羅若帆，金顯廷，郭 迅，董 策，董孝曜，張欽哲，張 俊

（1.中國地震局工程力學研究所中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080；2.嘉應學院土木工程學院，廣東 梅州 514015；3.松原市應急管理局，吉林 松原 138001；4.防災科技學院中國地震局建筑物破壞機理與防御重點實驗室，河北 三河 065201）

0 引言

震害調查分析是提升抗震設計水平的重要手段。2008年汶川地震后，李鋼等［1］對村鎮(zhèn)建筑進行了調查，發(fā)現未經抗震設計的土木結構、砌體結構破壞嚴重。葉列平等［2］調查了大量框架結構，發(fā)現框架結構的破壞形式較多，震害嚴重，“強柱弱梁”屈服機制未能實現。2013年蘆山地震后，公茂盛等［3］對框架結構進行了調查，發(fā)現框架結構的破壞主要表現為框架柱及填充墻的破壞；曲哲等［4］對砌體結構進行了調查，發(fā)現非約束砌體結構破壞較嚴重，而不少約束砌體結構則基本完好。2017年九寨溝地震后，張令心等［5］對房屋震害進行了調查，發(fā)現框架結構雖然發(fā)生不同程度的破壞，但大都可以維修。從震害調查情況來看，不同結構體系的房屋建筑在歷次地震中均有不同的表現，在超強地震作用下，結構體系的優(yōu)劣似乎并不明確。2019年長寧地震后，王波等［6］從新的視角分析了建筑震害的原因，為探討震害機理提供了一種可靠的方法。2021年漾濞地震后，羅若帆等［7］對比分析了同一場地相同規(guī)模破壞與完好的框架結構，從機理上揭示了結構發(fā)生破壞的原因。郭迅［8］對結構地震破壞倒塌機理進行了總結，提出了“變形飽和”致災機理，較好地解釋了多層建筑結構破壞或倒塌的原因。實際震害是對理論和假說最好的檢驗，完善抗震理論必須重視震害調查結果。

2022年9月5日12時52分，四川省甘孜藏族自治州瀘定縣發(fā)生6.8級地震，震中位于磨西鎮(zhèn)（29.59°N，102.08°E），震源深度16km。震中附近磨西鎮(zhèn)、燕子溝鎮(zhèn)、得妥鎮(zhèn)等地房屋受損嚴重。當地房屋以多層建筑為主，自建房居多，結構體系以砌體結構、木結構和框架結構為主。因磨西鎮(zhèn)海螺溝景區(qū)為國家5A級景區(qū)，當地存在較多酒店、民宿及底層商鋪建筑，其結構形式主要是框架-砌體混雜式結構及底框架結構。針對此次地震，對震中附近地區(qū)的砌體結構和框架結構，包含底框架結構和框架-砌體混雜式結構進行了詳細調查，分析了典型的震害特征和破壞原因，通過“好”與“壞”的對比，對多層建筑的抗震能力進行了探討，以期為新建建筑抗震設計和震后建筑加固改造提供參考。

1 典型建筑震害分析

砌體結構和框架結構是多層建筑最常見的結構體系，此次調查主要關注這兩類結構的表現。因村鎮(zhèn)自建房居多，結構形式復雜，具體調查對象包括傳統(tǒng)砌體結構、普通框架結構、底框架結構和框架-砌體混雜式結構。

1.1 砌體結構

1.1.1 整體缺乏約束圈梁和構造柱是提高結構空間剛度和整體性的重要措施。歷次地震震害現象均表明，無圈梁、構造柱的砌體結構震害嚴重，倒塌率極高。有完善圈梁、構造柱的砌體結構則有很好的表現。圖1a為磨西鎮(zhèn)某民居，結構體系為無約束的砌體結構，發(fā)生了嚴重破壞，整體垮塌。圖1b為磨西鎮(zhèn)共和村單層無約束砌體結構民居，縱橫墻交接處無構造柱連接，整體發(fā)生分離。

圖1 砌體結構整體破壞Fig.1 Photos of seismic damages of masonry structures

1.1.2 局部缺乏約束

許多村鎮(zhèn)自建房沒有嚴格按照規(guī)范設計施工，一些砌體結構雖設置了圈梁、構造柱，但并不完善。圖2a為得妥鎮(zhèn)某底商多層民宿，屬于框架-砌體混雜式結構?？梢钥闯?，框架柱基本完好，而內部墻體破壞嚴重。這是由于墻體缺乏合理約束，在水平力作用下，開裂即解體，形成獨立塊體，在慣性力作用下不斷分離，呈現出極其嚴重的破壞后果。圖2b為磨西鎮(zhèn)共和村某自建民宿，為砌體結構。承受地震剪力最大的首層完好無損，但三層發(fā)生了嚴重破壞（圖2c），原因是三層沒有設置構造柱。圖2d是磨西鎮(zhèn)某賓館，屋頂女兒墻因缺乏合理約束，外閃掉落到地面。

圖2 砌體結構局部破壞Fig.2 Photos of partially seismic damages of masonry structures

1.2 框架結構

框架結構是梁板柱體系，但填充墻的分布模式會對結構的破壞產生影響。根據結構形式和墻體分布方式，結合震害調查情況，分為單跨框架、外廊式框架和底商用途的框架。

1.2.1 單跨框架圖3a為原磨西中學一棟4層單跨框架結構教學樓。2008年汶川地震后，單跨框架因冗余度不夠，在2010版抗震設計規(guī)范中已經不推薦使用［9］。可以看出，這棟建筑破壞非常嚴重，建筑縱向前側設置開門窗洞口的填充墻，后側設置窗下連續(xù)填充墻?？v向門與門之間無墻體約束的柱出現上下端塑性鉸，上端破壞較下端更嚴重。受窗下墻約束的柱主要出現柱上端塑性鉸，且比門間柱的破壞更嚴重，這可能是由于填充墻的約束改變了柱的計算長度，使得該柱的實際位移角更大（圖3b）。橫向為滿砌填充墻，出現典型的角部壓碎破壞（圖3c）。

圖3 磨西中學教學樓震害Fig.3 Photos of seismic damages of Moxi middle school teaching building

1.2.2 外廊式框架

圖4a為磨西鎮(zhèn)一棟外廊式教學樓，建筑平面為L型，設計時為了避免平面不規(guī)則，結構進行了分縫處理。但連接措施不夠合理，如外走廊的轉角處與右側教學樓墻體直接連接造成了受拉破壞，與左側另一棟教學樓外走廊墻體縫間用木方填充，同樣造成了嚴重的擠壓破壞（圖4b）。兩個方向的建筑均出現了小剪跨比墻體的剪切破壞。門窗間小短墻因剪跨比小基本都發(fā)生了剪切破壞（圖4c）。

圖4 原貢嘎山寄宿制學校震害Fig.4 Photos of seismic damages of the for mer Minya Konka school teaching building

1.2.3 底商用途框架

圖5a為一棟底層商用的民用住宅。因底層為商鋪，需要較大空間，縱向兩道軸線均無墻體，僅在背面設置了填充墻（圖5b）。由于墻體對剛度貢獻較大，這種填充墻偏置的情況會造成地震剪力分配的差異較大，帶填充墻一側的構件因承受較大的剪力而發(fā)生破壞?？梢钥闯?，填充墻和柱的組合效應明顯，產生了不同形式的破壞，如圖5c所示柱受窗下墻約束發(fā)生柱上端剪切破壞，圖5d所示角柱發(fā)生柱端和節(jié)點區(qū)的破壞。

圖5 磨西鎮(zhèn)底層商鋪的民用住宅震害Fig.5 Photos of seismic damages of a pr ivate residential building with store on the ground floor in Moxi town

1.3 底框架結構

圖6為磨西鎮(zhèn)一棟酒店建筑，共五層，屬于底框架結構，上部三層為砌體結構，基本完好，地下一層的框架柱嚴重破壞。墻體對各個位置的框架柱產生了不同程度的約束，造成了各不相同的破壞模式。圖6b為建筑縱向前側相鄰的兩個框架柱，右側柱受到澆筑混凝土填縫的約束，形成短柱，發(fā)生剪切破壞。左側柱無約束，沒有發(fā)生破壞。因前側柱受較大的約束，導致該側軸線上的剛度較大，建筑縱向的后側軸線總剛度則相對較小，發(fā)生較大的變形，造成結構整體的扭轉。圖6c為受窗下矮墻約束的柱，可以看出窗下墻的約束明顯改變了柱的計算長度，下端塑性鉸出現在窗下墻中部。圖6d為受樓梯間墻和梁約束的柱，也形成了短柱并發(fā)生剪切破壞。部分柱的變形量已經達到失效的狀態(tài)，縱筋保護層完全剝落（圖6e）。該建筑內部填充墻完全破壞（圖6f）。

圖6 磨西鎮(zhèn)底層餐廳用途的酒店震害Fig.6 Photos of seismic damages of a hotel with restaurant on the ground floor in Moxi town

圖7為磨西鎮(zhèn)一棟位于街角的酒店。位于街角的建筑兩個鄰邊面向街道，通常開較大門洞。由此形成了臨街兩面無填充墻，而另外兩個鄰面則砌筑填充墻的墻體分布模式。因剛度偏置，偏心距較大，扭轉效應顯著。同時因填充墻偏置，無法約束另外兩個面上剛度小的框架柱構件沿兩個方向的運動，形成了整體的扭轉（圖7a）。右側填充墻無明顯的平面內破壞，L型開洞最右側的柱卻發(fā)生了顯著的破壞，變形方向垂直于填充墻平面（圖7b）。L型開洞最左側柱則明顯向前側傾斜（圖7c），結構最終發(fā)生扭轉破壞。

圖7 磨西鎮(zhèn)位于街角的酒店震害Fig.7 Photos of seismic damages of a hotel on the corner in Moxi town

1.4 混雜式結構

圖8為得妥鎮(zhèn)一棟民宿，共四層半，底層因使用需要，前側和中間軸線采用框架柱承重，后側仍然采用墻體承重，形成了框架-砌體混雜式結構。汶川地震后，調查發(fā)現有大量這種形式的結構發(fā)生了嚴重破壞［10-11］。前側和中間的框架柱破壞相對較輕，而后側的墻體出現典型的剪切破壞（圖8b）。這是因為后側軸線的墻體和前側及中間軸線的柱力學行為差異很大，小剪跨比的墻體在小變形下就會發(fā)生破壞，而柱的變形能力較強，但承載力較低，在后側構件破壞后，引起承重失衡，從而被動發(fā)生較大側移形成新的平衡（圖8c）。但該建筑接近垮塌，不能認為其實現了內力重分布。

圖8 得妥鎮(zhèn)底層餐廳用途的酒店震害Fig.8 Photos of seismic damages of a hotel with restaurant on the ground floor in Detuo Town

2 建筑抗震能力分析

2.1 “散”和“整”

“散”主要體現在建筑物缺乏合理的約束，如缺乏圈梁構造柱等，導致整體性差，在地震作用下極易開裂、破壞，引起結構倒塌?！罢闭f明建筑物有合理的約束，整體性好，可以最大化發(fā)揮構件的承載力貢獻。圖9a為兩個多層建筑的頂層女兒墻破壞情況，左側建筑的女兒墻有合理的約束，未發(fā)生破壞，這是“整”的表現。右側建筑則因缺乏約束，墻段失穩(wěn)外閃掉落到地面，這是“散”的表現。圖9b的酒店左側缺乏構造柱，在地震作用下，極易開裂破壞，因結構極為松散，在慣性力作用下裂縫不斷張開，形成獨立塊體被甩出，這是“散”的表現。圖9c為該酒店內部墻體，同樣發(fā)生剪切破壞，但因構造柱的約束，始終保持著較好的整體性，沒有發(fā)生極其嚴重的破壞，這是“整”的表現。此次震害調查結果再次證明：無約束的砌體結構基本都發(fā)生了嚴重的破壞和倒塌；有合理約束的砌體結構都表現較好；約束合理且無其他結構缺陷的砌體結構表現特別好，大多完好無損。實現整而不散，則極大地提高了建筑的抗震能力。

圖9 “散”和“整”的對比Fig.9 Contrast of buildings lacking reasonable constraints and buildings with reasonable constraints

2.2 “偏”和“勻”

“偏”主要體現在不同力學行為的構件混搭。剛度大、變形能力小的構件因承受較大的地震剪力，在小變形下率先破壞，引起承重失效，結構倒塌；變形能力強的構件則尚未貢獻其最大承載力和延性，就發(fā)生了被動的破壞?！皠颉敝饕w現為各構件的力學行為接近，剛度均衡，能夠均勻分擔地震剪力，總承載力高或整體變形能力強。圖10a為磨西鎮(zhèn)底層商用民宿，橫向多道滿砌橫墻，剛度很大，縱向共3個軸線，A軸和B軸為柱，C軸為承重墻（圖10c）。承重墻剛度較大，分配較大地震剪力，在小變形時就率先發(fā)生剪切破壞（圖10b）。圖10d為磨西鎮(zhèn)一棟砌體民宿，縱向共兩道軸線，均為帶構造柱的承重墻，兩個軸線上的構件剛度較為均衡，承載力較高，且可均勻分擔地震剪力，因此沒有發(fā)生破壞。脆性構件還有一個特點，一旦開裂可能面臨破壞，但只要不破壞，則可能完好無損。從圖10d和圖10e可以看出，這個建筑沒有任何破壞。調查發(fā)現：底層平面布置與圖10c平面圖類似的建筑，均發(fā)生了不同程度的破壞；平面布置與圖10f類似的，基本上都處于完好的狀態(tài)。

圖10 “偏”和“勻”的對比Fig.10 Contrast of buildings with mix components with different mechanical behaviors“which called eccentricity”and buildings with similar mechanical behavior of each component“which called balance”

因橫向剛度較大，各軸線上構件剛度均衡，承載力較高，縱向較為薄弱，可將結構沿縱向平動時各軸線上典型特征構件本構關系示意圖在同一坐標系下表達。圖11a為圖10c中底商民宿三個軸線構件的本構關系曲線示意圖，后側軸線上帶構造柱的承重墻具有大剛度、高承載力和小變形能力，結構沿縱向運動時，C軸構件分配較大的地震剪力，率先破壞，而A軸和B軸構件在小位移下僅貢獻了極限承載力的一部分。C軸構件破壞后，結構基本失效，其余構件的延性尚未發(fā)揮出來就被動破壞了。這是具有“偏”缺陷的建筑破壞原因。圖11b為圖10f中砌體結構民宿兩個軸線構件的本構關系曲線示意圖。A、B軸均為帶構造柱的承重墻，剛度均衡，承載力高，雖然變形能力小，但這些構件的本構關系較匹配，均勻分擔地震剪力，結構總承載力較高，依靠承載力“硬抗”而使結構保持基本完好。這是“勻”的建筑具有較強抗震能力的原因。

圖11 “偏”和“勻”的構件本構關系示意圖Fig.11 Schematic diagram of constitutive relation of the components of“eccentricity”and“balance”

2.3 扭轉和平動

結構抗力的合力經過剛心，作用力的合力經過質心，剛心和質心不在同一位置時，會產生力矩。偏心距越大，矩越大。但結構是否發(fā)生扭轉破壞，還取決于抗扭轉的剛度和承載力。圖12a為磨西鎮(zhèn)位于街角的酒店，其外墻呈L型布置，有兩個鄰邊僅有框架柱。剛度大的墻柱組合構件基本沒有發(fā)生平面內的破壞，剛度小的框架柱則出現大位移破壞。圖12b為此類建筑的扭轉破壞機制，因外側L型布墻，剛心靠近剛度大的L型墻交點處，質心則靠近中心。上側構件受墻體約束平面內剛度較大，下側構件如A、B柱則不受約束可產生較大X方向位移，左側墻體無法約束A柱平面外的位移。同理，左側構件平面內剛度較大，右側構件如B、C則不受約束可產生較大Y方向位移，上側墻體也無法約束C柱平面外的位移，由此而導致扭轉的發(fā)生。這是街角酒店發(fā)生扭轉破壞的原因。而更多的臨街建筑表現出來的是沿縱向的平動（圖12c中X 方向），并沒有出現扭轉的現象，這是因為鄰街建筑通常橫墻較多，橫向（Y方向）均勻設置的墻體帶來剛度和承載力貢獻。如圖12c所示，剛心靠近縱墻所在的軸線，質心靠近中心，同樣存在力矩，但要使結構發(fā)生扭轉，A柱和B柱要產生反方向的Y方向位移，而左右兩道橫墻約束了Y方向的位移，即橫向不破壞，扭轉就難以發(fā)生，結構會首先沿著薄弱的縱向平動。因此部分街角建筑，可能會出現扭轉的破壞，即弱的構件先破壞，沿街道布置的建筑，破壞則是平動所致，即強的構件先破壞。

圖12 扭轉和平動的機制Fig.12 Mechanisms of torsional motion and translational motion

2.4 框架結構和砌體結構

砌體結構是更為傳統(tǒng)的結構體系，雖然經過技術的不斷革新，在規(guī)范中對高度和層數仍有非常嚴格的限制［9］?？蚣芙Y構是更為先進的結構體系，得到更廣泛的研究和應用。然而歷次地震震害表明，框架結構性能并沒有我們認為的那么優(yōu)越，“強柱弱梁”的梁鉸機制基本沒有在建筑震害中出現。即便主體結構沒有破壞，填充墻通常也會破壞（圖12a），一旦墻體破壞，即代表正常使用功能受損，建筑將面臨大規(guī)模修復或拆除重建。沒有設計缺陷的砌體結構，在地震中有非常好的表現（圖12b），原因在于砌體結構墻體在圈梁構造柱的約束下，具有較好的整體性，墻柱的可靠連接，使承載力較高?？朔恕吧ⅰ焙汀捌钡娜毕荩鲶w結構在地震中的表現均很好。而框架結構的填充墻與主體構件連接相對較弱，承載力不高，整體性較差，是造成填充墻大面積破壞的原因之一。有學者對兩種不同的砌筑方式進行了對比［12］，見圖13c。砌體結構和框架結構的抗震性能，仍是一個值得探討的課題。

圖13 框架結構和砌體結構的對比Fig.13 Contrast of buildings with frame structure and masonry structure

3 結論與建議

（1）在此次瀘定地震中，無抗震設防的砌體結構破壞嚴重，倒塌房屋數量眾多。缺乏合理約束，存在“散”的缺陷，構件一旦開裂，在動力作用下嚴重破壞，迅速喪失承重能力導致結構倒塌。部分建筑局部缺乏合理約束，導致局部的破壞。合理的約束能夠極大地提高結構的抗震性能。

（2）因使用功能要求，較多建筑底層需要大開間，臨街一側需要開大門洞，通常設計為底框架結構或底層框架-砌體混雜式結構，即前側為框架柱，后側為承重墻，二者混搭的體系。這就導致了首層薄弱，且存在“偏”的缺陷，剛度較大的承重墻因分擔較大地震剪力而率先破壞，導致結構失效。存在“偏”的建筑均發(fā)生了不同程度的破壞，避免了“偏”的建筑均基本完好。

（3）較多臨街建筑因設置了多道滿砌橫墻，橫向剛度大，承載力高，且剛度分布均勻，約束了橫向的變形，同時約束了扭轉的發(fā)生，結構破壞由縱向平動所致。部分街角建筑因L型設置外墻，偏心距大且無法約束扭轉，導致結構發(fā)生整體的扭轉破壞。墻體的平面分布對結構的破壞模式有很大的影響。

（4）具有合理約束，避免了“偏”的缺陷的砌體結構，在地震中表現很好，基本沒有發(fā)生破壞。相比之下，框架結構雖然倒塌率不高，但破壞率很高，以框架柱和填充墻的破壞為主，尤其是填充墻的破壞非常普遍，面臨大規(guī)模修復和拆除重建。

（5）瀘定地震震害中展示出來的結構抗震缺陷，如散、脆、偏、單等在既有建筑中還大量存在，這種現象實際上是地震風險的表現。應認真從震害中吸取教訓，仔細對照，分析城鄉(xiāng)建筑面臨的地震風險。