汶川地震建筑震害的分析与思考

浙江建筑，第29卷，第3期，2012年3月Zhejiang Construction ，Vol．29，No．3，Mar．2012收稿日期：2011－12－23作者简介：刘颖（1982—），女，辽宁大连人，讲师，从事建筑工程技术研究与教学。

汶川地震建筑震害的分析与思考Analysis and Thinking of Building Damage in Wenchuan Earthquake刘颖，李殿平LIU Ying ，LI Dian-ping（大连海洋大学土木工程系，辽宁大连116300）摘要：通过对汶川地震建筑震害分析，针对地震区划、强柱弱梁、填充墙、楼梯间、多道抗震防线等抗震设计问题，对照《建筑抗震设计规范（GB 50011—2001）》（2008版）所规定的抗震概念设计原则进行讨论，总结经验教训，提出设计中应着重注意的问题和概念设计的重要性。

关键词：建筑震害；抗震概念设计；地震区划；强柱弱梁；多道抗震防线中图分类号：TU312+．3文献标志码：B文章编号：1008－3707（2012）03－0017－042008年5·12汶川大地震给地震区各类不同时期建造的建筑和工程设施造成重大破坏，给人民群众带来了惨重的损失，震后汶川总体俯视图见图1。

震害调查表明，经过抗震设防，特别是在1990年后设计建造的建筑表现出良好的抗震性能，即使在地震区实际烈度高出抗震设防烈度3 4度（地震动强度超出预计的10倍）的情况下，除了极个别建筑物外，绝大多数建筑受到中等至严重破坏，但却没有倒塌，真正意义上达到了“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准抗震设防目标［1］；而按之前设计建造的建筑物多数遭受严重破坏。

因此，认真研究震害特征，总结经验，对于建造更为耐震的建筑结构具有重要意义。

本文通过汶川地震建筑震害分析，对照抗震概念设计的“地震区划”、“强柱弱梁”、“填充墙”、“楼梯间”、“多道防线”等要求得到一些启示和思考。

1关于地震区划汶川、成都、绵阳、德阳等地区的地震基本设防烈度为6度或7度，但在汶川地震中重灾区实际发生的地震烈度达8 11度（见图2）；世界各国发生图1震后汶川总体俯视图的重大破坏性地震，其地震烈度也往往超过设防烈度。

我们是否可寄希望于进行“准确”的区划，使未来发生的地震动等于或不超过设防地震动呢？答案是否定的。

强地震动发生具有极大的不确定性，与地震短临预报目前不能实现相同，作为长期地震预报的地震区划也不能给出确定的准确结果。

目前世界各国进行地震区划的主要方法是统计分析方法，给出的是对未来发生的地震动的概率估计。

基于概率的地震危险性分析方法［2］是以一系列假定的和有限的历史资料为基础，在潜在震源区的划分、地震活动性估计、震源破裂方式和地震动衰减关系等环节中均存在极大不确定性，显然不能给出准确的确定结果；而且，由于强烈地震的罕遇特性，其结果的正确性实际是不可验证的。

试想，未来50年内以10%的超越概率发生的地震动乃是475年一遇的地震动，如果要验证这种概率分析结果的正确性，至少需要几千年的时间；对于二三千年一遇的罕遇地震，其统计验证更是匪夷所思。

细究地震区划的问题，我们不得不承认，概率方法严格讲仅适用于处理大样本不确定问题，但破坏性地震资料远不满足大样本统计的条件。

再者，地震危险性分析给出的地震发生的统计估计，充其量只属先验概率的范畴，如何根据当前的地震活动，确定未来一段时间内的地震发生概率（后验概率），在理论和实践上均无可遵循的依据。

地震区划也有根据地震地质构造进行判断的确定性方法，这种方法假定：曾经发生过地震的构造可能重复发生相同强度的地震；地质条件相同的发生过地震的构造亦具有相同的地震活动性。

显然，这种方法同样面临地震地质资料并不充分的困难，且往往给出没有时限的、难以防御的最大地震的估计。

归根结底，人类目前对于地球内部运动和地震的发生只有很少的知识，这些知识远不足以进行准确的地震区划。

而且，在地震中大量脆性结构相对破坏严重，正如文献［3］得到的结论：我国规范由于对所有结构采用了统一的性能系数q（q≈3），其结果是使脆性结构抗震可靠度偏小，延性结构抗震可靠度偏大，很难做到不同类型结构抗震可靠度的统一，因此应适当提高脆性结构可靠度水平。

图2汶川地震烈度及居民地分布图2强柱弱梁汶川地震中，大多数框架结构的主体结构震害一般较轻，主体结构基本完好，只是局部损伤或填充墙破坏比较严重［4］。

另外，震害还显示，框架结构底层柱顶产生裂缝，框架柱、梁出现斜裂缝［5］。

地震中常见的是框架结构的柱端出铰，即塑性铰均出现在底层框架柱柱顶，与之相连接的框架梁没有任何损坏，见图3、图4。

这些震害表明，现行设计规范中要求的“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”等设计理念没有实现，原因是：由于框架梁跨度过大使得其截面尺寸增大，框架梁的砌体或填充墙的刚度增强等使框架梁或屋盖的实际刚度增大。

另外，规范对框架柱轴压比限值过高等，使得框架柱的截面尺寸偏小所致。

在框架结构震害中，很少看到“强柱弱梁”型破坏［6］。

汶川地震实际出现的一般是柱端首先发生弯曲破坏而形成塑性铰，巨大的轴向压力容易使混凝土压溃而发生剥离脱落，严重削弱柱端的抗剪能力，而柱端出铰并不会减少柱端受到的地震剪力。

因而很容易引起剪切破坏。

由此可见，提出可行的配筋构造技术，如连续箍筋技术、防止柱端混凝土强度严重退化，可以充分保证“强剪弱弯”。

81浙江建筑2012年第29卷3楼梯构件在框架结构中的震害框架结构（包括设置在框剪结构）中的楼梯构件在地震中破坏数量相当多，具体破坏形式包括：（1）板式楼梯的梯板在板底中部出现裂缝，大量混凝土块在裂缝处脱落，破坏严重的是上下贯穿的整体裂缝，下部钢筋弯曲，这类破坏出现量最大，说明梯板在地震作用中起到了K型支撑构件的作用，梯板在反复拉、压过程中破坏［7］。

（2）梁式楼梯的破坏类似板式楼梯，梁在跨中处发生整体性断裂，即使楼梯布置在结构主体外也出现严重震害［8］。

（3）为支撑层间休息平台，在框架梁上设置的梯柱在根部和顶部出现裂缝，这主要是梯板水平位移过大，梯柱截面抗剪能力不足造成的。

（4）层间休息平台的梯梁在梯板间发生剪切破坏［9］，这是因为梯梁承担梯板传递上下楼层剪力差，梯梁抗剪能力不足所造成，见图5。

图5楼梯的破坏（5）层间休息平台板在梯梁破坏处至框架柱间出现斜裂缝，说明上下楼梯传递剪力能力差。

还有一种设计方法是将层间休息平台与框架柱完全脱开，休息平台完全由梯柱支撑在框架梁上，这样做的目的是希望层间休息平台不对框架柱形成短柱破坏效应。

本文认为休息平台作为K型支撑水平构件，起到类似耗能的作用，才会造成上述破坏。

将楼梯构件与框架柱脱离设计，可以减少楼梯构件抗震耗能作用，就会减少逃生构件破坏的几率。

4填充墙汶川地震震害显示，填充墙破坏比较严重，见图6。

刚度较大的填充墙会加大地震作用，填充墙布置不当还造成了框架主体结构的严重破坏。

填充墙与主体结构之间的连接构造应采取强连接还是弱连接？强连接，有利的一面在于能够起到耗能的作用，不利的一面是目前还不清楚这两种刚度之间的关系及对结构抗震性能的影响程度。

墙体刚度较大时可能对主体结构造成破坏，自身破坏也严重。

如果采用弱连接，可以减小填充墙对主体结构及构件的影响，但自身稳定所需的连接构造比较复杂，会增加施工费用和施工难度。

填充墙的破坏主要有以下几个因素：图6填充墙的严重破坏（管道布置太多）（1）影响结构的刚度变化，造成填充墙的破坏［10］。

无论填充墙采用的是实心黏土砖、空心黏土砖、实心或空心的轻质砌块或轻质隔断墙板等材料，填充墙在构造上与框架联系在一起共同作用时，或多或少地改变了整个框架体系的抗侧向作用的能力。

同时，由于填充墙的加入，有可能产生较大的扭转，使一个本来均匀规整的框架结构刚度中心偏移，从而使结构在地震作用下发生偏移。

汶川地震中，大多数框架结构的主体结构震害一般较轻，主要破坏发生在围护结构和填充墙，这与模型试验分析第三阶段极限状态的结果出入较大，甚至没有看到框架梁柱形成明显的塑性铰时，大量底层和弧形的填充墙体均已倒塌。

因此，除了加强填充墙与主体结构的拉结措施外，还应考虑底层填充墙和弧形填充墙与结构构件在同一水准下的抗震设计。

（2）填充墙造成框架柱的附加作用，使框架结构出现“柱铰”现象［11］。

同一结构层内，由于填充墙的分布方式不同（填充墙作为横墙、纵墙的区别，框架柱之间有无填充墙的区别等），使得水平91第3期刘颖等：汶川地震建筑震害的分析与思考地震剪力的分配也发生变化，造成同一层内框架柱的水平受力不同而出现“柱铰”破坏现象。

汶川地震中几乎没有看到框架结构出现“强柱弱梁”的“梁铰”机制。

相反，基本都是出现“柱铰”机制。

造成这种不利破坏的原因是多方面的，其中属于结构系统方面考虑不周的原因有两点：一是没有将填充墙纳入整个结构系统加以统一考虑，因为填充墙可增加结构的层刚度，也会增加框架梁的抗弯刚度和受弯承载力；二是楼板对框架梁的刚度和承载力贡献没有充分考虑。

一般在设计中，只针对裸框架结构进行分析计算，缺乏对整个结构系统抗震性能的判断。

（3）结构层间刚度的不均匀、结构布置过于复杂而造成的破坏。

不同结构层内，填充墙的数量或布置方式的差异，形成了上下层填充墙不连续；或由于结构布置过于复杂，形成错层结构布置，可能导致相邻层间的刚度突变，这对结构的抗震十分不利。

（4）开洞的填充墙可能对框架柱造成“短柱”效应［12］。

填充墙的布置使得框架柱的计算高度减少，形成“短柱”，在水平力作用下，容易提前发生塑性铰破坏，见图7。

图7开洞填充墙的破坏5多道抗震防线这是抗震设计中非常重要的一个基本概念，结构必须有多道抗震防线，即要有一定数量的冗余度。

单跨框架两根柱子一根梁，是最简单的结构形式。

用于教学楼可以两边通风采光，加个悬挑外廊可以让孩子们进行户外活动，所以常见于中小学教室［13］。

但是这种结构形式没有多道防线，一根柱子破坏，框架马上倒塌。

汶川地区中小学很多这种教学楼在地震中破坏严重，甚至全部倒塌，可能与此有关，见图8、图9；而有些教学楼的外廊改悬挑为柱子支承，单跨框架变为双跨，情况就好得多。

砌体结构的构造柱、圈梁除作为砌体的约束构件以提高墙体延性之外，也可视为第二道防线，在“大震”作用下，砌体墙可能严重破坏，但是由于构造柱和圈梁的存在，结构不会倒塌［14］。

由于意识到多道防线的重要性，日本的许多学校建筑普遍采用设置钢或钢筋混凝土支撑的方式，这样做并不会影响教室采光和建筑外观［6］。

6结语一幢抗震性能优良的建筑除了进行必要的结构计算之外，还应有更为重要的概念设计。

汶川地震震害分析结果表明，只要严格按照规范设计，保障施工质量，房屋建筑就能达到“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准抗震设防目标。