遲明杰李小軍陳 波張 濤

1）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

2）中國地震局地震觀測與地球物理成像重點實驗室，北京 100081

3）中國地震應急搜救中心，北京100049

盈江“5.24”和“5.30”地震中吾排小學二層框架結構破壞分析1

遲明杰1，2）李小軍1）陳 波1）張 濤1，3）

1）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

2）中國地震局地震觀測與地球物理成像重點實驗室，北京 100081

3）中國地震應急搜救中心，北京100049

在地形、地貌及場地條件復雜的山區(qū)，歷次地震中都會出現一些破壞異常的點或區(qū)域。分析其破壞原因，對于當地或類似情況的點或區(qū)域的抗震設防以及減少由于地震造成的災害損失具有重要意義。本文主要針對2014年盈江“5.24”和“5.30”地震后，Ⅷ度區(qū)的卡場鎮(zhèn)五排村吾排小學二層框架教學樓的破壞情況進行分析，找出了造成建筑結構破壞的幾個不利因素，主要包括山丘頂部地形放大效應、土層的放大效應、邊坡效應以及多次地震災害的累加效應。

盈江“5.24”和“5.30”地震 框架結構 放大效應 震害累加

引言

據中國地震臺網測定，北京時間2014年5月24日04時49分在云南省德宏傣族景頗族自治州盈江縣（25.0°N，97.8°E）發(fā)生5.6級地震（以下簡稱“5.24”地震），震源深度12km，隨后在5月30日09時20分該地區(qū)又發(fā)生了6.0級地震（以下簡稱“5.30”地震），震源深度14km。根據中國地震局地球物理研究所吳建平研究員課題組利用川滇三維走時表定位軟件測定結果，地震震中位于24.99°N，97.84°E。根據中國地震局發(fā)布的云南盈江5.6級、6.1級地震烈度圖（圖1），極震區(qū)位于卡場鎮(zhèn)，Ⅷ度區(qū)分布在卡場鎮(zhèn)、勐弄鄉(xiāng)與蘇典鄉(xiāng)境內。2次地震造成災區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受不同程度破壞，先后造成15人、45人受傷，部分房屋受損，個別框架結構建筑受到嚴重破壞。本文主要對卡場鎮(zhèn)五排村吾排小學的二層框架結構教學樓的破壞情況進行分析。

歷次地震災害中，大震的近斷層破壞（李小軍等，2008）、局部地形或場地條件影響（包括山體放大效應、邊坡放大效應、覆蓋土層對地震動的放大效應等）（袁中夏等，2008；王蘭民等，2013）、房屋的抗震性能（包括缺少抗震措施、建筑材料質量問題、房屋設計缺陷）王世元等，2013；陳坤華等，2012；張加桂等，2009；劉愛文等，2007）以及震害累加（施偉華等，2011）等因素，是造成局部震害加重的主要原因。有時是某一個因素起作用，有時是某幾個因素共同起作用。因此，不同的地震、不同的地區(qū)會具有不同的震害特點，這也是每次地震災害科學考察的重點所在。而卡場鎮(zhèn)五排村吾排小學的二層框架結構教學樓的破壞屬于多種因素共同作用的結果。

圖1 云南盈江5.6級、6.1級地震烈度圖（中國地震局發(fā)布）Fig. 1 Seismic intensity map of MS5.6 and MS6.1 Yingjiang earthquakes（from CEA report）

1 吾排小學二層框架結構教學樓破壞情況及其分析

1.1 吾排小學概況

卡場鎮(zhèn)五排村吾排小學（24.94172°N，97.82188°E）位于震中（卡場鎮(zhèn)草壩村）東南方向5.5km處（圖2），吾排小學的衛(wèi)星地形圖片見圖3，吾排小學位于一山丘的頂部，衛(wèi)星的影像拍攝日期為2011年3月4日。根據衛(wèi)星圖片可以看出，當時只有二層框架教學樓，與其相鄰的垂直方向坐落的二層框架宿舍樓還沒有興建。從地形上看，吾排小學位于一個山丘的頂部，二層框架教學樓位于山頂南端，幾乎三面凌空，另外，山頂覆蓋一層風化的玄武巖土層。

圖2 吾排小學與震中的相對位置（引自Google Earth衛(wèi)星圖片）Fig. 2 Location of Wupai primary school regarding to the epicenter（From Google Earth）

圖3 吾排小學的衛(wèi)星地形圖片（引自Google Earth衛(wèi)星圖片）Fig. 3 Terrain images of Wupai primary school（From Google Earth）

1.2 吾排小學二層框架教學樓破壞情況

“5.24”和“5.30”2次地震后，吾排小學二層框架教學樓的破壞情況如圖4—10所示。教學樓前面上下兩層的門窗間形成的短磚柱普遍破壞，從而引起上部墻體的開裂，導致前面橫墻發(fā)生嚴重破壞，見圖4。教學樓后面沒有門，且窗較大，填充墻相對較少，僅在窗的兩側和下面有一列填充磚墻，地震中由于填充的磚墻與柱子和梁震動不一致，導致填充墻與柱和梁相分離，出現填充磚墻與柱子間的豎向裂縫以及與梁之間的水平裂縫，見圖5。教學樓內柱子也產生了破壞，有的柱子混凝土剝離、脫落露出鋼筋，見圖6；有的柱子產生斜裂紋，見圖7。柱子雖破壞但各個教室之間的填充墻僅出現梁下橫裂縫或者較小的裂紋，教室間的隔墻破壞并不嚴重，見圖8。但與其相鄰的2012年竣工的二層框架宿舍樓卻完好，見圖9。

圖4 教學樓前面填充墻體破壞情況Fig. 4 Damage of infill walls in front of a masonry

圖5 教學樓后面填充墻體破壞情況Fig. 5 Damage of infill walls at back of a masonry

圖6 柱子混凝土脫落、鋼筋外露（底層）Fig. 6 Concrete spalling and the rebar exposing（ground floor）

圖7 柱子產生水平和斜裂紋（底層）Fig. 7 Horizontal and oblique cracks in the pillar（ground floor）

圖8 教室間的隔墻的梁下橫裂縫、細裂紋（底層）Fig. 8 Transversal cracks under beam and tiny cracks at partition wall（ground floor）

圖9 相鄰的二層框架宿舍樓Fig. 9 Student dorm building adjacent to the teaching building is in the well condition

圖10 教學樓所處的局部地形條件Fig. 10 Local terrain conditions of the teaching building

1.3 破壞原因分析

根據地震現場調查的情況，吾排小學二層框架教學樓在“5.24”和“5.30”地震后發(fā)生較嚴重破壞的原因是多方面的，其主要由以下幾個不利因素造成。

第一是地形放大效應。國內外的多次宏觀震害調查表明，孤立突出的小山包、小山梁上的房屋震害一般較重，局部地形放大效應的影響比較明顯（胡聿賢，1988）。根據地震現場調查以及衛(wèi)星地形圖片可以看出，學校是建在一個小山丘的頂部，山頂地形對地震動的放大效應是造成建筑破壞的一個重要因素。

第二是土層的放大效應。根據地震動的分析結果，隨著土層厚度的增大，對于低頻的地震動的放大效應更加顯著，相反，隨著土層厚度的減小，對于高頻地震動的放大效應更顯著；另外，對于中小地震的近場地震動，其卓越頻率以高頻為主，容易造成低矮建筑的破壞（胡聿賢，1988）。

圖11 填土厚度變化（1—7m）的加速度反應譜Sa（張建毅等，2013）Fig. 11 Acceleration response spectra Sawith fill thickness（1-7m）

圖12 碎石厚度變化（1—7m）的加速度反應譜Sa（張建毅等，2013）Fig. 12 Acceleration response spectra Sawith gravel thickness（1-7m）

張建毅等（2013）對1—7m厚的薄土層對地震動的影響進行了分析，分別以填土和碎石為例分析了土層對地震動頻譜的影響，見圖11和圖12。由此可以得到薄覆蓋土層對地面峰值加速度和卓越周期的影響規(guī)律，見表1。填土密度為1.9（t/m3），剪切波速為130（m/s），屬于軟土層；碎石的密度為2.1（t/m3），剪切波速為310（m/s），屬于硬土層。其他具體參數祥見張建毅等（2013）。根據地震現場的調查，山丘頂部覆蓋了一層2—3m厚的風化玄武巖土層，其土性參數介于填土和碎石之間。因此，根據張建毅等（2013）的計算結果，學校所在地面的峰值加速度至少放大了3.5倍以上，卓越周期的范圍在0.1—0.4s；以3m厚的土層為例，其卓越周期在0.16—0.19s之間，地面峰值加速度放大的倍數在4.7—7.0之間。根據建筑物自振周期的經驗計算公式：T1=（0.08—0.1）n，其中：T1為結構基本自振周期，n為結構層數，對于二層的建筑其自振周期在0.16—0.2s之間，剛好與該場地反映的卓越周期比較接近。綜合以上分析，土層對于地震動高頻成分的放大效應對二層教學樓的破壞起了重要的作用。

表1 土層反應分析計算結果Table1 Calculated results of soil response

第三是邊坡的放大效應，見圖10。二層框架教學樓位于幾乎是三面凌空的條件下，因此地震動會進一步放大。

第四是多次地震震害累加效應。根據2011年3月4日拍攝的衛(wèi)星圖片，二層框架教學樓已經存在，但周圍大多數建筑都還沒有，因此它至少遭受了2011年“3.10”地震以及2014年的“5.24”和“5.30”共3次地震的影響。對比“5.24”和“5.30”地震對該教學樓的震害累加效應，見圖13和圖14。其中，圖13為“5.24”地震后拍攝的照片，可以看出二層框架結構教學樓已經發(fā)生了一定程度的破壞，主要是填充墻破壞，前面填充墻的門與窗之間形成短柱，在地震中由于應力集中而破壞；而圖14為“5.30”地震后拍攝的照片，從表面看，似乎“5.24”地震造成教學樓前面墻體的破壞與“5.30”地震后的破壞情況區(qū)別不大，但仔細觀察2次地震后的照片可以發(fā)現一些細微的差別，見圖13和圖14中6個紅框里的對比。能夠看出，磚墻進一步松散，產生新的裂紋，墻面抹灰進一步脫落。實際上更為重要的差別是，“5.24”地震后僅僅是填充墻發(fā)生破壞，梁和柱基本完好；而“5.30”地震后多根柱子混凝土脫落或開裂而破壞，導致該教學樓成為危房而需要拆除。

震害累加效應在多次地震中都存在，但由于各方面原因，獲得地震現場的對比資料比較困難。在“5.24”和“5.30”地震中也存在比較明顯的震害累加效應，調查者有幸獲得了另外兩組2次地震對同一建筑產生影響的照片資料。

卡場鎮(zhèn)麻竹嶺崗穿斗木結構的外圍墻，在“5.24”地震后圍墻出現錯縫，房屋嚴重梭瓦，見圖15；而它在“5.30”地震后三面墻體倒塌，見圖16。

勐弄鄉(xiāng)勐弄村麻栗坡二層的民居，在“5.24”地震中山墻產生1條長裂縫，見圖17a；前面窗角有1條小裂紋，見圖17b的小紅方框。而在“5.30”地震后，山墻在原來裂縫的基礎上又產生多條裂縫，并且部分墻體錯開，見圖18a；房屋前面的窗角裂紋進一步擴展，并且另一窗角也出現裂紋，見圖18b的大紅方框。

圖13 “5.24”地震中教學樓破壞情況Fig. 13 Damage of the teaching building after“5.24”earthquake

圖14 “5.30”地震后教學樓破壞情況Fig. 14 Damage of the teaching building after“5.30”earthquake

圖15 “5.24”地震中墻體出現錯縫Fig. 15 Fissure of displacement at wall after“5.24”earthquake

圖16 “5.30”地震后圍墻倒塌Fig. 16 Collapsed walls after“5.30”earthquake

圖17 “5.24”地震中的破壞情況（麻栗坡）Fig. 17 Damage of the building after“5.24”earthquake at Malipo

圖18 “5.30”地震后的破壞情況（麻栗坡）Fig. 18 Damage of the building after“5.30”earthquake at Malipo

第五是墻體設計缺陷問題。門和窗之間形成的短柱因應力集中而產生破壞，是導致教學樓前面墻體破壞的主要因素；而砂漿的強度不高是墻體破壞的另一重要因素。

1.4 與相鄰二層框架宿舍樓情況對比分析

與教學樓破壞情況形成鮮明對比的是，相鄰的二層框架結構宿舍樓在地震中基本完好。根據該宿舍樓碑記（圖19）的介紹，吾排小學原土木結構宿舍樓，年久失修成為D級危房，在2011年的“3.10”地震中傾倒。后來由美國華僑建議并捐助部分款項，由盈江縣政府配套剩余資金，在2011年10月14日奠基，并于2012年5月16日竣工。新宿舍樓為框架結構，Ⅷ度設防，抗震性能比較好，是此次地震沒有被破壞的主要原因。而上述教學樓的墻體，尤其是前面墻體的破壞，與其門窗位置的不合理安排密切相關；與其形成鮮明對比的是宿舍樓門窗位置的合理設計，見圖9和圖20，避免了填充墻體在地震中遭到破壞。

2 結束語

此次盈江地震科學考察中，除了吾排小學教學樓受到破壞，還有老卡場小學（磚混結構）和丁林寨小學（一層框架結構）受到破壞。建設時為了保證學校環(huán)境清靜，這3所學校的共同點是都建在山丘或土坡頂部。受地形和場地條件對地震動放大作用的影響，學校教學樓均受到不同程度的破壞，所幸的是它們都采用了抗震設計，無人員傷亡。自2008年汶川地震后，學校作為重要的公共設施，引起各級政府的重視，房屋建筑的抗震設防標準相應的有所提高。山區(qū)地形、地貌以及場地條件比較復雜，修建房屋應盡量避開對地震動具有放大作用、容易造成破壞的場地。然而經驗告訴人們，更關鍵的是采用較好的建筑抗震措施，這對于避免地震造成人員傷亡非常重要。

此次地震科學考察中，發(fā)現的一個比較普遍的現象是地震災害累加作用。對于經常發(fā)生中小地震的地區(qū)，或者經常出現地震影響烈度Ⅶ度或Ⅷ度地區(qū)的建筑，地震災害累加效應應當引起高度重視，吾排小學二層框架結構在多次地震的影響下最終破壞，就是一個深刻的教訓，應引以為戒。

致謝：非常感謝云南省地震局為此次震害調查提供的條件和幫助，并提供了“5.24”地震房屋災害照片。

陳坤華，盧永坤，張彥琪，2012．盈江5.8級地震的震害特征及破壞機理．地震研究，35（1）：110—116.

胡聿賢著，1988．地震工程學．北京：地震出版社．

李小軍，于愛勤，甘朋霞等，2008．汶川8.0級地震北川縣城區(qū)災害調查與分析．震災防御技術，3（4）：352—362．

劉愛文，宋毅盛，李方杰，2007．寧洱6.4級地震廟山埡口附近的震害現象．震災防御技術，2（3）：270—278．

施偉華，陳坤華，楊樹明等，2011．盈江2011年MS5.8與2008年MS5.9地震的震害差異及原因．地震研究，34（4）：519—524．

王蘭民，吳志堅，2013．岷縣漳縣6.6級地震震害特征及其啟示．地震工程學報，35（3）：401—412

王世元，何玉林，吳今生，2013．四川蘆山7.0級強烈地震高烈度區(qū)房屋震害特征．災害學，28（4）：125—131．

袁中夏，譚明，馬占，2008．汶川大地震四川省青川縣磚混結構村鎮(zhèn)房屋震害分析．西北地震學報，30（4）：317—325．

張加桂，黃體莊，雷偉志，2009．2008年云南盈江地震震害特點及抗震防災啟示．地質通報，28（8）：1077—1084．

張建毅，薄景山，林瑋等，2013．北川縣城土層特性對地震動的影響．自然災害學報，22（1）：130—139．

Damage Analysis of Two-Story Frame Structures in Wupai Elementary School by“5.24”and“5.30”Yingjiang Earthquakes

Chi Mingjie1，2），Li Xiaojun1），Chen Bo1）and Zhang Tao1，3）

1）Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China；
2）Key Laboratory of Seismic Observation and Geophysical Imaging，CEA，Beijing 100081，China；
3）National Earthquake Response Support Service Center，Beijing 100049，China

It is common that one abnormal damage appeared due to the complicated mountainous topography and site conditions during earthquake. It is of great significance to analyze the abnormal damage causes for seismic fortification of local or similar area，which will reduce the economic losses by earthquake disasters. Several adverse factors for abnormal earthquake damage of two-story frame structure in Wupai elementary school during“5.24”and“5.30”Yingjiang earthquakes were discussed，including the effect of hill terrain amplification，soil amplification，slope amplification and accumulative effect by multiple earthquakes．

“5.24”and“5.30”Yingjiang Earthquake；Frame structure；Effect of amplification；Multiple earthquakes

遲明杰，李小軍，陳波，張濤，2014．盈江“5.24”和“5.30”地震中吾排小學二層框架結構破壞分析．震災防御技術，9（4）：748—758．

10.11899/zzfy20140402

國家國際科技合作項目（2012DFG20510）；國家自然科學基金重大研究計劃（91215301）

2014-07-29

遲明杰，男，生于1978年。博士，副研究員。主要從事地震工程方面的研究工作。E-mail: 03115049@bjtu.edu.cn