汶川地震建筑震害分析

建筑结构学报/JournalofBuildingStructures,2008,29(4):1-9汶川地震建筑震害分析清华大学土木结构组，西南交通大学土木结构组，北京交通大学土木结构组摘要：2008年5月12日四川汶川发生8.0级地震，地震造成了大量建筑的倒塌和损坏，给人民的生命和财产带来了巨大的损失。本文汇总了清华大学、西南交通大学和北京交通大学土木结构组在四川地震主要灾区所调查的建筑震害资料，根据建筑的结构类别、建造年代、地震区估计烈度和使用功能进行了统计整理。结合典型工程震害案例，分析了此次地震中的建筑震害特点，总结了一些经验和教训。关键词：汶川地震震害分析震害案例1引言2008年5月12日14时28分，四川汶川县发生里氏8.0级地震，震中位于汶川县映秀镇（纬度31.0°N、经度103.4°E），震源深度14km。汶川地震是我国自建国以来最为强烈的一次地震，直接严重受灾地区达10万平方公里，包括震中50km范围内的县城和200km范围内的大中城市。全国大部分地区有明显震感，泰国首都曼谷，越南首都河内，菲律宾、日本等地也有震感。截至6月14日，地震已造成69170人遇难，17428人失踪，374159人受伤，4624万人受灾。地震发生后，清华大学立即组织了相关专业的专家赶赴四川协助抗震救灾，并会同西南交通大学和北京交通大学土木结构有关专家，先后分三批开展建筑震害调查，广州建筑质检站专家也提供了相关建筑震害安全检查的数据。本文汇总了有关建筑震害调查资料，根据建筑的结构类别、建造年代、地震区估计烈度和使用功能，对建筑震害情况进行了初步统计，分析了此次地震的建筑震害特点。在此基础上，对我国建筑抗震现状进行了初步评价，并提出了有关建议。2建筑震害等级划分本次建筑结构专家赴四川协助抗震救灾主要工作是进行房屋建筑震后安全检查。根据当地有关部门要求，按震后建筑结构的破坏程度被分为四个等级：（1）可以使用，即结构的承重结构基本保持完好，少量非结构构件损伤，继续使用不会引起承重结构的破坏，损伤的非结构构件不会造成对生命和财产的威胁；（2）加固后使用，即承重结构发生一定的损伤，部分非结构构件破坏，继续使用可能将会引起承重结构的损伤加大，或是剩余的非结构构件不稳定，对生命和财产产生威胁；（3）停止使用，即承重结构发生严重损伤，仅能保持自身结构稳定，不能继续使用；（4）立即拆除，即承重结构发生非常严重的损伤，随时可能发生倒塌。另外，也有一些地区要求将建筑物损伤程度分为三个或五个等级的。尽管以上震后建筑结构破坏程度等级划分标准与建设部1990颁布的《建筑地震破坏等级划分标准》不一致，但考虑到本次地震灾区建筑安全检查的实际情况，本文建筑震害调查统计仍根据“可以使用、加固后使用、停止使用、立即拆除”四个等级来进行，并将震区建筑破坏程度按照结构形式、建造年代、震区估计烈度和使用功能进行分类统计整理，对研究震害成因和今后制定抗震设防标准具有重要的参考价值。3各类结构形式的震害3.1砌体－木屋架结构建筑结构学报/JournalofBuildingStructures,2008,29(4):1-9由于木材可以就地取材，砌体使用较少，这种结构的造价非常低，在村镇多采用这种结构作为简易厂房、仓库等。但是这种结构的砌体墙和砌体柱强度不高，且大多年代较长，在地震中容易发生屋面破坏和局部倒塌，见图1。安县某厂房蓥华镇自建住宅红白镇中学单层教室图1砌体-木屋架结构的震害3.2砖混结构地震区村镇的住宅、教学楼，城市的一些旧的居民楼、办公楼、小型厂房多采用砖混结构。这类结构在地震区数量最多，震害也比较严重，比较典型的破坏形式有：结构抗震体系单薄，未设置构造柱，也有未设置圈梁，预制楼板未拉结。图2为砌体结构震害情况。当合理设置构造柱和圈梁，砖混结构也能有效抵御地震破坏，在震害调查中也发现基本没有受到破坏的砖混结构。因此，对于砌体结构，如何保证结构的整体性和侧向承载力是抗震设计的关键。南坝镇小学教学楼垮塌汉旺镇铁路货运站宿舍楼倒塌蓥华中学教学楼右段倒塌（左段为框架结构）江油花园路初级中学教学楼纵向承重墙和砖柱严重破坏雁门中心小学教学楼预制板拉结不足导致破坏安县合理设置构造柱和圈梁的砌体结构图2砖混结构的震害3.3框架－砌体混合结构这类结构形式有多种，如底框砖混结构（底部框架－上部砖混，竖向混合），底层部分框架、部分砌体－上部砖混，以及部分框架－部分砖混（水平混合）。这类结构的体系大多比较混乱，由于经济原因，大多尽可能少用混凝土框架，框架和砌体承重墙抗侧力构件的承载力和变形能力很不协调，平面抗侧刚度极不均匀。这类结构的震害主要有：底部框架由于变形集中而破坏，或上部砌体结构破坏。图3为框架－砌体混合结构的震害情况。建筑结构学报/JournalofBuildingStructures,2008,29(4):1-9红白镇底框砖混加油站剑南春集团框架-砖混办公楼（水平混合）都江堰魁光街底框砖混建筑震害图3框架－砌体混合结构3.4框架结构本次地震中，大多数框架结构的主体结构震害一般较轻，主要破坏发生在围护结构和填充墙，尤其是圆形填充墙的破坏较重（见图12）。这类破坏仍然会造成严重的生命和财产损失，且震后的修复工作量很大和费用很高。个别因施工质量很差、结构布置过于复杂的框架结构也发生严重破坏，甚至倒塌。此外，由于楼板的增强作用、建筑需要在框架梁上增加砌体、或填充墙的增强作用、或增大上部结构的刚度，使得框架梁或屋盖的实际刚度增大，在实际框架结构震害中，很少看到“强柱弱梁”型破坏。图5为框架结构震害情况。此外，还有错层结构造成短柱剪切破坏，异形柱端破坏。都江堰填充墙发生破坏都江堰某住宅小区框架结构倒塌都江堰某住宅小区框架结构底层破坏都江堰某住宅小区框架结构倒塌（屋顶结构太重）都江堰某公共建筑框架结构局部垮塌南坝镇-强梁弱柱导致柱顶产生塑性铰建筑结构学报/JournalofBuildingStructures,2008,29(4):1-9错层造成短柱剪切破坏异形柱端破坏图4框架结构的震害情况3.5框架－剪力墙（核心筒）结构本次地震中，框架－剪力墙（核心筒）结构，由于具有较大的抗震刚度和承载力，显示出了优越的抗震性能，尤其是与统一地区的框架结构相比，框架－剪力墙（核心筒）结构的非结构构件的损坏要轻很多。图5为绵阳新益大厦，在地震中仅少数围护结构产生细微裂缝。值得注意的是，框架－剪力墙（核心筒）结构主要在成都和绵阳等大城市才有采用，而这些城市在本次地震中的烈度并不高。因此，框架－剪力墙（核心筒）结构的抗大震性能在这次地震中没有表现出来。图6绵阳新益大厦（承重结构没有损坏，少量围护结构有一些细小裂纹）3.6轻钢结构(屋面)/钢桁架拱由于自重较轻和强度较大，钢结构抵御地震的能力比较强，震害比较轻，主要发生在维护结构。图7为绵阳九洲体育馆，其主体结构和支座均无明显损伤，仅在围护结构和钢结构的结合处有轻微碰撞破坏。图8为江油县体育馆，主体结构轻微损伤，网架结构无明显损伤，网架结构支座松动严重。图7绵阳九洲体育馆图8江油体育馆3.7其它震害建筑结构学报/JournalofBuildingStructures,2008,29(4):1-9其它震害情况还有伸缩缝处碰撞（图9）、鞭稍效应造成顶部突出物结构破坏（图10）、装饰构件破坏（图11）、圆形填充墙破坏（图12）。绵阳某酒店汶川某教学楼图9伸缩缝处碰撞破坏都江堰某公共建筑都江堰公安局图10鞭稍效应造成顶部突出物结构破坏图11装饰构件破坏绵阳科技馆剑南春办公楼汉旺某办公楼图12圆形填充墙破坏4震害情况统计4.1按结构形式各类结构形式建筑的震害情况统计如表1所示。震区大量应用的砌体结构、砌体－框架混合结构和框架结构的不同震害程度的对比见图13。破坏程度严重而应立即拆除和停止使用所占的比例来看，不建筑结构学报/JournalofBuildingStructures,2008,29(4):1-9同结构形式的抗震性能按以下顺序依次增强：砌体结构——砌体－框架混合结构——框架结构——框架－剪力墙（核心筒）结构/钢结构。除了各类结构本身抗震性能的差别以外，结构体系和施工质量的离散程度也对结构的抗震性能有一定的影响。比如各种砌体结构，建造随意，有时没有进行设计，很多情况是结构体系不清楚，因此结构的抗震性能难以把握，破坏情况也多种多样，可能是砌体墙剪切破坏或砂浆强度不足错动剪切破坏，也可能是楼板拉结破坏和砌体墙的倾覆破坏。而框架结构、框架-剪力墙结构和钢结构，大多情况下结构体系的传力路径比较清晰，施工工艺先进，容易保证质量，结构的抗震性能能够比较准确的预测和设计。这类结构如发生严重震害，大多是由于施工质量问题或严重结构不规则造成。表1建筑震害情况统计（按结构形式分类）可以使用加固后使用停止使用立即拆除砌体-木架屋顶结构0(0%)2(67%)0(0%)1(33%)砌体结构36(22%)59(36%)27(17%)40(25%)砌体-框架混合结构17(61%)5(18%)4(14%)2(7%)框架结构63(60%)34(32%)8(8%)0(0%)框架-剪力墙(核心筒)结构5(72%)1(14%)1(14%)0(0%)轻钢结构(屋面)/钢桁架拱3(50%)3(50%)0(0%)0(0%)22%36%17%25%61%18%14%7%60%32%8%0%0%10%20%30%40%50%60%70%可以使用加固后使用停止使用立即拆除砌体结构砌体框架混合结构框架结构图13砌体结构、砌体框架混合结构和框架结构震害情况对比4.2按建造年代建造年代对结构破坏程度的影响有两方面：使用年限的长短和设计规范的不同。将建筑震害情况按照各版本抗震设计规范的实施年份划分，得到表2和图14所示的震害情况统计。由于78年以前的建筑现存较少，而且78版抗震规范条文比较简单，在比较中不再列出。可以发现1979年-1988年之间的建筑结构破坏的情况最严重，其原因主要是，使用年限较长；当时经济水平较低，大多数房屋以砌体结构为主，而砌体结构本身的抗震性能相对于其他结构较弱；设计规范的安全储备水平较低。表2建筑震害情况统计（按建造年代分类）建造年代可以使用加固后使用停止使用立即拆除-19783(30%)3(30%)3(30%)1(10%)1979-198821(22%)40(42%)7(7%)27(28%)1989-200134(47%)19(26%)11(15%)8(11%)2002-29(55%)19(36%)4(8%)1(2%)不详39(51%)22(28%)10(13%)6(8%)建筑结构学报/JournalofBuildingStructures,2008,29(4):1-922%42%7%28%47%26%15%11%55%36%8%2%0%10%20%30%40%50%60%可以使用加固后使用停止使用立即拆除1979-19881989-20012002-图14不同年代建造的建筑震害情况对比比较抗震设计规范TJ11-78[1]、GBJ11-89[2]、GB50011-2001[3]可以发现，自1976年唐山地震以来，我国加强了对工程结构抗震领域的研究，使得抗震设计规范逐渐完善，在抗震设计中考虑的内容越来越全面，如表3。同时，随着经济水平的提高，对建筑抗震设计要求也越来越高，以同期的混凝土结构规范为例[4]-[7]，结构的设计安全水平和安全储备从74规范以后逐渐提高，如表4所示。而74规范的安全水平和安全储备之所以最低，正是受当时经济水平所限。由此可见，抗震水平也是国家经济水平的反映。表3抗震设计规范的内容比较TJ11-78[1]GBJ11-89[2]GB50011-2001[3]概念设计要求非常简单简单较为详细场地和地基简单的场地土要求；验算地基土容许承载力；判别是否是液化土。场地和土的类型划分；较为详细的分类地基土承载力验算；判别液化土的液化程度，分别提出对应抗液化措施。增加对断裂带的要求；对桩基的抗震要求；其余同左。地震荷载计算仅考虑水平方向的底部剪力法和振型分解反应谱法。考虑扭转和竖向地