汶川地震建筑震害特征分析及設計建議

張穎博

0 引言

2008年 5月12日14時28分，在四川省汶川縣發(fā)生了 8.0級特大地震，震中位置為北緯31.0°，東經(jīng)103.4°，震源深度14 km。此次地震波及范圍很廣，全國大部分地區(qū)都有震感，甚至越南、泰國也有震感。地震災區(qū)涉及四川、甘肅、陜西、重慶、云南、寧夏 6個省(自治區(qū)、直轄市)。

1 地震構造背景

此次汶川地震發(fā)生在龍門山逆沖推覆構造帶上，該構造帶整體斷面西傾，傾角不一，由茂縣—汶川斷裂、映秀—北川斷裂、彭縣—灌縣斷裂和龍門山山前隱伏斷裂 4條主干斷裂組成。晚新生代以來，青藏高原的迅速崛起導致東緣地區(qū)地殼物質(zhì)沿大型弧形斷裂系發(fā)生大規(guī)模的向東方向逃逸，龍門山構造帶作為川青滑移塊體的南東邊界仍然顯示強烈的推覆逆掩作用。由于區(qū)域構造應力場從印支期的由北向南擠壓轉變?yōu)橥硇律鷰б詠淼谋蔽鳌蠔|向擠壓，龍門山構造帶還顯示出明顯的右旋滑動。

龍門山構造帶晚新生代以來的構造變形形式不僅對其前緣的晚新生代地層的沉積，而且對成都前陸盆地的構造變形均具有重要的控制作用。此次 8.0級強震主要發(fā)生在映秀—北川斷裂之上，是龍門山逆沖推覆體向東南方向推擠并伴隨順時針剪切共同作用的結果。

2 建筑震害特點分析

2.1 磚混結構的震害

磚混結構是災區(qū)居民自建房屋普遍采用的結構形式，也是汶川地震中損害數(shù)最多最嚴重的結構體系，這種結構體系的抗震性能相對較差。由于受條件的限制，這些建筑大多沒有考慮抗震要求，地震中倒塌損毀嚴重，據(jù)了解，首先這些大量破壞的房屋普遍采用預制空心樓板，由于未按規(guī)范要求設計成裝配整體式樓蓋，地震中當墻體破壞或外閃，導致樓板塌落，因而達不到裝配整體式樓蓋的作用;其次是設計不合理，如教學樓大多采用縱墻承重，大開間、大開窗、外挑走廊、結構布置混亂，特別是 20世紀 80年代 ～90年代及以前設計建造的房屋未設置構造柱和圈梁或構造柱設置很少、隔層設圈梁，這些房屋破壞和倒塌率較高;再次是施工質(zhì)量較差，抗震構造措施嚴重不足，如未設置板面拉結鋼筋，無后澆疊合層，縱橫墻連接較差，預制板支承長度過短，未按要求灌板縫等(見圖1，圖2)。

2.2 磚木結構的震害

在此次地震中，磚木結構房屋的損毀和倒塌現(xiàn)象較為嚴重，寧強等地磚木結構建筑受損嚴重，主要表現(xiàn)為屋面嚴重溜瓦，屋架受損，綿竹地區(qū)則倒塌較為普遍。該類建筑由于瓦屋面采用木椽上冷攤小青瓦，瓦與屋架之間無固定連接，屋面體系整體性差，缺乏足夠的剛度，在地震力作用下，屋面首先出現(xiàn)溜瓦，屋架受損，再進一步出現(xiàn)墻倒屋塌(見圖3，圖4)。

2.3 框架結構的震害

框架結構中樓梯間震害較普遍。此次地震中，框架結構中板式樓梯破壞嚴重。如梯段板底部混凝土大面積脫落，底部受力鋼筋拉斷、樓梯板與休息板連接處斷裂等。這些震害表明，現(xiàn)行設計規(guī)范中要求的“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構件”等設計理念沒有實現(xiàn)，這是由于框架梁跨度過大使得其截面尺寸增大，建筑需要在框架梁的砌體或填充墻的剛度增強等使框架梁或屋蓋的實際剛度增大，而規(guī)范對框架柱軸壓比限值過高等，使得框架柱的截面尺寸偏小。在實際框架結構震害中，很少看到“強柱弱梁”型破壞。在強剪弱彎方面，即柱端首先發(fā)生彎曲破壞而形成塑性鉸。巨大的軸壓容易使混凝土壓潰而發(fā)生剝離脫落，從而嚴重削弱柱端的抗剪能力，而柱端出鉸并不會減少柱端受到的地震剪力，因而很容易引起剪切破壞。我國規(guī)范規(guī)定框架結構的填充墻必須安裝拉結筋，以增加防震能力，此次震害中很多填充墻由于沒有設置拉結筋而發(fā)生嚴重開裂，甚至出現(xiàn)傾斜、倒塌(見圖5，圖 6)。

2.4 底框結構的震害

在住宅設計中，尤其近年來在房地產(chǎn)開發(fā)商所建的商品住宅中大量出現(xiàn)底層為框架結構、上層為砌體結構的結構形式，而這種結構形式的建筑在地震中的表現(xiàn)是非常脆弱的。在此次汶川地震區(qū)，底框結構災害特點:首先底框的坍塌和傾斜成為底框結構破壞的主要形式。因為底框部分破壞后，切斷了地震力向上傳遞的通路，隨著地震烈度的降低，底框的坍塌減少，上部磚混的坍塌增多;其次柱破壞現(xiàn)象突出。由于底框梁截面剛度大，難以實現(xiàn)“強柱弱梁”的設計目標，另外柱子長細比過大、配筋過少、鋼筋過細、混凝土強度過低等也是造成此類柱子破壞嚴重的原因(見圖7，圖8)。

3 關于建筑抗震的幾點建議

鑒于汶川地震建筑震害特點，本文提出以下幾點建議:

1)做好概念設計。

概念設計來自于以往工程結構的震害和設計經(jīng)驗，是構造良好結構性能的決定性因素，設計人員可以從工程設計一開始，就把握好能量輸入、房屋體型、結構體系、構件延性等主要方面，從根本上消除建筑中的抗震薄弱環(huán)節(jié)。

2)設多道防線，加強建筑整體穩(wěn)定性。

地震作用是一個持續(xù)的過程，一次地震往往對建筑物產(chǎn)生多次往復式?jīng)_擊，造成累積式損傷而導致結構破壞。如果建筑物僅有一道抗震防線，一旦此防線被突破就會使建筑物遭受破壞甚至倒塌。

3)提高施工質(zhì)量。

設計和材料通過施工發(fā)揮作用，低劣的施工質(zhì)量會直接加重建筑結構的震害，本次地震中發(fā)現(xiàn)的施工質(zhì)量問題有砌體強度不足、構件連接不可靠、構造柱和圈梁施工不合要求等?？梢?，相關人員必須在提高施工質(zhì)量上狠下功夫，特別是要保證主體結構隱蔽工程的施工質(zhì)量。

4)適當提高抗震標準。

針對不同建筑物的特點，在國家標準《建筑抗震設防分類標準》規(guī)定的基礎上分別對待，適當提高抗震標準。在不低于國家規(guī)定標準的基礎上可以由業(yè)主和設計師協(xié)商適當提高。

4 結語

本文通過對建筑結構的現(xiàn)狀和特點進行分析，總結了其在建筑和結構方面存在的問題，結合汶川地震中學校建筑的震害，剖析引起結構建筑倒塌和破壞的原因，最后以國家頒布的建筑規(guī)范為依據(jù)，從概念設計、抗震設防標準等方面，提出改進建筑結構抗震性能的幾條合理化建議，希望所做工作能為建筑結構的防震減災提供幫助。

[1] 王亞勇.汶川地震建筑震害啟示[R].中國科學技術協(xié)會2008防災減災論壇特邀報告，2008.

[2] GB 50011-2001，建筑抗震設計規(guī)范[S].

[3] 全國民用建筑工程設計技術措施——結構[M].北京:中國計劃出版社，2003.