汶川地震中的建筑破坏及相关问题讨论

汶川地震中建筑破坏及相关问题讨论“5.12”汶川地震是我国唐山大地震后的又一次毁灭性大地震。此次地震具有以下特点：震级强，达到里氏8.0级；震源浅，深度约14km，属于浅源地震；烈度高，极震区达到11度，震中区域大都在9~11度，远远超过7度的设防烈度；持时长，最长持时接近300s，其中较大峰值的持时亦在120s左右；范围广，地震区断裂带总长300km，灾区面积44 万km2，其中，重灾区12.5万km2；次生灾害多，山体滑坡、塌方、滚石、泥石流等次生灾害造成了极大伤害；损失大，此次地震死亡6.92万人，失踪1.74万人，2314.3万间房屋损坏，652.5万间房屋倒塌，直接经济损失1.1万亿人民币。

此次地震发生后，本课程主讲教师刘伯权教授、叶艳霞副教授等奔赴灾区，参与了抗震救灾的调研工作（如图1、2），做出了一定贡献。

图1 刘伯权副校长在汶川灾区调研图2 建工学院师生赴宝鸡灾区核查灾情

1 地震成因

汶川地震发生在青藏高原东缘龙门山逆冲推覆构造带上，是由于南亚板块（印度板块）向北漂移与亚欧板块（扬子板块为其一部分）碰撞、挤压造成的。青藏高原的隆起源于南亚板块的挤压，而其边缘与扬子板块的挤压则形成了与四川盆地西部平原巨大高差的龙门山脉断裂带，如图3、4。两个板块边缘的断层由后山断裂（汶川2茂县断裂）、主中央断裂（映秀—北川断裂）、前山断裂（灌县—安县断裂）三条相互近于平行的北东向断裂组成，沿着龙门山脉的汶川—北川—青川一线分布，呈北偏东的走向一直沿伸到甘肃陇南和陕西汉中，在主断层周边分布着小的支系断层。

图3 汶川地震板块运动图图4 龙门山断裂带示意图

2建筑物破坏

汶川地震造成2314.3万间房屋损坏，其中652.5万间房屋倒塌。美国科罗多大学的专家指出：“造成伤亡的是建筑物，而不是地震”。正是这么多建筑物的损坏、倒塌，大大增加了人员的伤亡。

图5 灾区惨景

2.1 木结构

汶川地震中木结构房屋震害较轻，主要是由于木结构采用榫卯连接，榫头在榫卯节点处可轻微转动，属于柔性连接；柱根直接放在柱基石上，水平震动时柱根可在柱基石上轻微滑动；厚重的屋盖通过穿斗或斗拱的连接方式与内柱、檐柱体系连成一体，保证了木结构房屋的整体性，其主要震害表现为屋面溜瓦、柱脚位移等，如图6。

(a) 基本完好(b) 屋面溜瓦(c) 柱脚位移

图6 木结构震害图（姚继涛）

但农村砖木、石木、土木结构在此次地震中破坏、倒塌很多，如图7。结构形式主要有穿斗木构架土坯墙房屋、土坯墙木屋盖房屋、砖墙木屋盖房屋等，主要的震害表现为墙体倒塌、屋架塌落、屋盖塌落等。倒塌原因主要在于农民自建房既无图纸，也无正规施工，从而使整个结构抗震能力低下。

(a) 土坯墙倒塌(b) 石木结构溜瓦、墙倒塌（徐有邻） (c) 屋盖塌落（徐有邻）

图7 砖木、石木、土木结构震害图

2.2 砌体结构

砌体结构是汶川地震灾区大量存在的结构形式，其破坏形式也多种多样，主要形式如图8。

(a) 墙体下部水平裂缝(b) 管道等过于削弱墙体导致破坏（周铁刚）(c) 墙体严重受损破坏（徐有邻）

(d) 窗间墙X形裂缝（姚继涛）(e) 窗下墙X形裂缝（刘伯权） (f) 窗间、窗下均出现X形裂缝（姚继涛）

(g) 无圈梁、构造柱房屋破坏(h) L形布置房屋转角碰撞破坏(i) 顶层突出部分破坏（姚继涛）

(j) 无构造柱砖垛剪坏（徐有邻） (k) 无圈梁构造柱的楼梯间破坏(l) 高差、刚度突变等部位破坏（姚继涛）

(m) 梁下墙无构造柱而压裂及受剪破坏(徐有邻) (n) 局部倒塌、预制板悬挂未掉(叶艳霞) (o) 蜂腰部位坍塌(姚继涛)

图8 砌体结构破坏状态

地震中砌体结构倒塌存在设计、施工等诸方面的不足。无可厚非的是震中所在区域抗震设防烈度为7度，而实际地震裂度分布如图9。

图9 汶川地震裂度分布

除此之外，还有以下原因：结构布置不合理；圈梁、构造柱设置不足，有些结构干脆就没设置；墙体未设置梁垫、拉结钢筋；预制板之间、板与支座之间没有设置可靠锚固；施工材料问题，如图10。

(a) 有圈梁，无构造柱(b) 板端无灌缝、钢筋无锚固(c) 无拉结筋的砌体栏杆板坠落

图10 砌体结构破坏（徐有邻）

2.3 底框砖房

底框砖房在中小城镇为了满足底部大开间的需要，而占有一定的市场分额。其主要的震害如图11。主要是下部框架、上部砖房的刚度转换存在不足。如图11(a)的下部框架过于柔弱而发生柱铰破坏，而(b)图底层框架坍塌，(c)图上部砖房倒塌。此外底部抗震墙开裂、柱压碎等破坏也很常见。

(a) 底层框架形成柱铰（徐有邻）(b) 底层框架坍塌(c) 上部砖房倒塌（徐有邻）

(d) 底层抗震墙开裂(e) 底层柱压碎 (f) 底层框架外墙X裂缝（姚继涛）

图11 底层框架结构破坏

2.4框架结构

钢筋混凝土框架结构被认为是抗震性能较好的结构类型之一，但在汶川地震中同样发生了较为严重的破坏，如图12。值得注意的几个问题是：强柱弱梁、墙节点弱构件机制未能实现；薄弱层的不确定，尤其是填充墙的影响；短柱破坏；节点箍筋不足、施工质量差等。其中的原因值得深思。

(a) 柱端箍筋不足、砼破坏（徐有邻）(b) 柱脚砼破坏（徐有邻）(c) 柱端砼压碎、钢筋外鼓（叶艳霞）

(d) 节点破坏（徐有邻）(e) 众多柱端铰破坏（叶艳霞） (f) 楼梯间短柱发生破坏（叶艳霞）

(g) 梁段剪切裂缝，填充墙破坏（姚继涛） (h) 仅填充墙开裂（徐有邻）(i) 框架结构整体倒塌

图12 框架结构破坏

2.5 大跨结构

大跨结构主要有工业厂房，体育馆，大礼堂等结构。其中采用轻钢屋盖的结构抗震性能较好，破坏较轻；而采用大型屋面板的结构由于屋盖较重，破坏较多，如图13。

(a) 屋面板支点处屋架开裂（姚继涛）(b) 剪刀撑端部节点破坏（姚继涛）(c) 轻钢屋架斜撑弯曲，破坏较小（姚继涛）

(d) 厂房山墙倒塌（姚继涛） (e) 砖垛立柱破坏，目屋架坠落（徐有邻）(f) 上柱折断、屋架塌落（徐有邻）

图13 大跨结构破坏

2.6 构筑物

烟囱、水塔、航站楼等结构物在地震作用下受力尤为不利，破坏状况如图14。