基于汶川地震房屋結(jié)構(gòu)抗震研究

王 常 旭

(黑龍江科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

“5·12”汶川特大地震造成大量的人員傷亡，經(jīng)濟(jì)損失慘重。災(zāi)害發(fā)生后，房屋質(zhì)量受到社會(huì)各界廣泛關(guān)注。在同一震級(jí)、同一場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)，為什么有些房屋粉碎性破壞倒塌，而有些房屋沒有倒塌，甚至只是局部損壞而結(jié)構(gòu)完整無損呢？這值得我們思考與研究。我科研立項(xiàng)小組搜集大量有關(guān)汶川地震的資料并利用專業(yè)的建筑地震情況評(píng)估系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行分析和整理，找出房屋受地震破壞的主要因素，初步給出了解決辦法和預(yù)防措施。

我們研究的房屋結(jié)構(gòu)主要有多層磚房、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、底層框架結(jié)構(gòu)、單層鋼筋混凝土柱廠房、單層磚柱廠房、單層空曠廠屋等結(jié)構(gòu)。

本小組使用的軟件是四川省建筑科學(xué)研究院研發(fā)的建筑地震破壞情況評(píng)估系統(tǒng)。本系統(tǒng)可靠度高，是本研究的有力保障。

1 多層磚房結(jié)構(gòu)抗震研究

據(jù)查詢得知，本次地震損壞最為嚴(yán)重的就是多層磚房，房屋承重墻體大面積倒塌，部分墻體嚴(yán)重開裂，屋蓋塌落，非承重墻體成片倒塌，房屋殘留部分不足50%。

1.1 房屋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要研究對(duì)象

多層磚房的承重墻體由實(shí)心黏土磚和混合砂漿砌筑而成,樓板和屋面板多采用現(xiàn)澆或預(yù)制鋼筋混凝土板。多層磚房應(yīng)著重檢查承重墻體和屋蓋，并檢查非承重墻體和附屬構(gòu)件。

1.2 房屋損壞壞程度鑒定標(biāo)準(zhǔn)

(1)基本完好。承重墻體完好，有個(gè)別輕微裂縫；屋蓋完好；附屬構(gòu)件有不同程度破壞。

(2)輕微損壞。部分承重墻體輕微裂縫；屋蓋完好或輕微損壞；出屋面小建筑、樓梯間明顯裂縫；個(gè)別非承重構(gòu)件明顯破壞；個(gè)別屋蓋構(gòu)件塌落；個(gè)別非承重構(gòu)件嚴(yán)重開裂或局部酥脆。

(3)嚴(yán)重破壞。多數(shù)載重墻體有明顯裂縫，部分墻體嚴(yán)重開裂，局部酥脆或倒塌；部分樓、屋蓋塌落；非承重墻體成片倒塌。

(4)倒塌。房屋殘留部分不足50%。

1.3 建筑物遭地震破壞情況評(píng)估報(bào)告

(1)建筑物結(jié)構(gòu)：多層磚房。

(2)損壞情況：

承重墻體:多數(shù)承重墻體明顯裂縫。

屋蓋:部分樓蓋、屋蓋塌落。

非承重墻:非承重墻體成片倒塌。

出屋面小建筑、樓梯間墻體:明顯裂縫。

附屬構(gòu)件:附屬構(gòu)件開裂或倒塌。

倒塌程度:房屋殘留部分不足50%。

(3)等級(jí)評(píng)估：倒塌。

根據(jù)分析應(yīng)該拆除。

1.4 解決多層磚房結(jié)構(gòu)抗震的方法

多層磚房結(jié)構(gòu)(磚混結(jié)構(gòu))主要用于居住、辦公、學(xué)校、醫(yī)院等民用或公用建筑。在我國(guó)這類房屋修建數(shù)量最多，分布最廣,約占到80%,尤其在民用住宅建筑中更占到90%以上。按我國(guó)的實(shí)際經(jīng)濟(jì)狀況,除為保護(hù)土地資源而限制使用黏土磚的個(gè)別地區(qū)外，多層磚房結(jié)構(gòu)仍將被長(zhǎng)期廣泛應(yīng)用,仍將是民用住宅建筑的主要結(jié)構(gòu)類型。這種結(jié)構(gòu)抗塑性變形能力差,抗震能力不足,遇到強(qiáng)震時(shí)破壞嚴(yán)重，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此在多層磚房的設(shè)計(jì)施工中,必須嚴(yán)格按照國(guó)家抗震規(guī)范的要求,采取各種防范措施,盡量減輕地震災(zāi)害,減少損失。

磚結(jié)構(gòu)房屋易發(fā)生脆性的剪切破壞，從而導(dǎo)致房屋的破壞和倒塌，所以在設(shè)計(jì)和建造當(dāng)中，不應(yīng)設(shè)計(jì)大開間、大門洞等，否則抗震強(qiáng)度必將下降。

2 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震研究

“5·12”汶川地震后,同濟(jì)大學(xué)6位教授赴四川廣元市青川縣進(jìn)行房屋應(yīng)急評(píng)估,在評(píng)估中發(fā)現(xiàn),鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在此次地震中抗震性能表現(xiàn)良好。填充墻是破壞嚴(yán)重的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件?？蚣芙Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生震害的原因多種多樣,如實(shí)際地震影響烈度大大超過設(shè)計(jì)設(shè)防烈度、建筑的施工質(zhì)量問題、設(shè)計(jì)不合理等等。

2.1 主要研究對(duì)象

對(duì)于鋼筋混凝土框架房屋應(yīng)著重檢查框架柱，并檢查框架梁和墻體(填充墻)。

2.2 房屋損壞程度鑒定標(biāo)準(zhǔn)

(1)基本完好：框架柱、梁完好；個(gè)別墻體與柱連接處開裂。

(2)輕微損壞：個(gè)別框架柱、梁輕微開裂縫；部分墻體明顯開裂；出屋面小建筑明顯破壞。

(3)中等破壞：部分框架柱有輕微裂縫或個(gè)別柱明顯開裂；個(gè)別墻體嚴(yán)重開裂或局部酥脆。

(4)嚴(yán)重破壞：部分框架柱、立柱筋壓屈，混凝土酥脆，崩落，部分樓層倒塌。

(5)倒塌：房屋框架殘留部分不足50%。

2.3 建筑物遭地震破壞情況評(píng)估報(bào)告

(1)建筑物結(jié)構(gòu)：鋼筋混凝土框架房屋。

(2)損壞情況：

框架柱、梁:部分框架柱輕微裂縫或個(gè)別柱明顯裂縫。

填充墻:部分墻體明顯裂縫。

出屋面小建筑:出屋面小建筑明顯破壞。

(3)等級(jí)評(píng)估：中等破壞。

應(yīng)進(jìn)行安全性鑒定和抗震鑒定。根據(jù)鑒定結(jié)果進(jìn)行加固后使用。

2.4 解決框架結(jié)構(gòu)抗震的方法

解決框架結(jié)構(gòu)抗倒塌的方法是加強(qiáng)柱的抗震設(shè)計(jì)、適當(dāng)布置抗震墻、采用隔震或消能減震技術(shù)。樓梯設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮地震狀態(tài)下樓梯受力情況,采用剛性連接時(shí),要求計(jì)算出樓梯地震效應(yīng),并進(jìn)行配筋;樓梯一端與結(jié)構(gòu)采用滑動(dòng)連接時(shí),可消除樓梯地震作用下的內(nèi)力,設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮地震影響;加強(qiáng)結(jié)構(gòu)填充墻抗震性能,確保罕遇地震下不致倒塌傷人。

在設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)房屋當(dāng)中要注意合理布局，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布置不合理是導(dǎo)致其倒塌的主要原因。要盡量對(duì)稱布局，避免應(yīng)力集中所導(dǎo)致的震害。

3 底層框架結(jié)構(gòu)抗震研究

3.1 房屋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要研究對(duì)象

底層框架磚房是一種混合結(jié)構(gòu)形式,底部一層全部或部分采用鋼筋混凝土框架承重,上部多層采用磚墻承重,在我國(guó)城鎮(zhèn)地區(qū)應(yīng)用非常廣泛。汶川地震中不同烈度地區(qū)均有大量該類建筑嚴(yán)重破壞甚至倒塌,也有部分位于極震區(qū)的底框磚房表現(xiàn)出很好的抗震性能。對(duì)于鋼筋混凝土框架房屋應(yīng)著重檢查框架柱，并檢查框架梁和墻體(填充墻)。

3.2 建筑物遭地震破壞情況評(píng)估報(bào)告

(1)建筑物結(jié)構(gòu)：底層框架磚房屋。

(2)損壞情況：

承重墻：多數(shù)承重墻體明顯裂縫，部分嚴(yán)重裂縫，局部酥碎或倒塌。

非承重墻：部分非承重墻體明顯裂縫。

底層框架柱、梁：局部酥碎或倒塌。

(3)等級(jí)評(píng)估：嚴(yán)重破壞。

我們首先應(yīng)采取排險(xiǎn)措施，然后進(jìn)行安全性鑒定和抗震鑒定，并進(jìn)行適修性評(píng)估。根據(jù)鑒定和評(píng)估結(jié)果，可采用大修后繼續(xù)使用、局部拆除或整體拆除重建等措施。

底層框架的設(shè)計(jì)建造要求很高，成本也較高，一般不建議使用此種結(jié)構(gòu)建造。最重要的是它的整體抗震能力較差，如果需要，就必須嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)計(jì)抗震結(jié)構(gòu)。

4 單層混凝土廠房抗震研究

4.1 主要研究對(duì)象

單層混凝土廠房，震害較普遍。對(duì)于鋼筋混凝土框架房屋應(yīng)著重檢查屋架支撐系統(tǒng)，并檢查山墻墻體。

4.2 建筑物遭地震破壞情況評(píng)估報(bào)告

(1)建筑物結(jié)構(gòu)：?jiǎn)螌踊炷翉S房。

(2)損壞情況：

屋架支撐系統(tǒng)：屋架支撐系統(tǒng)、柱間支撐系統(tǒng)不完整，有較重的震害。

山墻墻體：山墻墻體的破壞使端排架因扭轉(zhuǎn)效應(yīng)而開裂折斷，破壞更重。

(3)等級(jí)評(píng)估：嚴(yán)重破壞。

我們應(yīng)該首先采取排險(xiǎn)措施，然后進(jìn)行安全鑒定和抗震鑒定，并進(jìn)行試修性評(píng)估。根據(jù)鑒定和評(píng)估結(jié)果，可采用大修后繼續(xù)使用、局部拆除或整體拆除等措施。

我們認(rèn)為在單層框架廠房的設(shè)計(jì)建造中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1)注意鋼筋混凝土天窗架的形式和整體性。(2)注意小構(gòu)件連接的可靠性。(3)牛腿柱變形受約束的構(gòu)造。(4)避免各構(gòu)件剛度不協(xié)調(diào)的影響。

5 單層磚柱廠房抗震研究

5.1 房屋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要研究對(duì)象

單層磚柱廠房，地震震害及其特點(diǎn)表明：6、7度區(qū)單層磚柱廠房破壞較輕，少數(shù)磚柱出現(xiàn)彎曲水平裂縫；8度區(qū)出現(xiàn)倒塌或局部倒塌，主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞；9度區(qū)廠房出現(xiàn)較為嚴(yán)重的破壞，倒塌率較大。汶川地震為后兩者。從震害特點(diǎn)看,磚柱是廠房的薄弱環(huán)節(jié)，磚柱的破壞是廠房倒塌的主要原因。地震時(shí)廠房破壞程度與屋蓋類型有關(guān)，一般來說重型屋蓋廠房震害重，輕型屋蓋廠房震害輕，在高烈度區(qū)影響更為明顯。應(yīng)著重檢查屋架支撐系統(tǒng)，并檢查山墻墻體及屋蓋結(jié)構(gòu)。

5.2 建筑物遭地震破壞情況評(píng)估報(bào)告

(1)建筑物結(jié)構(gòu)：?jiǎn)螌哟u柱廠房。

(2)損壞情況：

屋架支撐系統(tǒng)：柱和墻明顯裂縫、山墻尖局部塌落。

山墻墻體：山墻外傾、檁條拔出，嚴(yán)重時(shí)山墻倒塌，端開間屋蓋塌落。

屋蓋構(gòu)件：各別屋面構(gòu)件塌落。

(3)等級(jí)評(píng)估：中等破壞。

應(yīng)該進(jìn)行安全鑒定和處理鑒定。根據(jù)鑒定結(jié)果進(jìn)行加固使用。

應(yīng)設(shè)置防震縫把整體廠房劃分成多個(gè)抗震單元，避免地震產(chǎn)生破壞。應(yīng)使用輕型屋蓋。在柱與柱之間建造連接磚墻，以提高廠房縱向抗震能力。我們?nèi)匀唤ㄗh盡量不要使開間過大。

6 單層空曠廠房抗震研究

6.1 主要研究對(duì)象

單層空曠廠房應(yīng)主要檢查框架柱、梁，并檢查屋蓋構(gòu)件。

6.2 建筑物遭地震破壞情況評(píng)估報(bào)告

(1)建筑物結(jié)構(gòu)：?jiǎn)螌涌諘鐝S房。

(2)損壞情況：

框架柱、梁：個(gè)別柱、墻輕微裂縫。

屋蓋構(gòu)件:個(gè)別屋面與柱連接處位移。

(3)等級(jí)評(píng)估：輕微損壞。

我們的建議是不需修理或稍加修理，可繼續(xù)使用或?qū)植繕?gòu)件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，觀察使用。

單層空曠廠房在設(shè)計(jì)建造中應(yīng)遵循以上磚柱廠房所提到的注意事項(xiàng)。

7 結(jié)論

7.1 汶川地震各種房屋結(jié)構(gòu)損壞情況

汶川地區(qū)房屋結(jié)構(gòu)大都為磚混結(jié)構(gòu)和框架磚混結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)抗震能力差。在震區(qū)上世紀(jì)90年代以前建造的多為磚混結(jié)構(gòu)，當(dāng)時(shí)的抗震規(guī)范沒有在圈梁和構(gòu)造柱的設(shè)置上提出更多要求。這些建筑在重災(zāi)區(qū)普遍遭受到嚴(yán)重的破壞甚至是整體倒塌。也正是因?yàn)榇祟惙课荼姸嗖艑?dǎo)致大量房屋倒塌，傷亡人數(shù)眾多。另外當(dāng)?shù)睾芏嗫蚣芙Y(jié)構(gòu)房屋也有一定程度的破壞。研究發(fā)現(xiàn)此次地震中，部分房屋的一些框架結(jié)構(gòu)的破壞體現(xiàn)為框架柱先于框架梁受到破壞。這是我們始料未及的，值得我們思考和研究。

農(nóng)村自建房在重災(zāi)區(qū)受災(zāi)情況十分嚴(yán)重，由于缺乏相應(yīng)的建造技術(shù)，一般情況下也沒有進(jìn)行專門的抗震設(shè)計(jì)，因此震害十分嚴(yán)重，倒塌普遍。

木結(jié)構(gòu)房屋和輕鋼結(jié)構(gòu)房屋在此次地震中損壞較輕。厚重的屋蓋通過穿斗或斗拱的連接方式與內(nèi)柱、檐柱體系連成一體，保證了木結(jié)構(gòu)房屋的整體性，不易倒塌。

7.2 房屋結(jié)構(gòu)遭受地震破壞的因素

(1)墻體材料。不同的墻體材料，房屋震害差異較大。由鋼筋混凝土構(gòu)筑的剪力墻結(jié)構(gòu)房屋，普遍震害較輕，較好地發(fā)揮了抗震作用?？招钠鰤K墻震害大于實(shí)心砌體墻；無筋墻體震害大于有筋墻體。

(2)地質(zhì)構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造差異對(duì)房屋震害影響明顯。處于斷裂帶區(qū)域內(nèi)的房屋建筑，比處于水平巖層構(gòu)造區(qū)域內(nèi)的受損情況更為嚴(yán)重。

(3)場(chǎng)地條件。場(chǎng)地條件差異對(duì)房屋震害影響明顯。在比較密實(shí)、穩(wěn)定的土層場(chǎng)地，地震破壞程度較輕；在土層比較松散的地區(qū)、河流沖積層的場(chǎng)地，地震破壞程度嚴(yán)重。

(4)自然因素。這次特大地震引發(fā)了大量山體滑坡、泥石流、堰塞湖、地基液化等地質(zhì)災(zāi)害，加劇了山區(qū)部分房屋的震害。所以山區(qū)建房應(yīng)適當(dāng)選址。但地震是一個(gè)非常復(fù)雜的變化過程，我們只有盡可能多地發(fā)現(xiàn)問題所在，制定出相應(yīng)的規(guī)范，并嚴(yán)格遵守，才能將災(zāi)害損失隨之降到最低，很多問題有待于進(jìn)一步研究。

實(shí)際上，不論是什么結(jié)構(gòu)在遭遇像汶川那樣的地震時(shí)都會(huì)受到不同程度的損害，關(guān)鍵是怎樣將損失降到最小。目前,世界多數(shù)國(guó)家對(duì)建筑物抗震設(shè)防的目標(biāo)是:在多發(fā)的小地震時(shí),要求結(jié)構(gòu)不致破壞,經(jīng)小修可繼續(xù)使用,在罕遇的大地震時(shí),允許結(jié)構(gòu)有一定程度的破壞,但不允許倒塌。我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)提出了“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)防原則,將砌體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)總體上分兩部分：一是截面抗震承載力驗(yàn)算,對(duì)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行彈性強(qiáng)度校核,主要是砌體截面的抗剪能力驗(yàn)算。二是采取抗震構(gòu)造措施,目的在于保證結(jié)構(gòu)的合理布置、必要的連接和整體性,尤其重要的是保證多層磚房在強(qiáng)震破壞時(shí)不致倒塌。震害分析表明,合理的抗震布置和構(gòu)造措施對(duì)提高多層磚房結(jié)構(gòu)抗震能力效果明顯,在某種程度上,抗震設(shè)計(jì)中概念設(shè)計(jì)比強(qiáng)度計(jì)算更重要。此外，建設(shè)場(chǎng)地的選擇，房屋高度的限制，房屋高寬比的限制，結(jié)構(gòu)選型和布置，施工的質(zhì)量也是影響房屋抗震能力的關(guān)鍵因素。這些都應(yīng)是我們高度重視的地方，國(guó)家有關(guān)部門也應(yīng)該制定相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。

現(xiàn)在，讓我們做個(gè)大膽的假設(shè)，如果我們所在哈爾濱地區(qū)發(fā)生此類地震，情況會(huì)怎樣?眾所周知以哈爾濱為代表的東北地區(qū)常年溫差很大，人們對(duì)房屋的各項(xiàng)要求較高，房屋的建筑成本也較高。哈市的居民大多居住在高層或多層建筑中，房屋結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)在遇到地震時(shí)是較為穩(wěn)定的。其中剪力墻結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土構(gòu)筑，抗震性能良好。但這里少數(shù)的磚混結(jié)構(gòu)和自建房還應(yīng)該注意，這種房屋不穩(wěn)定，一旦遇到強(qiáng)震，將會(huì)徹底垮掉。所以盡量不選用以上兩種房屋結(jié)構(gòu)為好。另外東北地區(qū)地勢(shì)平坦，發(fā)生地震時(shí)不會(huì)發(fā)生泥石流等次生災(zāi)害。現(xiàn)在哈爾濱的建筑大都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)整體性好，具有良好的耐久性和穩(wěn)定性。

注：

1. 指導(dǎo)教師科研項(xiàng)目《中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資助項(xiàng)目》，來源：中國(guó)地震局(編號(hào)：2007A02)。指導(dǎo)教師：杜文學(xué)(博士)?？蒲行〗M成員：陳顯賀、葛澎、王佳龍、任澤。

2. 所使用軟件：建筑震害破壞情況評(píng)估系統(tǒng)。研發(fā)單位：四川省建筑科學(xué)研究院。

[1]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011-2001)[Z].

[2]薛志成.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2010.

[3]地震及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)匯編[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[4]2006城鎮(zhèn)房屋建筑工程抗震防災(zāi)規(guī)范化與設(shè)防管理全書[M].北京：企業(yè)管理出版社，2006.

[5]郭繼武，倪吉昌.房屋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1994.