郭婷婷,徐錫偉,于貴華,袁仁茂,陳桂華

(1.山東省地震局,濟南 250014;2.中國地震局地質(zhì)研究所國家地震活動斷層研究中心,北京 100029)

基于汶川地震建筑物破壞的抗震設(shè)防要求分析＊

郭婷婷1,2,徐錫偉2,于貴華2,袁仁茂2,陳桂華2

(1.山東省地震局,濟南 250014;2.中國地震局地質(zhì)研究所國家地震活動斷層研究中心,北京 100029)

汶川 8.0級地震給川西地區(qū)造成了嚴(yán)重的建筑物破壞與人員傷亡。通過大量對汶川地震災(zāi)區(qū)的建筑物破壞情況實地調(diào)查,并根據(jù)現(xiàn)行建筑物抗震設(shè)防要求與建筑抗震設(shè)計規(guī)范,從建筑物選址、抗震設(shè)計及建筑施工等多個環(huán)節(jié),對汶川地震中的典型建筑物破壞案例進(jìn)行討論分析,探討破壞原因,并提出相應(yīng)的解決措施,為今后建筑物的抗震設(shè)防工作提供參考經(jīng)驗與科學(xué)依據(jù)。

汶川地震;建筑物破壞;抗震設(shè)防要求;抗震設(shè)計;多道抗震防線

0 引言

2008年5月 12日 14時 28分,四川省汶川縣發(fā)生 8.0級特大地震,震源深度 18 km,地震破裂持續(xù)時間為 120 s。本次地震在龍門山推覆構(gòu)造帶上形成兩條地表破裂帶,主破裂帶沿北川—映秀斷裂發(fā)育,長約 240 km;次破裂帶沿灌縣—江油斷裂發(fā)育,長約 90 km(徐錫偉等,2008)。強烈的地震地表破裂與錯動使得地表破裂帶沿線及其兩側(cè)靠近斷層的建筑物遭受了毀滅性的破壞,同時,地震引發(fā)的大量山體滑坡、巖石崩塌、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害,加重了建筑物破壞的程度。

汶川地震震級大、震源淺且次生地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重,故地震災(zāi)區(qū)震害極其嚴(yán)重,震中區(qū)最大烈度高達(dá)Ⅺ度。這場災(zāi)難性大地震引起的強烈地表破裂與錯動及其引發(fā)的次生地質(zhì)災(zāi)害造成建筑物倒塌、毀壞,更造成巨大的人員傷亡與財產(chǎn)損失。據(jù)統(tǒng)計,地震時 90%的人員傷亡是由于各種建筑物倒塌造成的。許多專家在震后第一時間對汶川地震災(zāi)區(qū)的建筑物震害情況作了調(diào)查研究,結(jié)合工程震害案例,分析了汶川地震災(zāi)區(qū)的建筑物震害特點以及破壞原因(清華大學(xué)土木結(jié)構(gòu)組等,2008;郭婷婷等,2009;姜紀(jì)沂等,2009;任曉崧,李夢圓,2009)。然而,在地震災(zāi)害不可避免、地震預(yù)報尚未得到科學(xué)解決的現(xiàn)狀下,應(yīng)將預(yù)防地震、減輕地震災(zāi)害的工作重點放在如何提高工業(yè)和民用建筑物的抗震設(shè)防能力上。因此,依據(jù)建筑物的抗震設(shè)防要求,分析汶川地震建筑物的破壞原因,值得進(jìn)一步研究與探討。

所謂“抗震設(shè)防”,就是在工程建設(shè)時對建筑物防御地震災(zāi)害所采取的抗震措施,主要是指各類建設(shè)工程必須按抗震設(shè)防要求、抗震設(shè)計和施工規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計、施工。建筑物的抗震設(shè)防應(yīng)該貫穿整個建筑工程的選址、設(shè)計、施工等各個環(huán)節(jié)(盧壽德,2006.),這 3個主要環(huán)節(jié)是相輔相成、密不可分的,都必須按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范嚴(yán)格執(zhí)行。

本文將結(jié)合汶川地震中受災(zāi)區(qū)的實際建筑物破壞情況,從建筑物的選址、設(shè)計、施工等抗震設(shè)防主要環(huán)節(jié),逐一分析建筑物破壞原因,并提出相應(yīng)的解決措施,為今后建筑物抗震設(shè)防工作提供參考依據(jù)。

1 建筑物破壞原因分析及其解決措施

根據(jù)汶川地震震后現(xiàn)場考察與分析,災(zāi)區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)破壞情況復(fù)雜多樣,且破壞分布情況與汶川地震發(fā)震斷裂有著密切的關(guān)系。

從建筑物破壞的具體情況上分析,汶川地震災(zāi)區(qū)建筑物的破壞類型呈多樣性,主要表現(xiàn)形式有:砌體結(jié)構(gòu)構(gòu)造柱斷裂、承重墻體開裂、樓梯破損、甚至整體坍塌等;鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的框架柱梁破壞、個別墻體與柱連接處開裂、填充墻體開裂等。

從宏觀上分析,汶川地震災(zāi)區(qū)建筑物破壞分布情況與汶川地震發(fā)震斷裂有著密切的關(guān)系,主要表現(xiàn)為以下特征:(1)與地震斷層同震錯動密切相關(guān);(2)斷裂帶及附近的建筑物破壞嚴(yán)重,遠(yuǎn)離斷裂帶的破壞情況相對較輕;(3)位于逆沖發(fā)震斷裂上盤的建筑物比下盤的破壞嚴(yán)重;(4)地震引發(fā)的山體滑坡與崩塌等次生災(zāi)害加重了建筑物的破壞。

現(xiàn)從建筑物抗震設(shè)防要求的確定(即抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行)以及建筑物抗震設(shè)防的三個主要環(huán)節(jié),逐一分析汶川地震災(zāi)區(qū)的建筑物破壞原因,并提出相應(yīng)的防御措施。

1.1 提高相應(yīng)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

汶川 8.0級地震為南北地震帶上川西歷史上震級最高的一次地震。據(jù)震前我國的主要城鎮(zhèn)抗震設(shè)防烈度標(biāo)準(zhǔn),北川、汶川、綿竹、都江堰等地區(qū)抗震設(shè)防烈度僅為Ⅶ度,而本次地震對這幾個地區(qū)的影響已遠(yuǎn)超過Ⅶ度,都江堰市達(dá)到Ⅸ度,綿竹市達(dá)Ⅹ度,震中附近的映秀、北川的烈度高達(dá)Ⅺ度,可見,震前當(dāng)?shù)厮捎玫脑O(shè)防地震烈度嚴(yán)重不足。

據(jù)現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計規(guī)范與相關(guān)研究成果(高小旺,鮑靄斌,1989),可以理解 “大震不倒”是指地震發(fā)生時,實際地震烈度比抗震設(shè)防烈度高 1～1.5度時,建筑物應(yīng)當(dāng)不倒塌。但是對于汶川地震震中及附近的高烈度地區(qū),建筑物很難避免倒塌。事實表明,應(yīng)當(dāng)對當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防標(biāo)準(zhǔn)作相應(yīng)的修訂與改善。

在汶川地震中,大批醫(yī)院、學(xué)校等人員密集場所的樓房坍塌,造成大量人員死亡。故對于醫(yī)院、學(xué)校等人員聚集的公共活動場所,應(yīng)適當(dāng)提高抗震設(shè)防等級,確保這類公共建筑的安全性。

此外,據(jù)實地考察,相對受災(zāi)城區(qū),農(nóng)村地區(qū)房屋倒塌情況更為嚴(yán)重。城區(qū)建筑物基本能夠按照國家制定的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)去設(shè)計、施工,抗震能力相對較好。但是,廣大農(nóng)村的自建房屋,大多都存在重大抗震設(shè)防缺陷,故建議加強對強震區(qū)農(nóng)村自建房屋執(zhí)行抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的引導(dǎo)與監(jiān)督。

1.2 建筑工程選址問題

建筑物的工程場地選擇是建筑工程抗震設(shè)防的首要環(huán)節(jié)。要使建筑物能夠抵擋地震災(zāi)害的破壞,選址是前提與基礎(chǔ),只有確定正確的選址方法和方案,建筑抗震設(shè)計與施工才能是有效可行的。

1.2.1 避開斷裂帶以及沿線附近

實地考察汶川地震受災(zāi)區(qū)的建筑物破壞情況可知,直接建在斷裂帶上及斷裂帶沿線上的房屋大多數(shù)發(fā)生嚴(yán)重破壞。越靠近斷裂帶,建筑物破壞越為嚴(yán)重,遠(yuǎn)離斷裂帶的建筑物破壞則稍輕。

在中央斷裂帶的虹口深溪溝處,由于發(fā)震斷裂從山腳附近穿過,逆沖形成逆斷層陡坎(上盤發(fā)生垮塌),故而形成一條新的溝(圖 1)。測量該處最大垂直位移量為 3 m,右旋位移量 4.5 m。此處,修建于斷裂帶上的農(nóng)家房在地震中坍塌,墜至溝底,下落了 3 m多。

圖1 修建于斷裂帶上的農(nóng)家房坍塌墜落Fig.1 Far m house built on the fault collapsed

汶川地震中,建筑物破壞最嚴(yán)重的是地震烈度達(dá)Ⅹ～Ⅺ度的極震區(qū),它們主要位于北川縣城(Ⅺ度)及周邊、映秀(X度)等地。北川縣城完全毀滅,整個斷層帶上的建筑物幾乎無一幸免。斷層從縣城穿過,靠近斷層的建筑物遭到毀滅性破壞。映秀鎮(zhèn)及其附近的建構(gòu)筑物也遭到毀滅性破壞。斷層穿過河流與公路,河流形成跌水陡坎,路面發(fā)生嚴(yán)重變形,形成陡坎(圖 2)。圖中公路旁邊的在建建筑物,其主體結(jié)構(gòu)已建成,但由于幾乎是跨在斷裂帶上建造的,故建筑物結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重(圖 2)。

為進(jìn)一步定量分析建筑物破壞情況與地表斷裂的關(guān)系,根據(jù)實際建筑物破壞與地表變形測量資料,筆者在虹口鎮(zhèn)小魚洞處進(jìn)行地形差分 GPS測量與建筑物實地調(diào)查,其測線剖面與實拍照片如圖 3所示。

圖2 映秀公路旁在建建筑物結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞Fig.2 Buildings under construction beside Yingxiu Road was severely damaged

圖3 小魚洞測線圖(a)小魚洞中路斷層通過處倒塌的建筑物;(b)小魚洞中路測線;(c)小魚洞北路測線Fig.3 Measured topographic profile of Xiaoyudong(a)collapsed buildingswhich went through the fault(XiaoyudongMiddle Road);(b)survey line of XiaoyudongMiddle Road;(c)survey line of XiaoyudongNorth Road

小魚洞中路為典型的商業(yè)街,其兩側(cè)建筑物均為近年來新建的 2～3層磚混建筑物,這些建筑物比較一致的結(jié)構(gòu)形式與建造年代,更有利于比較斷裂及其兩側(cè)的建筑物破壞情況。如圖 3(b)所示,地表斷裂通過約 26 m內(nèi)的地表發(fā)生嚴(yán)重變形,地面建筑物幾乎全部倒塌;離斷裂越遠(yuǎn)的建筑物破壞越輕。

以上震害案例,充分證明建筑物的選址一定要避開活動斷裂帶,并須根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H地質(zhì)情況,合理確定 “避讓帶”寬度(徐錫偉等,2002),從而有效避開活斷層同震錯動對地面建筑設(shè)施的直接破壞,減輕可能遭遇的地震災(zāi)害損失。

1.2.2 避開地震地質(zhì)災(zāi)害危險地段

汶川地震中,建筑物遭受嚴(yán)重破壞的另一個重要原因是強烈的地震地表破裂與錯動引發(fā)了大量山體滑坡、巖石崩塌等次生災(zāi)害。地震發(fā)生時,規(guī)模巨大的崩塌、滑坡體瞬間傾瀉而下,掩埋城鎮(zhèn)、堵塞河流并切斷道路。滑坡體前緣的強烈沖擊波,摧毀前方及周邊的建筑物,形成弧形破壞帶。以北川縣城為例,地震瞬間,王家?guī)r山體滑坡掩蓋了北川老縣城的五條街區(qū)(圖 4),幾乎所有建筑物全部被掩埋于厚厚的滑坡土體之下,造成的死亡人數(shù)多達(dá)1 000人。與此同時,山體崩塌災(zāi)難性的吞沒了整個北川中學(xué)新區(qū)(茅壩中學(xué))的教學(xué)樓(圖 5),傷亡學(xué)生及其他相關(guān)人員多達(dá)千人。

山體崩塌等嚴(yán)重次生地質(zhì)災(zāi)害會造成大面積建筑物與人員的徹底掩埋,因此,這種地震災(zāi)害不是單純靠提高建筑物質(zhì)量能避免的,只能選擇避開有可能發(fā)生山體崩塌的地段。故建筑物選址,除了避開活動斷裂帶,還應(yīng)避開地質(zhì)災(zāi)害危險地段。

圖4 北川老縣城山體滑坡Fig.4 Landslides in the old section ofBeichuan County

圖5 北川新城區(qū)山體崩塌Fig.5 Bedrock collapse ing the new section ofBeichuan middle school

1.3 抗震設(shè)計問題

建筑物的抗震設(shè)計是建筑工程抗震設(shè)防的中間環(huán)節(jié)。建筑物抗震性能的好壞,除了要保證建筑工程場地的正確選取以外,一個好的工程抗震設(shè)計也是很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。國內(nèi)外多次地震災(zāi)害實例表明,具有一定抗震設(shè)計的建設(shè)工程能有效的減小地震波的襲擊(黃雙華,1996)。要確保建筑物的抗震性能,須依據(jù)現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計規(guī)范,做好抗震結(jié)構(gòu)體系選取、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計、隔震和消能減震設(shè)計等工作(國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,2001)。

1.3.1 抗震結(jié)構(gòu)體系選取

抗震結(jié)構(gòu)體系是抗震設(shè)計考慮的關(guān)鍵問題,應(yīng)根據(jù)建筑物抗震設(shè)防類別、烈度、建筑高度、場地條件等多種因素綜合確定。目前,抗震結(jié)構(gòu)體系主要有多層砌體結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等。本次地震發(fā)生在川西地區(qū),當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)建筑物主要為磚混結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)根據(jù)地震災(zāi)區(qū)主要建筑物類型的結(jié)構(gòu)體系破壞實例,分析如下。

(1)框架結(jié)構(gòu)優(yōu)于砌體結(jié)構(gòu)

汶川地震中大量倒塌的多層建筑物都是砌體結(jié)構(gòu)。在北川縣城內(nèi)正在施工中的兩座相鄰建筑物主體結(jié)構(gòu)均已基本完成(圖 6)。圖 6a為震后的框架結(jié)構(gòu),其主體結(jié)構(gòu)完好無損;圖 6b為震后的磚混結(jié)構(gòu),磚混結(jié)構(gòu)的建筑物也根據(jù)建筑抗震規(guī)范,作了相應(yīng)的抗震設(shè)計措施,如現(xiàn)澆鋼筋混凝土構(gòu)造柱、現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板等,但由于磚混結(jié)構(gòu)自身的抗震結(jié)構(gòu)性較差,結(jié)果仍發(fā)生了嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞。從圖中的鮮明對比,不難得出結(jié)論。對于多層建筑物,考慮到建筑物的抗震性能,應(yīng)首選框架結(jié)構(gòu)。

圖6 相鄰兩座在建工程的震后結(jié)構(gòu)情況對比(a)框架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)性完好;(b)磚混結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重Fig.6 Comparison of post-earthquake structural condition of two adjacent buildings during construction in Beichuan County(a)structural perfo rmance of framework structure is perfect;(b)brick-concrete structure suffers serious damage

對于要求采取砌體結(jié)構(gòu)的建筑物,其設(shè)計必須按照抗震規(guī)范要求嚴(yán)格執(zhí)行,嚴(yán)禁使用預(yù)制板。汶川震害實例證明,預(yù)制板與圈梁的連接、與墻體之間的連接非常脆弱,在地震的水平剪切作用下,它們之間的連接極易失穩(wěn),發(fā)生脫節(jié),且會發(fā)生由一塊預(yù)制板的塌落,引發(fā)多米諾骨牌效應(yīng)的多層樓板的連續(xù)倒塌與疊壓(圖 7),造成巨大的損失。

圖7 預(yù)制板引發(fā)的多米諾骨牌效應(yīng)Fig.7 Domino effect triggered by prefabricated slabs

(2)使結(jié)構(gòu)體系具有多道抗震防線

多道抗震防線是抗震概念設(shè)計的重要部分,一個好的抗震結(jié)構(gòu)體系,應(yīng)由若干個延性較好的分體系組成,并相互連接起來協(xié)同工作,避免因部分構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個體系喪失抗震能力。以框架剪力墻體系為例,其主要由延性框架和抗震剪力墻兩個結(jié)構(gòu)體系組成,主要抗剪切力構(gòu)件是抗震剪力墻,為第一道防線,當(dāng)抗震墻在一定強度的地震作用下遭受可允許的損壞,其剛度降低,并吸收相當(dāng)?shù)牡卣鹉芰亢?框架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可起到第二道抗震防線的作用。

震區(qū)的砌體結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞,主要體現(xiàn)在:砌體結(jié)構(gòu)的構(gòu)造柱斷裂、圈梁破損(圖 8)、承重墻體開裂、整體坍塌等;鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的框架柱破壞、填充墻體開裂樓梯間破損等。

圖8 構(gòu)造柱與圈梁受力失效Fig.8 Loading failure of constructional column and ring beam

分析以上破壞案例可知,對于砌體結(jié)構(gòu),應(yīng)嚴(yán)格按照抗震規(guī)范要求,設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱和圈梁,并確保兩者的連接,以便加強建筑物的穩(wěn)定性,提高多層砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能。構(gòu)造柱、圈梁雖然不能提高結(jié)構(gòu)的抗震承載力,但作為約束構(gòu)件,可以提高墻體的延性。在大震作用下,磚墻被破壞后,被圈梁構(gòu)造柱箍起的墻體還可不倒塌,這就形成了抗震的第二道防線。

鑒于純多層框架結(jié)構(gòu)的破壞案例,在汶川地震中多為“強梁弱柱”類型的破壞形式(圖 9),即框架結(jié)構(gòu)的柱端發(fā)生裂縫或破損,而框架梁卻完好無損,或柱倒塌,梁隨之倒塌,這就不能達(dá)到抗震設(shè)計目的。圖 9為現(xiàn)場考察的映秀鎮(zhèn)漩口中學(xué)主教學(xué)樓,在地震中發(fā)生部分坍塌?，F(xiàn)場分析其原因,主要是該教學(xué)樓的豎柱太細(xì)且截面配筋細(xì)而不足,呈 “強梁弱柱”類型。因此,抗震設(shè)計與施工應(yīng)保證“強柱弱梁”的延性框架,“強柱弱梁”即在地震時,保證讓梁端先出現(xiàn)裂縫,形成塑性鉸來吸收一部分地震能量,梁為第一道防線,柱為第二道防線,從而避免柱子先于梁遭受破壞。同時,也可以適當(dāng)?shù)脑诖罂缍瓤蚣芙Y(jié)構(gòu)中墻體位置處增設(shè)剪力墻,或在柱間設(shè)置支撐等,來形成抗震的多道防線。大震發(fā)生時,讓其增設(shè)部件作為結(jié)構(gòu)的“第一道防線”率先破壞,消耗地震能量,減小對整體結(jié)構(gòu)的破壞程度,從而保護主體結(jié)構(gòu)的安全。

圖9 “強梁弱柱”類型的破壞案例Fig.9 Damage case of strong beam and weak column

(3)盡量避免剛度不連續(xù)結(jié)構(gòu)體系

通過地震災(zāi)區(qū)建筑物破壞情況的調(diào)查,可知:底層框架磚混結(jié)構(gòu)的建筑物,也是發(fā)生嚴(yán)重破壞的結(jié)構(gòu)類型(圖 10)。由于這種結(jié)構(gòu)的底層框架與上層磚混的結(jié)構(gòu)不同,造成建筑物結(jié)構(gòu)的強度和剛度不連續(xù),這種不連續(xù)性會造成局部薄弱部位產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中。若該部位沒有作特別加強性設(shè)計,便會提前于相鄰部位進(jìn)入屈服狀態(tài),剛度進(jìn)一步減小。在地震反復(fù)作用下,該部位的塑性變形集中,最終可能導(dǎo)致嚴(yán)重破壞甚至倒塌,故其抗震性能很差。在地震多發(fā)、高烈度地區(qū)應(yīng)盡量避免采用此類建筑結(jié)構(gòu)體系或需要采取特別加強性設(shè)計與措施來提高其抗震能力。

圖10 底層框架磚混結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞Fig.10 Brick-concrete structure of bottom frame was seriously damaged

(4)確保各構(gòu)件之間的連接

震區(qū)現(xiàn)場可見,許多建筑物的破壞是由于建筑物各構(gòu)件之間連接性失效造成的。映秀鎮(zhèn)漩口中學(xué)宿舍樓為典型的磚混結(jié)構(gòu),震后沒有發(fā)生坍塌,從外觀看其主體結(jié)構(gòu)相對完好,但其窗間墻體發(fā)生較為嚴(yán)重的剪切破壞,出現(xiàn)大量 “X”形的裂縫,墻體局部已發(fā)生崩塌現(xiàn)象,建筑整體結(jié)構(gòu)已經(jīng)嚴(yán)重受損(圖 11)。究其原因,則是砌塊墻體為脆性材料,抗壓能力尚可,但其抗拉、抗剪強度都很低,故抗地震剪切能力較差。由于砌體結(jié)構(gòu)中的墻體之間、墻體與樓蓋之間缺少拉結(jié)筋的設(shè)置,在地震剪切力與豎向荷載共同作用下,使得構(gòu)件以及各構(gòu)件間的連接性失效,當(dāng)墻體所受拉應(yīng)力超過自身強度時,墻體就會產(chǎn)生 “X”形的斜交裂縫。故對于此類磚混結(jié)構(gòu)建筑物,需采取墻內(nèi)設(shè)置拉結(jié)筋等措施,加強承重墻體的抗剪切能力,確保各構(gòu)件之間的可靠連接。

圖11 映秀鎮(zhèn)漩口中學(xué)宿舍樓剪切破壞Fig.11 Dormitory of YingxiuMiddle School suffered shear damage

1.3.2 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件要求

非結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要包括建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和建筑附屬機電設(shè)備。常見非結(jié)構(gòu)構(gòu)件為隔墻、女兒墻、走廊欄桿、裝飾吊頂?shù)?均應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)計與施工。非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞不會直接造成建筑主體結(jié)構(gòu)的破壞,但若與主體結(jié)構(gòu)連接不牢固,地震時易倒塌墜落砸傷人員或損壞物件,因此非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)之間應(yīng)做可靠錨固與連接。

以北川縣計劃生育服務(wù)站辦公樓的破壞情況為例(圖 12)。圖中主體結(jié)構(gòu)相對完好,但外走廊的欄桿磚墻幾乎全部倒塌。欄桿磚墻作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,最好采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),但若是采用磚砌筑,則應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范要求(國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,2001),在外走廊磚砌圍欄墻內(nèi)與主體構(gòu)件之間設(shè)置拉結(jié)鋼筋,以便兩者之間具有可靠連接與錨固。但是本案例沒有采取這些抗震措施,因而造成欄桿磚墻的全部倒塌。

圖12 北川縣計生服務(wù)站辦公樓外走廊欄桿倒塌Fig.12 Brick fence in outside corridor of office building collapsed

1.3.3 隔震和消能減震設(shè)計

隔震技術(shù)是在建筑物基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震器(圖 13),以阻止地震能量向上傳遞,降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),從而達(dá)到一定的抗震設(shè)防要求。消能減震設(shè)計則是在建筑物的抗側(cè)力構(gòu)件中設(shè)置阻尼器等消能部件,來吸收和消耗地震能量,從而減少輸入主體結(jié)構(gòu)的地震能量,達(dá)到降低結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的(田文斌,2002)。近十幾年,隔震和消能減震技術(shù)應(yīng)用逐漸增加,但大多應(yīng)用在高烈度區(qū)的橋梁工程與高層重要建筑物中(方海等,2005;林新陽,周福霖,2002),其它建筑物上還未得到廣泛應(yīng)用。目前,在川西地區(qū),隔震和消能減震新技術(shù)的應(yīng)用很少。對于汶川地震災(zāi)區(qū)這樣的高烈度地區(qū)的建筑物和其它地區(qū)的重要建筑物中,應(yīng)采用隔震、消能減震高新技術(shù),來提高結(jié)構(gòu)整體抗震水平。

圖13 隔震橡膠支座結(jié)構(gòu)示意圖(田文斌,2002)Fig.13 Structure diagram of isolation rubber bearings(T IAN Wen-bin,2002)

1.3.4 抗震建筑材料的應(yīng)用

現(xiàn)場考察汶川地震災(zāi)區(qū)主要破壞的建筑物類型,其中砌體結(jié)構(gòu)多為普通磚混結(jié)構(gòu)(圖 14),鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的填充墻體亦多為磚墻體或砌塊墻體。此類磚與砌塊材料均為脆性材料,剛度較大,但抗剪強度低,延性差,故其構(gòu)建而成建筑物的結(jié)構(gòu)整體性與抗震性能較差。為了增加建筑物整體結(jié)構(gòu)性,抵抗地震剪切作用,材料選擇上應(yīng)減少脆性材料的應(yīng)用比例,優(yōu)先采用延性與韌性較好的鋼筋和強度等級較好的混凝土材料,在整體抗震設(shè)計的基礎(chǔ)上,確保建筑物具有可靠的抗震性能。例如,加氣混凝土是一種具有輕質(zhì)多孔、保溫隔熱等特性的新型建筑材料,已被廣泛應(yīng)用于上海大廈、福州大樓等建筑工程中。因其自重輕,地震破壞力小,故其抗震能力得到大大提高。因此,應(yīng)加大對此類抗震且環(huán)保的建筑材料的研究開發(fā)力度,并將其廣泛應(yīng)用于實際建筑工程中,從抗震各個環(huán)節(jié)共同提高建筑物的綜合抗震能力。

圖14 脆性材料使用的弊端Fig.14 Disadvantages of using the brittle materials

1.4 建筑施工問題

對于建筑物的抗震設(shè)防能力的影響,建筑施工的好壞,與抗震設(shè)計的優(yōu)劣同樣重要。在地震災(zāi)區(qū),不少損壞倒塌的建筑物存在諸多施工質(zhì)量問題,比如,懸掛的斷裂樓板沒有鋼筋連接、砌筑砂漿不飽滿、預(yù)制樓梯安裝不規(guī)范造成其懸掛塌落、鋼筋混凝土構(gòu)件配筋不足等現(xiàn)象。同時,也不乏施工過程中對建筑材料把關(guān)不嚴(yán)問題,造成使用不合格建材情況,比如水泥標(biāo)號、鋼筋不合規(guī)范等。在本次地震中,以上各種建筑施工質(zhì)量不過關(guān),施工過程偷工減料、不按規(guī)范嚴(yán)格施工等現(xiàn)象,嚴(yán)重加劇了建筑物破壞程度。故國家應(yīng)加強建筑施工質(zhì)量管理,把好建筑施工與材料的質(zhì)量關(guān),并加大建筑施工監(jiān)管力度,確保建筑物嚴(yán)格按抗震設(shè)計進(jìn)行施工。

2 結(jié)論與展望

通過對汶川地震中的大量建筑物破壞情況的實地調(diào)查與分析,根據(jù)現(xiàn)行建筑物的抗震設(shè)防要求與建筑抗震設(shè)計規(guī)范,從建筑物選址、建筑抗震設(shè)計及建筑施工等各個環(huán)節(jié),對汶川地震災(zāi)害中的典型建筑物破壞案例進(jìn)行了破壞原因分析與討論,初步得到以下主要結(jié)論與解決措施,可為今后建筑物的抗震設(shè)防工程提供經(jīng)驗與依據(jù)。

(1)建筑物的選址一定要避開活動斷裂帶,須根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H地質(zhì)情況,合理確定 “避讓帶”寬度。同時也要避開地質(zhì)災(zāi)害危險地段。

(2)抗震結(jié)構(gòu)體系的選取應(yīng)考慮:結(jié)構(gòu)體系是否具有多道抗震防線、盡量避免剛度不連續(xù)結(jié)構(gòu)體系、確保各構(gòu)件之間的連接等問題。

(3)隔震和消能減震設(shè)計以及抗震新型建筑材料的廣泛應(yīng)用將從抗震各個環(huán)節(jié)共同提高建筑物的綜合抗震能力。

汶川地震雖已過去 2年多,但是沉痛的教訓(xùn)不能忘記。自 2008年以來全球板塊運動進(jìn)入了一個新的活躍階段,強震頻頻發(fā)生。前車之鑒,后事之師。對汶川地震亡者最好的紀(jì)念,是從建筑物破壞實例中分析問題,反省不足,解決現(xiàn)存問題。

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Analysis on Seism ic Protection Requirements Based
on BuildingsDamage in W enchuan Earthquake

GUO Ting-ting1,2,XU X i-w ei2,YU Gui-hua2,YUAN Ren-m ao2,CHEN Gui-hua2
(1.Earthquake Adm inistration of Shandong Province,J i′nan250014,Shandong,China)
(2.National Center for Active Fault Studies,Institute of Geology,CEA,Beijing100029,China)

MS8.0W enchuan earthquake brought about serious buildings dam age and casualties in w estern Sichuan.N ow that earthquake prediction has not yet resolved scientifically at present,our emphasis of earthquake prevention and earthquake disaster m itigation should be put on how to improve capacity of fortification against earthquakes of industrial and civil buildings.In this paper,according to seism ic protection and the Code for Seism ic D esign of B uildings,typical buildings dam age and its causes w ere analysed and discussed from buildings location,seism ic design,buildings construction and other aspects.It is suggested that corresponding m easures w hich can provide experience and basis for seism ic protection of buildings.

W enchuan earthquake,buildings dam age,requirem ents for fortification against earthquakes,seism ic design,seism ic defensive line of m ultitrack

TU352.1

A

1000-0666(2010)04-0345-08

2010-03-17.

國家自然科學(xué)基金(40940003)、中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(IGCEA0907)和山東省地震局博士科研項目聯(lián)合資助 .