強柱加固理念在都江堰重建中的運用前景

“強柱”加固理念在都江堰重建中的運用前景

一對都江堰震區(qū)的實地考察2008年8月27日筆者在西南設計院同行的陪同下，對都江堰震區(qū)進行了實地考察。從成都驅車約40分鐘到達都江堰，路口收費站一律免費，以80公里時速行駛，全線基本暢通。一進入市區(qū)，巨幅紅底白字標語映入眼簾“患難與共，攜手相連，上海都江堰對口合作重建新家園”。標語牌下200多米長的城區(qū)道路正在修復，除局部出現(xiàn)堵車，市區(qū)交通井然，街景仍然繁榮。但仔細一看臨街房屋，幾乎沒有一幢不出現(xiàn)裂縫的。這些有待加固修復后使用的房屋量大面廣，往往整個結構外觀似乎牢靠，但外墻面不同程度地分布著裂縫。恰如一臉愁云的房屋比比皆是，其中有體量較大的7層“商云大廈”、6層“新華書店”大樓，還有無數(shù)不知名的5～6層的臨街商住樓。也有不少的公共建筑如9～11層的“江堰賓館”、“廣播電視大樓”，由于變形縫寬不足，地震將建筑物的低層緊貼著高層往外擠，豎向墻面沿縫隙整條被壓碎，到處可見。還有明顯倒塌痕跡的是一座約3000平方米、4層的臨街弧形建筑物“天辰會館”，上部大面積構架倒塌尚未加固修復，而樓下的鮮鵝店卻還在營業(yè)。還有一幢九層的高樓，主體結構完好，屋頂?shù)耐怀鼋ㄖ镆褔乐仄茐?，尚未修復，樓下還在銷售個性化郵票。最令人觸目驚心的是都江堰中醫(yī)院、聚緣中學和新建小學，三處公共建筑物整體性坍塌。地震當時就有100多人埋在廢墟中，生命財產(chǎn)損失慘重。而周圍的房屋雖有局部損壞，但并未倒塌。社會輿論也在強烈譴責，這三處建筑工程質量肯定存在嚴重問題。臨街也偶然見到幾幢2～3層的民居嚴重傾斜，甚至倒塌，有的正在拆除中。值得欣慰的是，有一座近年建成的2～4層幼兒園建筑，結構基本完好無損?？拷^察，大面積彩色墻面和所有窗間墻，也看不到裂縫。垂直懸掛的巨幅標語慶幸地告訴我們：“星星藝術幼兒園復課啦！”還有新蓋的都江堰市公安局大樓，高達10層，頂部設置訊號鐵塔，“人民公安”四個大字特別注目，也恰如守護神巍然挺立安然無恙，遠看房屋兩頭，角部填充墻似有開裂。據(jù)權威評估，該房屋主體結構基本完好。同行還特別介紹，這是按2001年抗震規(guī)范設計的且施工正常，因而幸免于難。在都江堰市區(qū)轉了一天似有感悟，臨街商住樓的底層一般都在營業(yè)，人來客往，車水馬龍，似乎已忘昨日震災。但抬頭一看，房屋樓層中的窗戶及陽臺大部分空空如也，無論是住家、辦公或旅館已有不少人去樓空。即使房屋結構基本完好，只要見到樓層出現(xiàn)墻面裂縫，人們在心理上還是難以接受，甚至心有余悸不敢貿然入住。某電廠職工住宅樓有5～6個單元，結構外觀估計沒有大問題，沿街面的窗間墻局部呈現(xiàn)八字微裂縫，可是整幢房屋卻空無一人。據(jù)說正在等待檢測、鑒定與加固。然而，1～2層的娛樂餐飲業(yè)仍然很火爆，有的干脆就冠名“8度以后咖啡酒吧”，壯著膽子招攬顧客。在12層“華峰大廈”近處的一座古塔屬保護文物，正搭著密集的腳手架，準備大規(guī)模維修。路邊發(fā)現(xiàn)有幢單層的臨時建筑，看上去很單薄，但卻寫著“農(nóng)業(yè)銀行”。為了使儲戶相信它的可靠性，旁邊特別豎立一塊醒目標牌“重建家園，農(nóng)行與您在一起”，令人啞然。有個別正在檢測的房屋上方懸掛著臨時廣告，“建筑醫(yī)學骨科加固，免費咨詢電話”。據(jù)成都的設計同行介紹，都江堰市區(qū)房屋，屬輕微到中等損壞的急需加固項目非常普遍。一些著名的設計院加固設計任務相當飽和，經(jīng)常加班加點。上海同濟大學及北京、武漢、廣州等地的權威檢測機構，都早已陸續(xù)介入建筑鑒定。按程序必須對受損房屋進行鑒定，或有權威應急評估成果，才能對受損房屋進行加固或重建。地震發(fā)生后的一兩個月，可能有幾百家甚至上千家大批從事加固的設計與施工企業(yè)涌入四川災區(qū)，不久又如大浪淘沙般地撤走了近80%。其主要原因是這里缺少真正的技術人才、施工力量和設備，不能光憑資質牌子承攬業(yè)務。要做好結構加固和災后重建絕非易事。由都江堰往汶川方向的公路，只能是走一段停一段，行程十分艱辛。坐在車內雖然聽著當?shù)責o線電臺在不斷播報，某某路段已進入最后攻堅階段即將開通，可是，當我們在距離汶川約10公里路段時就只能止步了。同行告訴我們，這里已臨近龍門山脈斷裂帶，當時震災的中心就在周邊。經(jīng)與附近駐扎的廈門援建彭州指揮部聯(lián)系，林指揮長告訴我，廈門雖然已援建了一大批安置房，但大規(guī)模的建設還處在測量及規(guī)劃設計階段，任重道遠，援建任務還非常艱巨。途中偶然見到山腳下的一片民房廢墟。當我們熄火停車，駐足遙望，周圍寂靜無聲，不見人煙。尤其是兩邊是山、中間是溝的山區(qū)民居倒塌更為嚴重。即便單層房屋也逃脫不了厄運，在廢墟上幾乎看不見一幢房屋能夠正立，可以想象地震來時整個鄉(xiāng)村的房屋猶如多米諾骨牌立即傾覆，多少生命瞬間泯滅。一念至此心情徒然沉重。在回都江堰的途中，有人勸說不要去看“寶瓶口”了，車路不通，“泰堰樓”、“二王廟”全都垮了。昔日的灌縣，因馳名中外的千年水利工程而易名都江堰市?！皩毱靠凇本褪沁@項工程的咽喉，兩千多年來，四川號稱天府之國，千里沃野深深受益于此工程。80年代，我曾來過“寶瓶口”，大地震后究竟如何？我在疑惑中隨著小車在山路上爬坡緩行，當行至“二王廟”，眼前所有古建筑全部被臨時設施圍護，偶爾只能見到幾幢建筑屋頂被掀塌。為紀念李冰父子建造的“二王廟”初建于南北朝，歷朝修復，重建于清代，當屬世界文化遺產(chǎn)的重要組成部分。從施工現(xiàn)場可以看出，都江堰古建筑，作為震災后重點保護的歷史文物項目，正在大規(guī)模進行如舊修復甚至重建。1980年，由灌縣人民政府建立、四川省人民政府公布的省重點保護文物“都江堰”石碑，雖然絲毫未損，但在距離石碑只有5～6米的混凝土地面處，卻被狠狠地拉開約有8～10厘米寬的裂口長達10余米。所幸我還能在制高點上，透過茂密的樹枝、樹葉，清晰地看見“寶瓶口”的主體巋然不動，而且附近未見任何加固輔助設施搭建?！捌靠凇倍瞬康乃魅耘f奔騰不息，下游的水域有序分道，靜靜地在流淌。當我們還想開車前行，只見道路前面已有車輛禁行標志。正當無奈之際，據(jù)摩托車工講，水利工程就是沒有震壞，要看仔細還得由他載著我們往下走，因為地震已將下山公路震垮，不是那么容易能修好的！筆者再環(huán)視遠看周邊沿山坡建立的十幾幢連體別墅及其他建筑，有的明顯傾斜，有的甚至瀕臨坍塌。又回首仔細俯瞰堅固的“寶瓶口”，不禁深感震撼。為什么當臨近的公路被震垮，臨近的房屋被震倒，而由李冰父子率領建造的都江堰“寶瓶口”水利工程，已有兩千多年歷史，在同樣經(jīng)歷汶川大地震后卻安然無恙，仍然造福人類？僅僅用“龍門山斷裂帶”、“工程地質差異”、“山體滑坡”、“地震烈度差異”等各種學說，可能還無法解釋清楚。筆者搞了一輩子結構，也常被人們稱為專家，實地考察當時卻不知道是該為祖先自豪，還是為自己汗顏。在由都江堰返回成都的路上，只聞彭州山區(qū)農(nóng)村是重災區(qū)。當途經(jīng)彭州縣城，心情豁然開朗，只見縣城房屋卻是有震無災，顯現(xiàn)出另外一番太平風光。人們生活祥和，縣城街景很美，三四層的臨街建筑，掩映在林蔭道的綠樹叢中，馬路顯得格外寬敞。午餐時，店主告之，大地震來時有明顯震感，過后又余震不斷，半條命都嚇掉了！但縣城的房屋幾乎沒有倒塌。我們也巡視了周邊的房屋，幾乎沒有見到房屋裂縫。尤其是位于縣城中心的福壽禪寺廟，四個角點為5層古塔，圍合中間一座11層古塔，頗為壯觀。居然也見不到震災裂縫。寺廟香火很旺，朝拜人群不絕。在離開彭州縣城的收費站關口，又見到當?shù)攸h政部門落款的兩幅巨型橫幅，茲錄于下：左側是“崇廉尚潔共渡難關，風清氣正陽光重建”，右側是：“走進矛盾破解難題，攻堅克難只爭朝夕”。既是昭示也是警示。二朱伯龍“強柱”學說的運用價值都江堰二日行雖為走馬觀花，也頗得感悟。結合震災研討班權威專家們的講座，及國家現(xiàn)行《建筑抗震設計規(guī)范》和建設部七月份頒發(fā)的《地震災后建筑鑒定與加固技術指南》，筆者想換一個角度，講幾句不離開科學的明白話，以饗更廣泛的非結構專業(yè)人士。都江堰城區(qū)震災后的受損房屋，在確保生命財產(chǎn)安全的前提下，大致可分為三類：第一類，屬在修復中可以同時使用。即房屋的承重結構基本保持完好，只有局部損壞，邊修復邊繼續(xù)使用所占比例較大。第二類，屬先加固后使用。即承重結構發(fā)生一定的損傷，或非結構構件已經(jīng)破壞，必須先加固后使用，這類也占有相當比例。第三類，結構基本完好無損?；蛘邞Ｖ故褂?；或者立即拆除的房屋，畢竟還是少數(shù)。據(jù)資料反映，都江堰城區(qū)實際遭受的地震烈度約為8度，還遠低于震中區(qū)映秀鎮(zhèn)的11度上下。宏觀上看，地震震級大、烈度高是這次地震中城市建筑遭破壞的主要原因，但對每幢建筑破壞原因的科學分析，還需要結構設計圖資料，施工竣工驗收資料以及地震動記錄。但有一點非常明顯，未按抗震設防的舊房屋倒塌破壞嚴重，只要按國家規(guī)范和標準正常設計、正常施工和正常使用的房屋都具有很好的抗震能力。都江堰城區(qū)受損房屋需要修復加固，而加固理念尤重于加固方法。歷次大地震總會發(fā)現(xiàn)一些新問題，得出一些新的概念，從而提出新的設計方法，并為修訂國家規(guī)范提供新的內容。至于如何不斷充實抗震概念設計，如何善于更新加固理念，又使筆者想起同濟大學朱伯龍教授，他真不失為我國著名的抗震結構工程專家！他雖在汶川地震前的一個月病故，但他在抗震防災結構工程及由他創(chuàng)立的房屋加固改造學方面的成就和加固理念，仍然是當前汶川震災后加固值得借鑒的寶貴財富。他是我國建筑結構災害學創(chuàng)始人。20世紀90年代，其《建筑結構災害檢測與加固》論著，不僅被許多知名大學列為主要專業(yè)教材，他在抗震防災結構工程方面已培養(yǎng)碩士研究生、博士研究生、博士后累計超過100人，他曾領導的科學技術團隊所從事的“全國農(nóng)業(yè)展覽館”等重大工程的抗震鑒定與加固項目，由于概念明確、程序嚴謹、數(shù)據(jù)精確、方法得當、成效顯著而早已被列入教科書，成為著名的科學加固典范。大災過后，重溫他生前對混凝土柱加固的試驗研究論述（包括柱側增加混凝土截面、柱用繞絲法加固混凝土截面、用置換法加固柱混凝土截面），更使我感到朱伯龍教授在任何結構工程中，他總是突出“強柱”理念。何謂“強柱”理念？“強柱”是針對柱及關鍵性承載結構部位，應有合理的強度和延性設計，同時還要有合理的構造措施，保證與柱相鄰的構件（包括梁板及非結構構件）在地震來臨時，不會對柱產(chǎn)生致命的破壞。任何結構體系在地震荷載作用下，都要由水平方向沿豎向路徑傳力，目前使用最普遍的鋼筋混凝土框架結構中的梁板，在水平力作用下，已在結構計算中被假定為樓面剛度無限大。磚混結構中的圈梁，也是為了加強水平剛度，但最終還是靠柱、靠豎向墻體傳力?！皬娭辈⒎菬o限加強柱，在靜力設計中，任何結構部位超強設計，都不會影響到結構安全，但在抗震設計中，某一部分超強結構設計，可能會吸收更多的地震力，也可能影響結構其他相對薄弱部位而危及結構安全?！皬娭辈皇浅瑥娫O計，仍然是相對“弱梁”而言，“強柱弱梁”是抗震概念設計的重要組成部分。而“強柱”理念，就是將包含廣泛內容的抗震概念進行升華，從而突出主要矛盾，解決主要矛盾?！皬娭崩砟?，通俗地講就是房屋與建筑物“大震不倒”的核心。1976年，唐山大地震后的幾天，朱伯龍教授身先士卒率先來到重災區(qū)調研及評估，通過科學推理，提出了砌體結構與鋼筋混凝土結構的地震破壞機理及快速修復措施。其中在磚混結構中的整體連接部位，增加鋼筋混凝土構造柱，并強調在底層結構關鍵部位，適當采用箍筋加強柱，適當采用足夠的斷面加強柱，適當采用提高混凝土標號加強柱，尤其是底層柱。2008年8月出版的國內結構工程權威刊物《建筑結構學報》的抗震?？?，還引述了朱伯龍教授1998年關于框架柱軸壓比的試驗研究文獻，論文核心是柱的“軸壓比”，何謂“軸壓比”？柱承受的垂直壓力和柱承載能力的比值，是在不同的條件下，各種最低限度的允許安全參數(shù)。國家新的建筑抗震設計規(guī)范嚴格限制框架柱的軸壓比，主要是為了保證框架結構在抗震時具有足夠的延性耗散地震力，延緩或阻止房屋倒塌。簡言之，仍然是“強柱”理念。20世紀80年代，朱伯龍教授主持了包括上海東方明珠電視塔在內的大量新型超限結構的地震模擬抗震動臺試驗研究，為同濟大學土木工程防災國家重點實驗室的建立與發(fā)展奠定了基礎。朱伯龍教授生前（1997年）曾自信地對我講過，上海東方明珠電視塔經(jīng)同濟大學地震模擬震動臺實驗表明，這個塔如果放在當年唐山地震的震中位置也不會倒。何謂“震中”？一次地震只有一個震級，而地震烈度則是因位置而異。地震震級僅僅是這次地震釋放多少能量的指標。而地震烈度是地震對地面影響的強烈程度。1966年邢臺地震，設防7度，震中已達10度；1975年海城地震，設防6度，震中已達9～11度；1976年唐山地震，設防6度，震中已達11度；2008年汶川地震，設防7度，震級為8.0級，震中地震烈度已達11度，甚至極少位置達到12度。朱伯龍教授能大膽預言高塔不倒，其主要原因就是塔身堅固，柱堅固。恰恰相反，臺灣1999年“9·21”大地震中的最典型案例，就是因為“強柱”出了大問題。許多底層帶店面的小高層商住樓，由于底層柱子不強，在地震水平力作用下，首先出現(xiàn)底部坍塌，而上部結構有如馬失前蹄，整幢房屋嚴重傾斜雖未倒塌，也無法加固，只能拆除重建。1968年日本十勝沖地震，許多2～4層鋼筋混凝土結構遭破壞就是由于短柱導致。1971年美國圣弗南多地震，因1～2層柱薄弱，導致樓層剛度突變，大量結構破壞嚴重。1975年日本大分地震，長短柱合用框架破壞嚴重，也是由于柱的主要原因，導致災難。1976年我國唐山地震，其中由磚砌填充墻形成的短柱，也普遍遭受嚴重破壞。1979年美國加州地震，由于底層柱的嵌固問題，柱的首層被埋入地面，遭受嚴重破壞。1985年墨西哥地震，其中柱截面過?。ㄐ纬伞半u腳”）且超量配筋，造成大量框架結構倒塌。1995年日本阪神地震，再次證明：底層柱及底部薄弱，會導致大面積建筑物及高架橋嚴重坍塌。據(jù)有關研討班講習資料反映：這次汶川大地震倒塌房屋700萬余間，其中農(nóng)房占80%以上；而農(nóng)房90%以上倒塌。其多方面的深層次原因姑且不論，僅從結構專業(yè)技術層面分析，有地基基礎問題、墻體薄弱問題、材料性能問題、預制板連接構造問題、配筋不足問題、圈梁拉結問題、結構體型問題、抗震體系問題，等等，但倒塌結構最突出的問題還是墻和柱。從各類結構形式的災害統(tǒng)計：①村鎮(zhèn)大量單層砌體——木屋架、簡易廠房、倉庫和二三層或五六層磚混結構的住宅教學樓、辦公樓震害嚴重，抗震體系尤其薄弱。由于墻倒、柱倒而引起的整體坍塌非常普遍。②以多層框架結構為主體的房屋，震害相對較輕，也較為普遍。其主要原因是一般均按不同時期的國家建筑抗震規(guī)范設計，都不同程度具有多道抗震防線。除施工質量低劣、結構布置嚴重不規(guī)則的框架以外，只要框架柱倒不了，房屋就不會倒塌。③在實際框架結構震害中，“強柱”或全面理解為“強柱弱梁”型的房屋破壞工程實例極少。而有的樓中樓或樓梯間，由于錯層結構造成短柱破壞和異形柱端破壞的還不乏其例?？蚣芙Y構幾乎所有破壞形態(tài)其癥結都取決于框架柱。三“強柱”加固：資源節(jié)約型的重建選擇無數(shù)工程實例都從正反兩方面證明了，“強柱”理念是抗震設防和結構加固的第一要務。由于地震的不確定性以及人類對其認知的遠遠不足，美國應用技術局（ATC）有專家學者甚至認為，至今抗震設計尚不能稱為一門科學，有很多問題要靠工程判斷。這也不無道理。而工程判斷能力主要來自對歷次震災的分析經(jīng)驗和試驗研究成果，這種判斷也可稱為概念設計，它不僅是抗震設計的重要組成部分，甚至比使用精確的結構設計計算軟件更為重要?？拐鸶拍钤O計和三水準設防（大震不倒，中震可修，小震不壞）與“強柱”理念從某種意義