震害調查，廣州建筑質檢站專家也提供了相關建筑震害安全檢查的數據。本文匯總了有關建筑震害調查資料，根據建筑的結構類別、建造年代、地震區估計烈度和使用功能，對建筑震害情況進行了初步統計，分析了此次地震的建筑震害特點。在此基礎上，對我國建筑抗震現狀進行了初步評價，并提出
    了有關建議。
    2 建筑震害等級劃分
    本次建筑結構專家赴四川協助抗震救災主要工作是進行房屋建筑震后安全檢查。根據當地有關部門要求，按震后建筑結構的破壞程度被分為四個等級：
    （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，繼續使用不會引起承重結構的破壞，損傷的非結構構件不會造成對生命和財產的威脅；
    （2）加固后使用，即承重結構發生一定的損傷，部分非結構構件破壞，繼續使用可能將會引起承重結構的損傷加大，或是剩余的非結構構件不穩定，對生命和財產產生威脅；
    （3）停止使用，即承重結構發生嚴重損傷，僅能保持自身結構穩定，不能繼續使用；
    （4）立即拆除，即承重結構發生非常嚴重的損傷，隨時可能發生倒塌。
    另外，也有一些地區要求將建筑物損傷程度分為三個或五個等級的。
    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”四個等級來進行，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行分類統計整理，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
    價值。
    3 各類結構形式的震害
    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，這種結構的造價非常低，在村鎮多采用這種結構作為簡易廠房、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，在地震中容易發生屋面破壞和局部倒塌，見圖1。

    3.2 磚混結構
    地震區村鎮的住宅、教學樓，城市的一些舊的居民樓、辦公樓、小型廠房多采用磚混結構。這類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，在震害調查中也發現基本沒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鍵。

    3.3 框架－砌體混合結構
    這類結構形式有多種，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）。這類結構的體系大多比較混亂，由于經濟原因，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調，平面抗側剛度極不均勻。這類結構的震害主要有：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，主要破壞發生在圍護結構和填充墻，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損失，且震后的修復工作量很大和費用很高。個別因施工質量很差、結構布置過于復雜的框架結構也發生嚴重破壞，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際剛度增大，在實際框架結構震害中，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 為綿陽新益大廈，在地震中僅少數圍護結構產生細微裂縫。
    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有表現出來。

    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，主要發生在維護結構。圖7 為綿陽九洲體育館，其主體結構和支座均無明顯損傷，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，網架結構無明顯損傷，網架結構支座松動嚴重。

    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。除了各類結構本身抗震性能的差別以外，結構體系和施工質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，有時沒有進行設計，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，容易保證質量，結構的抗震性能能夠比較準確的預測和設計。這類結構如發生嚴重震害，大多是由于施工質量問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單，在比較中不再列出。可以發現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；當時經濟水平較低，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]可以發現，自1976 年唐山地震以來，我國加強了對工程結構抗震領域的研究，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越全面，如表3。同時，隨著經濟水平的提高，對建筑抗震設計要求也越來越高，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，正是受當時經濟水平所限。由此可見，抗震水平也是國家經濟水平的反映。





    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相比，震害較輕。主要是由于這兩個城市的經濟水平相對較好，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，除了國家整體經濟水平對抗震設防水準的影響外，地區經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，學校和工廠建筑的震害最嚴重，如表5 和圖16 所示。震區的學校建筑主要以砌體結構為主，加上建筑上的大開間、大門窗洞、外挑走廊，有時甚至無抗震構造措施，導致其抗震性能較差。工廠的廠房也多為砌體結構，規模不大而且多為人員較少的車間，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。其他類型建筑的震害介于這兩類建筑之間。

    5 結論和建議
    通過對汶川地震的建筑震害調查，得到以下經驗和教訓：
    （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，若能保證施工質量，框架結構可以實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異，這與其有較大的抗側剛度有關。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有體現出來，還需要進一步研究。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、并保證施工質量的建筑，基本都保持較好的狀態。但是，本次地震的震害調查也表明，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、經濟投入、概念設計和施工質量方法，還需不斷提高我國的整體抗震防災的水平。
    （5）建筑抗震水平與經濟水平密切相關。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，隨著我國經濟建設的發展，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量、混凝土級配、鋼筋構造措施的實現等，保證工程施工質量。對農村自建住宅政府組織專業技術人員應給予指導，合理設置抗震措施。
    （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一步研究；②填充墻有時可協助主體結構共同抗震，提高整體結構的抗震能力，有時由于填充墻開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的應用；④進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。

    清華大學土木工程結構專家組赴四川抗震救災和進行建筑震害調查的人員：
    宋二祥，錢稼茹，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。
    西南交通大學土木工程結構專家組成員：
    趙世春，劉文日，黃云德，李力，張建經，潘家鼎，黃喜兵，孟鵬暉，李彤梅。
    北京交通大學土木工程結構專家組成員：
    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。李易博士協助震害資料的統計分析。
    致謝：感謝四川省建設廳、綿陽市建設局和綿陽市房管局的支持和配合。
    參考文獻
    [1] TJ11-78, 工業與民用建筑抗震設計規范[S]. 北京:中國建筑工業出版社, 1979.
    [2] GBJ 11-89, 建筑抗震設計規范[S]. 北京:中國建筑工業出版社, 1989.
    [3] GB50011-2001, 建筑抗震設計規范[S]. 北京:中國建筑工業出版社, 2001.
    [4] BJG21-66, 鋼筋混凝土結構設計規范[S]. 北京: 技術標準出版社, 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: 中國建筑工業出版社, 2002.
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