四川地震中的建筑震害調(diào)查與分析

四川地震中的建筑震害調(diào)查與分析

0結(jié)構(gòu)震害基本情況2008年5月12日14:28，四川彭川區(qū)發(fā)生了一次8.0級地震。中心位于彭川區(qū)映秀市（東經(jīng)103.4，北緯31.0），震源深度為14m。汶川地震是我國自建國以來最為強烈的一次地震,直接嚴(yán)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24日,地震已造成69185人遇難,18467人失蹤,374170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3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,并提出了相關(guān)建議。1發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷根據(jù)四川當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門要求,地震區(qū)房屋建筑按震后建筑結(jié)構(gòu)的破壞程度被分為4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(yán)重?fù)p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(yán)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3個或5個等級。盡管以上震后建筑結(jié)構(gòu)破壞程度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)與建設(shè)部1990頒布的《建筑地震破壞等級劃分標(biāo)準(zhǔn)》(建抗字第377號)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”4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,為研究震害成因和今后制定抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)提供參考。2各種結(jié)構(gòu)形式的地震2.1簡易監(jiān)獄、倉庫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。2.2砌體結(jié)構(gòu)震害地震區(qū)村鎮(zhèn)的住宅、教學(xué)樓,城市的一些舊的居民樓、辦公樓、小型廠房等多采用磚混結(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(yán)重,倒塌的結(jié)構(gòu)具有以下典型特點:結(jié)構(gòu)抗震體系單薄,未設(shè)置構(gòu)造柱,也有的未設(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。若合理設(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。2.3混合體系的抗側(cè)力墻結(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)的震害現(xiàn)象主要為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。2.4震后修復(fù)工程本次地震中,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11)。這類破壞仍然會造成嚴(yán)重的生命和財產(chǎn)損失,且震后的修復(fù)工作量很大,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(yán)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、增大上部結(jié)構(gòu)的剛度等,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4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。2.5非結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷輕本次地震中,框架-剪力墻(核心筒)結(jié)構(gòu),由于具有較大的抗側(cè)剛度和承載力,顯示出了優(yōu)越的抗震性能,尤其是與同一地區(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(xì)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。2.6圍護結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的破壞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,主要破壞發(fā)生在圍護結(jié)構(gòu)。圖6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7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(yán)重。2.7其他振動其他震害情況還有伸縮縫處碰撞(圖8)、鞭稍效應(yīng)造成頂部突出物結(jié)構(gòu)破壞(圖9)、裝飾構(gòu)件破壞(圖10)、圓形填充墻破壞(圖11)等。3地震破壞統(tǒng)計數(shù)據(jù)3.1結(jié)構(gòu)體系的作用各類結(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12。從破壞程度嚴(yán)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,有的沒有進行設(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(zhǔn)確的預(yù)測和設(shè)計。這類結(jié)構(gòu)如發(fā)生嚴(yán)重震害,大多是由于施工質(zhì)量問題或嚴(yán)重結(jié)構(gòu)不規(guī)則造成的。3.2結(jié)構(gòu)體系的安全儲備水平是受經(jīng)濟水平所限建造年代對結(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13所示的震害情況統(tǒng)計。可以發(fā)現(xiàn)1978年以前的建筑結(jié)構(gòu)破壞的情況最嚴(yán)重,其原因主要是:使用年限較長;當(dāng)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、GBJ11—89、GB50011—2001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,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(dāng)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。3.3震害與震害強度根據(jù)本文作者所調(diào)查的本次地震區(qū)估計烈度,各地區(qū)建筑震害情況統(tǒng)計見表5和圖14。從破壞情況較為嚴(yán)重的兩類建筑(“停止使用”和“立即拆除”)來看,基本符合地震烈度越大,破壞越嚴(yán)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,即使實際地震烈度大于設(shè)防烈度,損失也并不是很嚴(yán)重;而其他地區(qū),如平武、江油、梓潼,建筑以砌體結(jié)構(gòu)為主,震害較為嚴(yán)重。因此可見,除了國家整體經(jīng)濟水平對抗震設(shè)防水準(zhǔn)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。3.4砌體結(jié)構(gòu)為主從建筑使用用途上來看,學(xué)校和工業(yè)建筑的震害最嚴(yán)重,如表6和圖15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。鄉(xiāng)鎮(zhèn)的工業(yè)廠房多為砌體結(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(yán)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。4震害調(diào)查結(jié)果與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(yán)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)和擱置長度和增加現(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(yán)重破壞,尤其是單跨、大開間、外挑走廊、縱墻承重的教學(xué)樓。(2)在這次地震中,框架結(jié)構(gòu)的抗震性能總體表現(xiàn)基本良好,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(biāo)。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)、填充墻的破壞非常嚴(yán)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完全體現(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(yán)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,特別是在結(jié)構(gòu)概念設(shè)計、管理制度、經(jīng)濟投入和施工質(zhì)量控制等方面,還需不斷完善和改進,提高我國的整體抗震防災(zāi)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,城市震害程度低于鄉(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)優(yōu)先選擇更有利于抗震的結(jié)構(gòu)形式,保證可靠的抗震措施。(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(yán)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(yán)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)村自建住宅政府應(yīng)組織專業(yè)技術(shù)人員給予指導(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易造成主體結(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(yán)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對框架柱軸壓比限值的規(guī)定進行研究,保證框架柱的抗震承