摘要：我國強震多發(fā)、震災嚴重，小震致災、大震巨災的狀況時有發(fā)生，而多層建筑倒塌則是造成人員傷亡的主要因素。針對這些問題，基于2008年汶川8.0級地震以來川滇地區(qū)發(fā)生的十余次6.0級以上地震震害調查資料，對比了“破壞”與“未破壞”建筑的結構形式、建筑平立面布置、抗側力構件分布及結構體系，剖析了建筑結構震害特點，總結了房屋破壞、倒塌的原因。認為在強地震中，建筑結構發(fā)生破壞及倒塌是因為其自身存在“散”“脆”“偏”“單”等抗震缺陷，其中“偏”的缺陷更為普遍。通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，墻體的約束使結構同層各抗側力構件的力學性能相差巨大，即硬脆構件和弱延構件同層并存，這有別于傳統(tǒng)抗震設計理論將同層所有構件同等對待的情況。

關鍵詞：震害調查；倒塌機理；硬脆構件；弱延構件；變形飽和；倒塌觸發(fā)點

中圖分類號：TU973+.31文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2024）04-0563-16

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0053

0前言

地震災區(qū)房屋建筑的破壞、倒塌是造成人員傷亡的最主要原因。調查建筑結構地震災害，總結經驗教訓，對提高建筑結構抗震性能和推動地震工程學科發(fā)展具有重要意義。建筑結構地震倒塌機理一直是結構抗震研究的核心課題（顧祥林等，2015；郭迅，2018）。

從2008年四川汶川8.0級地震至2022年四川瀘定6.8級地震的14年間，在我國西南地區(qū)發(fā)生了十余次強地震，造成了大量的建筑結構破壞、倒塌，不同結構體系的房屋在地震中呈現(xiàn)出的破壞模式也不盡相同。地震災區(qū)震害調查發(fā)現(xiàn)，有大量的、經過抗震設計的建筑結構也發(fā)生了破壞甚至倒塌，且一些震害現(xiàn)象也有所重復。例如，框架結構震害顯著，且底層框架砌體混合結構倒塌比例高（公茂盛等，2013；楊永強等，2014；王多智等，2018；張令心等，2019；李昆等，2021；羅若帆等，2022；謝賢鑫，2022；雷雅婷等，2022）?，F(xiàn)場震害調查還發(fā)現(xiàn)，發(fā)生破壞及倒塌的建筑結構存在“散”“脆”“偏”“單”等缺陷，其中，“偏”的缺陷最為普遍，但一直未引起研究人員的重視。

多層建筑結構是目前我國城鄉(xiāng)建設中的主要建筑類型。對于高度不超過40 m，以剪切變形為主且質量、剛度沿豎向分布較為均勻的結構，我國《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）推薦采用底部剪力法進行計算。另外，由于重力和地震剪力由上往下逐層累加，結構底層的地震剪力和豎向荷載最大，震害調查結果也顯示底層震害最重。因此本文主要分析近14年來我國地震災區(qū)建筑底層的結構平面布局、構造差異及抗側力構件特征，對比分析“壞”與“不壞”建筑的差異，根據(jù)現(xiàn)場調查得到的多層建筑震害，分析震害原因，尋找建筑結構抗震缺陷，探究建筑結構地震倒塌機理。

1建筑結構震害原因分析

自2008年四川汶川8.0級地震以來，我國地震工作者對歷年發(fā)生的破壞性地震現(xiàn)場震害作了細致的調查，對各類建筑結構震害特點進行了深入分析，認為在破壞性地震中建筑結構發(fā)生破壞及倒塌是由于其自身存在 “散”“脆”“偏”“單”等抗震缺陷所致，下面對這些缺陷引起的震害進行討論。

1.1由“散”引起的建筑結構破壞

房屋建筑中“散”的缺陷主要體現(xiàn)為結構的水平構件與豎向構件的連接不滿足要求或未進行有效連接，整體性差。我國農村地區(qū)自建的土木結構、磚木結構的震害如圖1所示。由圖1a可見，木構架與土墻無有效連接措施，且外圍各方向墻體間連接差，墻體直接由土坯砌筑，未采取加強措施；由圖1b可見，支撐屋面的檁條及椽子直接搭設在土墻上，在地震動的慣性作用下墻體開裂、外閃，導致墻倒屋塌。由圖1c、d可見，磚木結構中外圍縱橫墻間無有效連接或連接薄弱，磚墻與木構架之間無連接措施，整體性差。一般外圍磚墻無加強措施，砌筑過程中既無水平系梁也未設置構造柱，整體抗側剛度小。另外，瓦片與屋面間無固定措施，只是將瓦片壓邊疊放，易發(fā)生梭瓦破壞，砌體結構中無完善的圈梁、構造柱抗震措施?？v橫墻間無構造柱或連接薄弱，門窗洞口兩側無構造柱，樓板與梁連接不滿足要求，如圖2a～c所示。框架結構中女兒墻的預埋件未采取加強措施，填充墻與主體結構間拉結措施缺失或拉結筋不滿足要求，導致地震作用下發(fā)生破壞，如圖2d、e所示。另外，山墻高度和寬度超過規(guī)范限值，卻未采取規(guī)定的加強措施，導致剪切破壞，如圖2f所示。

1.2由“脆”引起的建筑結構破壞

房屋建筑因“脆”的缺陷引起的破壞甚至倒塌可以從以下兩個方面分析；

首先，建筑結構材料方面，土木結構的墻體采用紅泥土夯堆而起，未添加任何加筋材料；墻體下寬上窄呈梯形，無加固措施，脆性十足，如圖3a所示。磚木結構中用磚砌塊將木構架柱裹砌的磚柱，在橫向椽子支撐點處應力集中形成貫通的豎向裂縫，如圖3b所示。砌體結構中磚柱、磚墻在地震動作用下發(fā)生脆性剪切破壞，如圖3c所示。

其次，房屋建筑中因洞口的設置使墻體分割成若干段墻肢。在抗震設計中，墻體按照高寬比不同計算其抗側剛度，當高寬比小于1時只考慮剪切變形（盧存恕，1999），即地震中剪切作用為主導，形成斜裂縫或交叉裂縫，如圖3d所示?？蚣芙Y構中由于墻體的布設使框架柱計算高度變小，產生短柱效應，在地震中易發(fā)生脆性剪切破壞，如圖3e所示。常見的震害現(xiàn)象如圖3f所示，由于門窗洞口的設置形成矮墻，其變形能力差，類似“短柱”效應，易發(fā)生脆性剪切破壞。

1.3由“偏”引起的建筑結構破壞

由于墻體的布設使建筑平面內縱向各軸抗側剛度差異巨大，地震動作用下地震剪力按照關鍵構件的抗側剛度分配，地震剪力率先在剛度大、延性差的構件上集中發(fā)生破壞，而此時剛度小、延性好的構件分配的地震剪力較小，尚未發(fā)揮作用處于完好狀態(tài)（郭迅，2018；王波，2020；郭富強，2023），這就是房屋建筑中“偏”的缺陷引起建筑結構的破壞。在破壞性震中由“偏”的缺陷引起結構破壞甚至倒塌的現(xiàn)象比比皆是，如圖4所示。我國西南鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)，框架砌體混合結構大量存在，以圖4a為例，該建筑一層平面內縱向三道軸線，臨街一側軸線因使用需求大，開門洞無墻體，進深向第二、第三軸線布設墻體，在地震動作用下臨街一側的框架柱完好，而第二道軸線的墻體發(fā)生嚴重破壞。圖4b中建筑一層縱向第一、第二軸線縱向為無墻框架柱，地震中完好，進深第三軸為帶構造柱的墻體，破壞嚴重。

建筑抗震概念設計要求建筑結構布局均勻規(guī)整，體形力求簡單，選擇抗震有利的平立面，抗側力構件的剛度、強度和質量分布在空間上均衡且連續(xù)，避免薄弱層（部位），產生應力和變形集中。圖5為汶川8.0級地震災區(qū)建筑結構由沿高度方向存在“偏”的缺陷而發(fā)生破壞的情況。圖5a為一棟鋼筋混凝土框架結構，建筑一層為空曠框架柱，整棟建筑剛度、強度質量在豎向不連續(xù)底部產生薄弱層；圖5b所示建筑一層為框架，二層以上為砌體結構，豎向結構體系發(fā)生變化造成薄弱層，二層發(fā)生垮塌破壞。建筑結構豎向不規(guī)則，在地震中容易發(fā)生“層屈服”的破壞模式。

1.4由“單”引起的建筑結構破壞

房屋建筑中“單”的缺陷主要由建筑抗震設防體系單一、各構件協(xié)同工作能力差、結構贅余度不足造成。地震發(fā)生時，建筑物的某個關鍵構件發(fā)生破壞后承載力迅速降低，可能形成機構失穩(wěn)而連續(xù)倒塌破壞，如圖6a所示。砌體結構中缺失完善的圈梁構造柱抗震構造措施，也是結構“單”的表現(xiàn)。單跨多層框架結構廣泛應用于中小學教學樓、廠房；一層只有框架柱作為抗側力和承重的關鍵構件，冗余度不足，也是結構“單”的缺陷，如圖6b所示。

房屋建筑作為基礎、墻、梁、板及柱等構件的集合體，在地震中各構件間互相聯(lián)系，共同抵御地震作用。地震中建筑結構破壞甚至倒塌是由個別構件或局部構件先破壞引起的，建筑結構存在的“散”“脆”“偏”“單” 等抗震缺陷，在結構破壞中有可能是其中一個或多個缺陷導致的。例如，土木結構、磚木結構在地震中發(fā)生破壞、倒塌就是由結構的“散”“脆”的缺陷導致的，如圖1、2f、3a所示；砌體結構中砂漿強度不達標、圈梁構造柱不完善及磚柱未進行加強措施等造成的破壞是結構的“散”“脆”缺陷的綜合體現(xiàn)，如圖3c、d所示；框架結構中由填充墻的布置引起的面內剛度不均衡和框架柱的短柱效應是結構的“偏”“脆”缺陷的體現(xiàn)，如圖3e、f和圖4所示；另外，砌體結構中缺失完善的圈梁構造柱抗震構造措施，不僅是“散”的缺陷，也是“單”的表現(xiàn)。

2典型建筑“偏”缺陷震害分析

多層鋼筋混凝土框架結構和框架砌體混合結構在歷次地震中的破壞、倒塌比例較高，尤其是框架砌體混合結構?；炷烈蚱鋸姸雀摺⒖伤苄詮?、耐久性好成為建筑工程主要材料。框架結構因其空間布置靈活、自重輕、傳力途徑明確等特點成為公共建筑的首選結構體系。另外，城鎮(zhèn)地區(qū)街道兩側多層建筑以一層為商用框架結構、二層以上為民居的砌體結構為主的框架砌體混合結構居多。上節(jié)就建筑結構抗震缺陷進行了分析，但“偏”的缺陷較其他缺陷更普遍，未得到重視。本節(jié)基于實際震害進一步對“偏”的缺陷進行分析探討。筆者以這兩種結構體系為研究對象，揭示建筑結構“偏”的缺陷，解釋震害現(xiàn)象，探究其破壞原因。

2.1長寧縣雙河中學教學樓

長寧縣雙河中學位于2019年四川長寧6.0級地震極震區(qū)。雙河中學教學樓為四層鋼筋混凝土框架結構，每層的柱網布局相同，層高均為3.6 m，建筑總高度為15.1 m，建筑總面積約2 400 m2；當?shù)乜拐鹪O防烈度為Ⅶ度，設計基本地震加速度值0.1 g。該教學樓縱向三軸10跨，橫向十一軸2跨，教學樓正面、背面及一層平面圖如圖7所示。

由圖7c可知，縱向僅有3道軸線，其主要差異在于有無填充墻、洞口大小及墻體對框架柱的約束情況；Ａ軸線為無墻的框架柱；Ｂ軸線設有高窗和門洞，框架柱約束主要來自窗下墻（墻體較高）；Ｃ軸線只有窗洞，窗下填充墻和窗間墻限制框架柱的變形。橫向有8道滿砌填充墻將一層分成若干房間。結構四層平面布局相同，以剪切變形為主，且質量、剛度沿豎向分布均勻；結構抗震計算可采用底部剪力法進行簡化計算，由于結構底層所受的地震剪力最大，這里重點展示教學樓一層的震害。

正是這樣的平面布局造成建筑一層縱向各軸線抗側剛度迥然不同。由圖8a可見，雙河中學教學樓一層的Ａ軸線為無墻的框架柱，地震作用下，框架柱全高度參與變形，抗側剛度小，延性好，無損傷。

由圖8b、c可見，Ｂ軸線因洞口的布設使墻體分割成若干段，采用高窗戶且窗高度小，使窗下填充墻高度高，約束了框架柱變形，在地震作用下框架柱僅窗高部分參與變形，抗側剛度大，延性差。另外，窗下墻、門頭墻高寬比都較小，易發(fā)生剪切變形。

由圖8d、e可見，Ｃ軸線僅存在窗洞，且窗洞高度較高，使Ｃ軸框架柱參與變形的高度比Ｂ軸框架柱參與變形的高度還要高；Ｃ軸抗側剛度比軸抗側剛度大，但比Ｂ軸抗側剛度??；再者，框架柱窗高部分與兩側墻體共同受力、變形，延性介于Ａ軸與Ｂ軸之間，震害主要出現(xiàn)在窗下墻和窗間墻，破壞程度較輕。

從以上分析可知，建筑縱向因填充墻的布設、洞口的設置造成各軸抗側剛度、延性差異巨大，平面內剛度不均勻，導致建筑出現(xiàn)“偏”的缺陷。在地震作用下，地震剪力在剛度大的構件上內力集中，率先發(fā)生破壞。另外，建筑橫向存在多道滿砌橫墻，面內剛度大，限制了建筑在地震中橫向變形，使建筑以縱向平動為主，橫墻震害如圖8f所示。建筑結構橫向均勻布設滿砌填充墻，各軸剛度相近，承載能力高，而縱向只有3道軸線，且各軸剛度差異大，承載能力弱，使得縱向成為建筑的抗震薄弱向；這種縱、橫向的剛度、承載能力差異較大的情況，也是“偏”的一種體現(xiàn)。

2.2磨西鎮(zhèn)大杉樹村6組56號建筑

磨西鎮(zhèn)大杉樹村6組56號建筑位于2022年四川瀘定6.8級地震的極震區(qū)，其烈度為Ⅸ度。該建筑共3層，一層為框架砌體混合結構，二、三層為砌體結構。一層Ａ軸、Ｂ軸無墻體，框架柱作為抗側力和承重構件，Ｃ軸為帶構造柱的承重墻。建筑正面、一層3D示意如圖9所示。

現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，一層破壞嚴重，一層整體縱向側移近100 mm，二層、三層砌體結構完好，無震害。一層Ａ軸框架柱全部震損，柱端出現(xiàn)塑性鉸，部分柱端縱向鋼筋斷裂如圖10a～e所示；一層Ｂ軸部分框架柱上端混凝土掉落，鋼筋屈服，出塑性鉸；內橫墻和山墻發(fā)生面外破壞、倒塌，如圖10f～h所示；一層Ｃ軸為帶構造柱的承重墻，破壞嚴重，墻體裂縫內外貫通，上部結構下墜，基本喪失承重能力，在地震作用下建筑一層發(fā)生扭轉破壞，如圖10i～k所示。

由圖9b可知，建筑縱向3道軸線中，Ａ軸、Ｂ軸僅有框架柱，無墻體；Ｃ軸為帶構造柱的砌體墻，墻體上開設門窗洞口。首先，這種布局使得結構一層抗側剛度平面內不均衡；Ａ軸、Ｂ軸抗側剛度遠小于Ｃ軸抗側剛度，在地震作用下地震剪力在Ｃ軸高倍集中，帶構造柱的承重墻率先發(fā)生剪切破壞，喪失承重能力，上部結構下沉。其次，一層橫向墻體少，且偏一側布置，伴有扭轉破壞。這種由平面內剛度不均衡導致的破壞是建筑“偏”缺陷的體現(xiàn)。最后，建筑一層為框架砌體混合結構，抗側力構件少，二層、三層為砌體結構，墻體布置均勻。豎向墻體不對齊、不連續(xù)，造成豎向剛度、強度、質量差異大，造成底層為薄弱層，是建筑“偏”的缺陷的另一種體現(xiàn)。

3“強柱弱梁”破壞模式

20世紀70年代，基于實際震害，有學者提出鋼筋混凝土框架結構在地震中發(fā)生破壞是由于框架柱端出現(xiàn)塑性鉸，形成層屈服的破壞機制（Paulay，1981；Paulay，Priestly，1992；Park，1999），即“弱柱強梁”破壞模式。為防止結構出現(xiàn)層屈服破壞，新西蘭學者Paulay和Park提出了鋼筋混凝土框架結構抗地震倒塌的“能力設計方法”（Capacity Design），強調在地震作用下，框架梁先于框架柱出現(xiàn)塑性鉸，通過梁端塑性鉸使整個結構有大的內力重分布，讓盡可能多的結構構件參與到整體抗震當中，耗散地震能量達到抗震要求。

從2008年汶川8.0級地震至2022年瀘定6.8級地震的14年間，多次破壞性地震造成的震害表明，絕大部分鋼筋混凝土框架結構破壞發(fā)生在柱端，梁構件并未發(fā)生破壞，結構工程界期望的“強柱弱梁”的整體破壞模式未出現(xiàn)（清華大學土木結構組等，2008；葉列平等，2008；李碧雄等，2009；溫增平等，2019；郭迅，2019；Günay，Mosalam，2010；譚皓等，2012；岳茂光等，2012；閆培雷等，2014；李碧雄，2015；Dizhur et al，2016；Bal，Smyrou，2016；Barbosa et al，2017；Yépez et al，2016；Varum et al，2017；薄景山等，2018；Moya et al，2018；張令心等，2019；李昆等，2021；趙仕興等，2023）。

鋼筋混凝土框架結構“強柱弱梁”的抗震設計在地震中并未發(fā)揮作用，實際工程中的很多因素尚未在《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）所給出的公式6.2.2-1中得到充分體現(xiàn)。葉列平（2008）結合震害調查資料，從填充墻等非結構構件的影響、樓板對框架梁的影響、梁端配筋率和鋼筋強度的影響、框架柱軸壓比的限值及最小配筋率、配箍率影響等方面分析了“強柱弱梁”屈服機制在建筑結構的實際抗震中未能實現(xiàn)的原因。

汶川8.0級地震后，國內外學者汲取建筑結構現(xiàn)場震害經驗教訓，提出如下建議：應考慮墻體不同布置方式對結構抗震性能及墻對柱約束影響（郭子雄等，2010；曹家樂等，2022）；考慮樓板對結構的影響及對框架梁的加強作用（顧祥林，2012）；應考慮墻框連接方式的影響（蔣歡軍等，2014）；應減小框架柱軸壓比限值（黃思凝，2016）；應提高框架柱端彎矩增大系數(shù)（張浩，2019）；應考慮填充墻對框架結構的影響（Teguh，2017；Baghi et al，2018）；應考慮箍筋加密對承載力和變形能力的改變（張炳輝等，2019）；應考慮框架柱剪跨比對結構破壞模式的影響（范曉慶等，2019）。

通過結構抗震實踐可知，上述建議效果不理想，且“強柱弱梁”整體屈服機制未能對建筑結構震害現(xiàn)象給出合理的解釋。因此，“強柱弱梁”整體屈服機制有可能是存在不足，該機制未能實現(xiàn)的原因有：首先，不能將結構同層的抗側力和承重構件同等看待，真實建筑結構是不同力學性能的抗側力構件和豎向承重構件同層并存，共同抵抗地震作用；其次，建筑中填充墻一般直接砌筑在框架梁上，而梁上墻體對其的約束作用使梁端難以出現(xiàn)塑性變形，出現(xiàn)“弱梁不弱”的情況；最后，目前抗震理論采用結構承載力和延性的組合抵御設定的地震作用，在罕遇地震作用下，通過結構的塑性變形耗能來彌補結構承載力不足，這要求結構變形需經歷彈性階段、強化階段、塑性變形階段和失效階段；而在地震動往復作用下，結構從開裂到臨界倒塌時的變形很小，無法經歷強化階段和塑性變形階段就發(fā)生破壞倒塌（郭迅，2022）。

4“變形飽和”倒塌機理

每次破壞性地震發(fā)生后，都有大量的多層建筑破壞甚至倒塌，而“強柱弱梁”理論對結構的破壞和倒塌未能給出科學的解釋。針對這個問題，筆者所在的課題組對地震災區(qū)具有代表性的房屋建筑的震害作了現(xiàn)場調查，經過理論分析、試驗研究，提出了基于實際震害的“變形飽和”倒塌機理。

基于實際震害，以映秀鎮(zhèn)漩口中學教學樓為原型進行了振動臺倒塌試驗，通過試驗研究發(fā)現(xiàn)（王波，2020），受填充墻約束的框架柱端應變?yōu)闊o墻框架柱端應變的4倍左右，且率先發(fā)生破壞，即地震剪力在有填充墻框架柱上高倍集中，如圖11a所示的A2柱；由于滿砌橫墻的剛度影響，即便結構的剛度中心與質量中心不重合，在地震作用下結構主要沿縱向發(fā)生平動，未發(fā)生扭轉破壞。為了進一步探究墻體對框架柱力學性能的影響，開展了擬靜力試驗，研究了受墻體約束框架柱和不受墻體約束框架的本構關系，并定義了硬脆構件和弱延構件（A Lata，2022）。

從圖11b所示的各框架柱承載力-位移曲線可知，Ａ軸框架柱的本構關系曲線呈現(xiàn)高、陡、窄特征，表明該構件承載力高、剛度大、延性差，稱為硬脆構件；而Ｂ軸、Ｃ軸線框架柱的本構關系曲線呈現(xiàn)低、緩、寬特征，表明該構件承載力低、剛度小、延性好，稱為弱延構件。地震剪力按照各軸抗側剛度比例進行分配，即使側移很小時結構內力就在Ａ軸高倍集中，率先發(fā)生破壞并觸發(fā)結構倒塌；而此時Ｂ軸、Ｃ軸線豎向構件承載力和變形能力還遠未達到最大值，由Ａ軸柱的破壞、承重失效，被連帶破壞。

真實建筑結構同層是硬脆構件和弱延構件并存，在地震作用下硬脆構件上內力高倍集中，結構在較小位移下，硬脆構件率先發(fā)生脆性破壞并觸發(fā)結構倒塌。其中，硬脆構件在地震作用下結構內力集中，在較小變形下其承載能力達到極限發(fā)生脆性破壞的狀態(tài)稱為變形飽和狀態(tài)。

4.1得妥鎮(zhèn)南頭村1組7號建筑

得妥鎮(zhèn)南頭村1組7號建筑位于2022年瀘定6.8級地震的Ⅸ度區(qū)，為五層，一層破壞嚴重，二至四層基本完好。現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，建筑一層為框架砌體混合結構，上部各層為砌體結構。整棟建筑正立面和一層3D示意如圖12a、b所示。建筑一層為商用，臨街一側Ａ軸和Ｂ軸無墻，只有框架柱；Ｃ軸和Ｄ軸設有窗洞帶構造柱的承重墻，Ａ軸和Ｂ軸無墻框架柱為抗側弱延構件，Ｃ軸和Ｄ軸帶構造柱的承重墻為抗側硬脆構件。

地震作用下，建筑一層縱向Ａ軸、Ｂ軸無墻體約束框架柱全高度參與變形；Ｃ軸、Ｄ軸帶構造柱的承重墻，由于窗洞的設置，將承重墻分為若干墻段共同抵御地震作用。地震剪力在Ｃ軸、Ｄ軸墻體高倍集中，承載力達到極限值，承擔的內力是其余軸線的約6倍（圖12e、f），同時，變形達到飽和狀態(tài)發(fā)生剪切破壞，窗間墻發(fā)生交叉斜裂縫貫通內外，如圖12d所示；同層的Ｃ軸、Ｄ軸框架柱只是柱端混凝土脫落，無其他震害。從圖12c可知，建筑同層由硬脆特性顯著的墻體和弱延特性顯著的框架柱組成，震害對比鮮明。

在水平地震作用下，總剛度大的軸、軸與總剛度小的軸、軸力-變形曲線如圖12e、f所示，其中，為各軸線上構件抗力比：

Q=Q/f_v·A（1）

式中：Q為各軸線上構件承擔的水平剪力；fv為構件的抗剪強度；A為構件橫截面面積。

圖中θ為層間位移角：

θ=δ/h（2）

式中：δ為樓板側向位移；h為底層凈高。

由圖12e可見，Ｃ軸、Ｄ軸的-θ曲線又陡又高，容易快速達到飽和（圖中S點）而喪失承重能力，后因重力壓垮導致結構倒塌。由圖12f可見，Ａ軸、Ｂ軸-θ曲線又緩又低，承載力不高但延性好，不容易失效，當Ｃ軸、Ｄ軸構件被壓垮時，Ａ軸、Ｂ軸構件延性尚未發(fā)揮作用便被樓板牽連而倒塌。實際上同一層構件的剛度、延性差異過大，有些構件并未遍歷（比如Ａ軸、Ｂ軸）倒塌的3個過程（彈性變形、屈服、倒塌）。這就是“變形飽和”機制的倒塌模式，它區(qū)別于因“弱柱強梁”而導致的“層屈服”機制倒塌模式。Paulay等（1992）認為，在層屈服倒塌機制中，同一層的構件共同經歷了圖13所示的彈性變形、屈服、倒塌三個過程，這與現(xiàn)實情況是不符的。

4.2得妥鎮(zhèn)中心小學宿舍樓

得妥鎮(zhèn)中心小學宿舍樓位于2022年瀘定6.8級地震的Ⅸ度區(qū)，為4層砌體結構，宿舍樓正面如圖14a所示；地震后該建筑完好，如圖14c、d所示。現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，宿舍樓是內廊對稱布局，一層、二層以上建筑平面圖如圖15a、b所示，一層3D示意如圖14b所示。

宿舍樓縱向四道軸線，即便縱墻上設有門窗洞口，但開洞率相近，各軸線抗側剛度相近；橫向七道軸線，布局對稱，而且二至四層布置相同（圖15b），質量、剛度豎向連續(xù)。整棟建筑布置均勻規(guī)整，結構體型規(guī)則，抗側力構件的質量、剛度、強度分布均衡對稱，且具有完善的圈梁構造柱抗震措施，符合抗震概念設計原則，不存在上文指出的建筑結構抗震缺陷。

由圖15a可知，在Ａ軸、Ｄ軸上分配的地震剪力是在Ｂ軸、Ｃ軸上分配的地震剪力的2倍，各軸分配的地震剪力較均衡，在各軸抗側剛度相差也不大；地震作用較小時，各軸剪力較小，結構的變形較小，處于彈性階段；地震作用增大后，結構變形尚未達到結構破壞點，未發(fā)生明顯的破壞，且所受地震剪力小于結構的抗力，從而使結構可以抵御地震作用，如圖15c、d所示。

按照建筑結構變形飽和倒塌機理，該建筑的抗側和承重構件整體約束情況相同，同層各類構件的抗震性能相近，有效避免了內力集中，沒有構件率先達到變形飽和狀態(tài)，因此，該建筑即使處于極震區(qū)，仍然未發(fā)生任何震損。這種建筑物抗御超設防水準地震作用，依靠的不是建筑結構關鍵構件的塑性變形或延性，而是構件間內力的均衡分配。

5結論

本文通過總結建筑結構震害特點，分析了地震中發(fā)生破壞和倒塌的各類房屋建筑的結構形式、建筑平立面布置、抗側力構件分布及結構體系，認為結構破壞、倒塌是其自身存在“散”“脆”“偏”“單”等抗震缺陷，其中“偏”的缺陷較其他缺陷更普遍。揭示了建筑結構中“硬脆”構件和“弱延”構件同層并存是破壞和倒塌的主要原因，得出了以下結論：

（1）地震中建筑結構破壞甚至倒塌是由個別構件或局部構件先破壞引起的，建筑結構存在的“散”“脆”“偏”“單” 等抗震缺陷，結構破壞倒塌過程中有可能是其中一個或多個缺陷導致的。

（2）建筑結構中填充墻的布設使結構同層各抗側承重構件的力學性能截然不同，由硬脆構件和弱延構件同層并存，其中硬脆構件通常是引起結構倒塌的觸發(fā)點，這與目前傳統(tǒng)抗震設計理論將同一層所有構件同等看待，且均等抵御地震作用有著本質的不同。

（3）傳統(tǒng)抗震理論強調結構承載力和延性的組合抵御設定的地震作用。變形飽和倒塌機理強調構件間內力分配均衡，只要樓層中各抗側力構件內力均衡分配，結構就難以破壞，即具有合理約束，避免“偏”的缺陷，結構就具有很好的抗震能力。

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Abstract

Earthquakes frequently occur in China；minor earthquakes may cause disasters and major earthquakes may cause catastrophes.And the collapse of multi-storey buildings is a major factor causing the loss of life.Aiming at these problems，and based on the earthquake damage data from the field investigation of a dozen of devastate earthquakes（M≥6.0）that have occurred in Sichuan and Yunnan since the 2008 Wenchuan MS8.0 earthquake，this paper firstly compares the structural forms，plan and facade arrangement of buildings，distribution of lateral components，and structural system of the “damaged” and the “undamaged” buildings，then analyzes the seismic damage characteristics of the structures，and finally summarizes the causes of the buildings damage and collapse.It is believed that in the strong-earthquake event，the damage and collapse of the buildings are due to their own aseismic defects such as “dispersion”，“brittleness”，“eccentricity”，“singleness”.Among these defects，“eccentricity” in buildings is more common.Through the experimental research，it is found that the constraint of walls makes the mechanical properties of the lateral components of the same level of a building vary greatly，that is，the hard and brittle components and the weakly-extended components coexist on the same floor of a building.This is different from the traditional seismic design theory，which equally treats all components on the same floor of buildings.Finally，this paper analyzes the “eccentricity” defect of the damaged buildings in these over ten earthquake disasters，and proposes the Deformation Saturation theory that can more reasonably explain the damage and collapse of the buildings in earthquake disaster areas.

Keywords：earthquake damage investigation；collapse mechanism；hard brittle component；weakly extended component；deformation saturation；collapse trigger point