地震工程学

从汶川地震探讨建筑抗震概念设计及其对我们的启示

交通学院徐伟

摘要：本文介绍了建筑的抗震概念设计，分别从其基本要求、教学楼的抗震以及如何识别结构的规则性三个方面进行了分析探讨。并针对汶川大地震的发生原因和造成的经济损失, 结合工程建设和设计方面知识给出在场地选择、抗震设防、鉴定加固、抗震技术和科技投入等几方面的建议,本文也对地震高发地区如何提高农村房屋抗震能力提出了若干对策和建议，从而为今后工程设计和研究积累经验。

关键词：建筑；抗震设计；规则性；场地,工程设计，农村房屋

汶川大地震是新中国成立以来破坏性最强、涉及范围最广、救灾难度最大的一次地震, 给四川省造成直接经济损失超过1万亿元人民币。从宏观对房屋震害原因分析，一是由于强地震作用力直接导致房屋倒塌毁损，其中汉旺镇是最典型的单纯受地震作用力破坏的地区；二是由于除强地震作用力之外，大面积山体滑坡的次生灾害给房屋带来了毁灭性破坏，如北川县城山体滑坡使老城区1/3 几乎被埋没，新城区将近1/4埋没；三是地基液化，部分地区座落在河滩松散的堆积物上，地震发生后，引起强烈的砂土液化，比较典型的是映秀镇；四是地表开裂或隆起，发生在地震中心区域或临近断裂带区域，如北川县。通过对震灾的反思，普遍认为，最关键的问题，就是要高度重视建筑抗震概念设计。同时，这次地震也给我们的地震工程学带来许多启示。

1 对建筑抗震概念设计的理解

建筑抗震概念设计是指根据地震灾害和工程经验等所形成的设计基本原则和设计思想。《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)[1]把建筑抗震概念设计作为必须执行的强制性标准条文，同时还对建筑方案的各种不规则性，分别给出了处理对策。针对超限高层建筑，建设部建质[2006]220号文“超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点”的第11 条(以下简称超限高层审查技术要求)，提出了建筑结构抗震概念设计应符合的要求。(1)超高时建筑结构规则性的要求应从严掌握，明确竖向不规则和水平不规则的程度，避免过大的地震扭转效应。(2)结构布置、防震缝设置、转换层和水平加强层的处理、薄弱层和薄弱部位、主楼与群房共同工作等妥善设计。(3)结构的总体刚度应适当，变形特征应合理；楼层最大层间位移和扭转位移比符合规范、规程要求。(4)混合结构工程、钢支撑框架结构的钢框架，其重要连接构造应使整体结构能形成多道抗侧力体系。(5)多塔、连体、错层、带转换层、带加强层等复杂体型的结构，应尽量减少不规则的类型和不规则的程度；一般不宜超过文献[2]规定的最大适用高度。(6)当几部分结构的连接薄弱时，应考虑连接部位各构件的实际构造和连接的可靠程度，必要时取结构整体计算和分开计算的不利情况，或要求某部分结构在设防烈度下保持弹性工作状态。(7)规则性要求的严格程度，可依抗震设防烈度不同有所区别。

当计算的最大水平位移、层间位移值很小时，扭转位移比的控制可略有放宽。知名结构专家李国胜[3]在他编著的“多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处

理算例”一书中，对结构抗震概念设计基本原则，归纳成4点：结构的简单性；结构的规则性和均匀性；结构的刚度性和抗震性；结构的整体性。

2 汶川地震房屋灾害中的经验教训

面对汶川这种山崩地裂的大震，任何一种计算模型都是苍白无力的，这时更显示出了概念设计的重要性。一个好的抗震设计，是应该在保证建筑物的整体性、延性等多重防线上下功夫，而不应该是一味地死扣地震力有多大。比如在这次地震中，破坏最严重的就是变形能力差的大空间的砖混结构(比如教学楼、医院等)和楼板整体性差的预应力空心板结构，而直到今天，预应力空心板还大行其道，有关规范也并未禁止使用。那些命悬1梁1柱1墙的建筑更是比比皆是。这些建筑用文献[1]理论计算或许会满足要求，但它在真正的地震中不堪一击。汶川地区，原是按7度抗震设防，实际地震基本烈度为9～11 度，在同样超大震作用下，有的房屋基本较好，有的虽有破坏而未倒塌，有的整体倒塌。

2.1 概念设计的重要性

凡是符合抗震概念设计要求的高层钢筋混凝土结构，如汉旺东讫办公楼13层框架结构，绵阳时代广场30层框架—核心筒结构，都基本完好。这些工程是按7度抗震设防进行设计的，经过9度地震作用的考验，在超大震作用下不倒。实践证明了按文献[1-2]进行高层钢筋混凝土结构设计是成功的，三水准抗震设防的目标是可行的。

2.2 教学楼倒塌严重，伤亡惨重

砖混结构教学楼，采用单面挑外廊的结构形式，极不利于抗震。教学楼一般为(6～7.2) m×9m的教室单面外挑出2.1 m走廊，楼面梁作用在纵墙上，在梁作用外仅加构造柱，是典型的弱柱强梁，开大窗后窗间墙断面小，在地震作用下，窗间墙是剪切破坏，引起房屋整体倒塌。因此对这种砖混结构的教学楼，应尽量避免采用单面挑出的外廊式，同时纵墙上楼面梁作用处，跨度不小于6 m 大梁的支撑构件应采用组合砌体等加强措施[1]。同时笔者认为对这些大开见房屋较多的教学楼的教室4大角、外纵墙大高洞口两侧、楼梯间，也应按文献[1]规定设构造柱。另外，在抗震地区的教学楼，也不宜采用教室大梁处为框架，又有横墙混合承重的方案。教学楼楼面的整体性很重要。在各省的房屋建筑工程抗震设防暂行管理规定中，对教学楼楼面的整体性都有相关的明确条款。这一措施对保证教学楼的抗震是有利的。教学楼宜优先采用现浇框架结构，但是单跨挑外廊的钢筋混凝土框架，仅有1道抗震防线，一旦柱子受地震破坏，就会使房屋整体倒塌。映秀镇漩口中学3层单跨挑外廊框架整体倒塌就是一个惨痛教训。结构必须有多道抗震防线，有一定数量的冗余度。台湾1999年大地震后总结经验教训，将外挑走廊外边再加1排钢筋混凝土柱成为3跨框架，同时在楼梯间和纵墙增加一些剪力墙，增强了房屋的抗震性能，值得借鉴。

2.3 提高砖混结构房屋的抗震能力的新举措

设置构造柱和圈梁，约束砖墙变形，可以有效提高抗震能力[1]。房屋4 大角是应力集中的薄弱部位，不应开角窗，且应加大构造柱的配筋，可用4Φ14纵筋。若楼梯间倒塌，造成人员无法疏散而伤亡惨重，因此，对多层砖混房屋的楼梯间应采取加强措施。在楼梯的4大角以及梯段上下端对应墙体增加4个构造柱和4大角设4个构造柱，并在墙上适当加配钢筋，使楼梯间成为应急疏散的安全岛。同