汶川地震主要建筑物震害调查及思考
汶川地震主要建筑物震害调查及思考
郑怡;张耀庭
【摘 要】5·12汶川大地震后,我院课题组成员去部分重灾区进行了实地考察.在查阅相关文献的基础上,对汶川大地震中各类主要建筑物的震害及原因进行了归纳和总结,分别对砌体结构、框架结构、框架-砌体混合结构、钢结构、古建筑等五种结构形式在地震中的表现及震害进行了介绍,并对楼梯间的震害进行了重点分析.
【期刊名称】《土木工程与管理学报》
【年(卷),期】2009(026)002
【总页数】5页(P95-98,102)
【关键词】震害;砌体结构;框架结构;框架-砌体混合结构;钢结构;古建筑;楼梯间
【作 者】郑怡;张耀庭
6级地震严重吗
【作者单位】华中科技大学土木工程与力学学院,湖北,武汉,430074;华中科技大学控制结构湖北省重点实验室,湖北,武汉,430074;华中科技大学土木工程与力学学院,湖北,武汉,430074;华中科技大学控制结构湖北省重点实验室,湖北,武汉,430074
【正文语种】中 文
【中图分类】TU312+.3
2008年5月12日，在我国四川省发生了里氏8.0级地震，震中位于四川省汶川县映秀镇(北纬31.0度，东经103.4度)，这是我国建国以来发生的最大一次内陆地震。引发地震的龙门山断裂为逆冲右旋走滑断层，主震断裂长度185 km,余震为300 km；震源深度14 km；烈度分布在6～11度。截至7月中旬，直接遇难人数是69197人，失踪18341人，直接经济损失8451亿元人民币。这次大地震发生在龙门山的主断裂上，位于我国南北地震带的中段，经国家汶川地震专家委员会的调查研究初步认为：在印度板块总体向北东方向的作用下，青藏高原东缘沿龙门山构造带向东挤压，并受到四川盆地的推挡，促使巨大的能量在龙门山映秀-北川地带突然释放，引发大地震。在地震过后，我们深入灾区进行调查研究，对灾区主要结构形式的震害进行了总结与分析，并提出了有待进一步思考和关注的问题。
1 砌体结构震害分析
1.1 砌体-木屋架结构
由于木材可以就地取材，造价很低，多为经济比较落后的村镇采用，大多是自建房屋且年代相对较久远[1]，没有采取抗震措施，所以在地震中很容易发生屋面破坏和局部倒塌，见图1。
图1 砌体-木屋架结构的震害
1.2 砖混结构
各受灾地区的实际烈度都超过了设防烈度，有的地区甚至达到了11度。而地震灾区砖混结构的数量最多，震害也相当严重。在北川、汉旺、映秀、红白镇等高烈度区90%以上的砖混结构倒塌或严重破坏。在中烈度区砖混结构部分房屋倒塌，多数严重破坏或中度破坏。在绵阳等较低烈度区砖混结构少数严重破坏或中等破坏，多数为轻微破坏或基本完好；成都等地以完好或轻微破坏为主，一些老旧砖房的墙体有破坏或局部倒塌[2，3]。
砖混结构的典型震害特征如下：
(1)斜裂缝。包括窗间墙上的斜裂缝、“X”形裂缝(图2)、门窗洞口附近的斜裂缝(图3)以及梁下承重墙的斜裂缝。震害原因分析：在水平地震作用下，与水平地震作用走向大体一致的墙体，会因为墙体的主拉应力强度达到限制而产生斜裂缝，由于地震的反复作用，便会形成“X”形裂缝；门窗洞口对连续性墙体有一定的削弱作用，所以这些裂缝多出现在窗间墙和门窗洞口附近；另外，由于没有设置垫块或垫梁，梁向承重墙体传递压力沿着刚性角分布，地震作用下刚性角范围内外墙体变形不一致，产生由梁侧向窗洞延伸的斜裂缝；此外，地震作用下，软弱地基的不均匀沉降也会使房屋产生斜裂缝。
图2 “X”形裂缝
图3 门窗洞口附近的斜裂缝
(2)水平裂缝。水平裂缝一般出现在纵墙墙体的窗间墙上下端、墙体与圈梁、门窗过梁、基础的交界处和楼盖高度处。震害原因分析：前者往往是由于横墙间距过大，楼盖刚度较差，不能把楼盖受到的横向水平地震作用全部传给横墙，从而增大了纵墙承受的横向水平地震作用，使纵墙在平面外受弯开裂。后者的发生多数是因为墙体与圈梁、门窗过梁、基础、楼盖连接较差，在地震作用下不能整体运动而造成，见图4。
图4 门洞上端的水平裂缝
(3)竖向裂缝。一般出现在构造柱与墙体交接处，或应力较集中的纵横墙交接处。震害原因分析：由于构造柱与墙体为两种不同材料，而且在施工过程中缺乏足够的拉接钢筋，两种构件的交接处在地震作用下会产生竖向裂缝；横墙在与其垂直的地震作用下外闪，在墙体交接处同样会产生竖向裂缝，见图5。
图5 构造柱与墙体交接处竖向裂缝
图6 鞭梢效应
(4)结构顶部“鞭梢效应”，局部层数较高的房屋出现严重破坏。震害原因分析：随着高度增加，顶部结构在水平地震作用下振幅增大，而且局部突出部分的刚度和重量突然变小，相对于一个突然削弱的薄弱层，导致突出部分地震反应加剧，破坏也较严重，见图6。
(5)窗间墙压溃。多层砌体房屋中，过窄的承重窗间墙被压，破坏严重。震害原因分析：由于承重窗间墙较窄，有效受压面积过小，在地震作用时首先破坏，甚至引起上部构件的倒塌，危及整个房屋的安全，见图7。
图7 窗间墙压溃
对一些倒塌的砖混结构建筑调查发现，倒塌的原因主要为两点，一是结构形式不合理，如教学楼大多采用纵墙承重、大开间、大窗口、外挑走廊；二是抗震构造措施严重不足，如预制板无拉结，端部的胡子筋全被打成直角，而且无构造柱或没有圈梁。然而震害调查[4]同时发现，一些按规范认真设计、结构形式和抗震构造措施合理的砖混结构房屋，抗震性能满足设防要求。
2 框架结构震害分析
本次地震中，大多数框架结构的主体结构震害较轻，但也有一些比较典型的震害。
(1)框架梁柱节点区出现塑性角，特别是柱端出现塑性铰，而设计期望发生的“梁铰”基本没有出现(图8)。造成的这种情况的主要原因包括[4]：框架梁跨度过大使得截面尺寸增大、框架梁上有填充墙使得框架梁刚度增大、楼板对框架梁的刚度及承载力的贡献，这些因素导致框架梁的刚度和承载力高于计算值；规范对框架柱的轴压比限值过高使得框架柱的截面尺寸偏小，导致柱及节点承载力偏小。
(2)维护结构和填充墙破坏严重(图9)，交叉斜裂缝和梁柱连接部位裂缝显著，严重的出现了崩裂、掉落现象，维护墙体和梁柱连接处薄弱，维修费用较高，并造成部分楼外众伤亡；总体上若填充墙严重破坏，梁柱节点均有裂缝出现[5]。
图8 强梁弱柱
图9 填充墙的破坏
3 框架—砌体混合结构震害分析
这类混合结构大致分为竖向混合结构和水平混合结构两类。竖向混合结构主要是底部框架—上部砖混结构，水平混合结构包括部分框架—部分砖混结构。
3.1 竖向混合结构
主要介绍底层为框架上层为砖混的底框砖混结构。底框砖混结构的底层框架刚度远远小于上部的砖混结构，地震作用下底层框架变形集中、损伤严重，成为整个结构的软弱层，使结构发生局部破坏甚至倒塌。地震区有很多这种房屋的底层框架柱端出现柱铰导致底层框架倾斜，甚至底层完全被压垮，见图10。
3.2 水平混合结构
框架—砌体水平混合结构，由于结构体系混乱，在地震作用下框架和砌体承重墙抗侧力构件的刚度和变形能力不协调，极易导致严重破坏，见图11。
图10 底框结构的破坏
图11 水平混合结构的破坏
4 钢结构震害分析
灾区钢结构建筑比较少，主要是工业厂房。钢结构的震害分轻钢结构和一般钢结构。
4.1 轻钢结构
一些轻钢结构支承的采光顶基本完好，受地震影响不大。
4.2 一般钢结构
厂房钢屋架这次遭受地震烈度一般不超过10度[2]，抗震性能良好，没有明显震害，但屋盖
支撑和柱间支撑屈曲失稳的较多。
5 古建筑震害分析
我国古建筑内涵丰富、种类众多。以建筑材料为依据分类，可将古建筑分为木结构和砖石结构两大类；按古建筑的文物功能来分，有宫殿、寺庙、宝塔、民居等。本文重点介绍砖石古塔的震害。砖石古塔因其结构高、自重大，对地震作用敏感，在此次地震中受损严重[6]。主要震害如下：
(1)塔基震陷、塔体倾斜。砖石古塔的自重大，对地基的变形较敏感。当古塔建于山丘坡地上且基础填平层薄厚不均时，地基在地震作用下易产生不均匀沉降并导致塔体倾斜；此外，古塔位于河岸湖边，场地有液化土层且液化层面向河心倾斜时，也易发生地基震陷，并导致塔体倾斜。
(2)塔体震裂、竖向错动。砖石砌体因抗拉强度低，在地震作用产生的拉力下易开裂。对各层门洞在同一方位成串设置的古塔，其上下层门洞之间墙体为受力薄弱部分，在地震作用下，易产生剪切变形并导致竖向劈裂。

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