汶川大地震帶給建筑防震設(shè)計(jì)的思考

陳曉敏

摘要：5·12汶川大地震是1949年新中國建國以來最嚴(yán)重的災(zāi)難之一。道路、橋梁、隧涵、城鎮(zhèn)、學(xué)校、房屋、通信等基礎(chǔ)設(shè)施損毀嚴(yán)重。估計(jì)直接經(jīng)濟(jì)損失可迭1500億元人民幣。震后政府管理部門、科研單位，設(shè)計(jì)單位和施工單位迅速組織抗震防災(zāi)專家組進(jìn)行震后調(diào)查。本文對此洗地震造成災(zāi)難性后果的原因進(jìn)行了分析，并建議汲取日本具有豐富抗震經(jīng)驗(yàn)國家的做法，推動我國抗震建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范的修訂和完善工作。

關(guān)鍵詞：汶川地震抗震設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)

2008年8月28至29日，“汶川地震建筑震害分析與重建研討會”在北京舉行，會議總結(jié)汶川地震中的建筑結(jié)構(gòu)震害，為地震災(zāi)區(qū)重建的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)、抗震鑒定和抗震加固提供參考，并對我國建筑抗震技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的修訂提出建議。

汶川大地震造成了重大的人員傷亡及財(cái)物損失，房屋損毀嚴(yán)重，汶川縣八個(gè)鎮(zhèn)被夷為平地，大多數(shù)人也是因?yàn)榉课莸顾鲭y。這次重大災(zāi)難，再次引起人們對房屋結(jié)構(gòu)安全、抗震性能等問題的廣泛關(guān)注。

一、房屋倒塌因設(shè)防度太低

汶川地震中倒塌的房屋數(shù)量之多，超過了想象。2009年5月7日，在四川省舉行的“5·12”抗震救災(zāi)周年新聞發(fā)布會第一場會議上，四川省建設(shè)廳廳長楊洪波談到，地震后，四川省組織了相關(guān)專家和工程技術(shù)人員前后共計(jì)2500余人次，持續(xù)時(shí)間達(dá)兩個(gè)多月，深入災(zāi)區(qū)開展地震震害調(diào)查、房屋安全應(yīng)急評估、專項(xiàng)房屋結(jié)構(gòu)技術(shù)鑒定和技術(shù)人員培訓(xùn)等工作，掌握了較豐富的房屋震害第一手調(diào)查評估資料。專家組的結(jié)論是本次地震的實(shí)際烈度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于房屋抗震設(shè)防烈度，這是包括學(xué)校校舍等在內(nèi)的公共建筑倒塌的主要原因。

震級代表一次地震釋放能量的大小。裂度是反映地震破壞度的參數(shù)，通常6度以下的地震裂度不會造成大的破壞，7度以上則會造成破壞。地震的最高裂度數(shù)據(jù)是12度。一般來說，震級越強(qiáng)，裂度越大。中國曾先后在1989年、2001年、2003年頒布過建筑抗震規(guī)劃條例，各地建筑抗震的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)有所不同。

汶川當(dāng)?shù)氐脑O(shè)防裂度是七度，7．8級地震在當(dāng)?shù)叵喈?dāng)于裂度9度到10度，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)?shù)卦O(shè)防的裂度了。按照7度設(shè)計(jì)的房屋，面對9度以上的毀滅性地震，很多房屋倒塌是無法避免的。當(dāng)?shù)亟虒W(xué)樓、醫(yī)院這類公共建筑的抗震標(biāo)準(zhǔn)也都沒有達(dá)到抗震8級，即設(shè)防度超過9。四川大地震倒塌房屋眾多的主要原因是因?yàn)樵O(shè)防度太低。據(jù)了解，雖然中國大部分城市是按照7度設(shè)防烈度進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但對于政府機(jī)構(gòu)、醫(yī)院、學(xué)校、電站、車站等重要公共建筑、生命線工程都要提高1-2度設(shè)防。

二、房屋本身結(jié)構(gòu)類型和建筑形式的原因

不同的房屋結(jié)構(gòu)類型和建筑形式，在這次地震中體現(xiàn)出震害明顯不同。磚混結(jié)構(gòu)的建筑震害最為嚴(yán)重，抗震性能弱，還有九十年代中期以前預(yù)制空心樓板中大量使用冷拔低碳鋼絲構(gòu)件的房屋，以及在農(nóng)村建房中大量使用“干打壘”等土筑墻形式，用泥、砂或糯米漿為主要粘結(jié)材料的房屋，其整體性和抗震性均差，在這次地震中震害嚴(yán)重，倒塌較多。另外，學(xué)校也存在抗震方面的幾個(gè)先天缺陷：一是房間大。躲到衛(wèi)生間等場所是地震發(fā)生時(shí)的一條逃生原則，原因就在于空間狹小、有墻面支撐，墻的面積大抗震能力就強(qiáng)。但學(xué)校教室、活動室等場所空間都比較大，相對而言墻的面積就小。二是窗戶大。教學(xué)需要良好的光線，采光使用大面積的窗戶設(shè)計(jì)，相應(yīng)地使得墻的面積大大縮減。三是走廊設(shè)計(jì)。一般學(xué)校都采用單面、外廊的走廊設(shè)計(jì)，多由柱子支撐，如果教室兩邊都是走廊，在縱向上一間教室就只有前后的兩面墻抗震，兩邊柱子的作用則很弱。

三、對非承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件隔墻抗震性能的忽視

從地震造成的幾種破壞形式來分析。一是建筑平面質(zhì)量中心和剛度中心不重合，沒在同一豎線上，建筑在地震作用下，整體扭轉(zhuǎn)破壞，甚至倒塌?？拐鹨蠼ㄖ魤ζ矫娌贾镁鶆?qū)ΨQ(成為規(guī)則建筑)，質(zhì)量中心和剛度重合，且處于同一豎線上。但建筑功能和需求和抗震要求經(jīng)常會發(fā)生矛盾，建筑隔墻平面布置不均勻、不對稱(形成不規(guī)則建筑)。二是震害發(fā)生原因是建筑剛性隔墻上下布置不連續(xù)，出現(xiàn)薄弱層導(dǎo)致剛度突變。在地震作用下建筑薄弱層柱子承受了較大的豎向荷載，出現(xiàn)塑性變形后產(chǎn)生較大位移，從而加速柱子的破壞，造成整棟房屋倒塌?？拐鹨蠼ㄖ傂愿魤?yīng)上下均勻，避免出現(xiàn)薄弱層。三是局部的墻體與柱子的剛性連接，對柱子形成約束，地震時(shí)，支撐樓層的柱子發(fā)生脆性短柱破壞，會造成樓層突然倒塌，短柱破壞部分通常在門窗洞口處。四是砌塊類隔墻剛度大，變形能力差，無法與主體結(jié)構(gòu)層間變形協(xié)調(diào)?？拐鹨髩w與主體結(jié)構(gòu)應(yīng)有可靠地拉結(jié)，應(yīng)能適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)不同方向的層間位移。此外，磚墻、砌塊填充墻還會對結(jié)構(gòu)本身造成損害。因?yàn)榇u墻、砌體填充墻的剛度大，在地震時(shí)會對梁柱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擠壓作用，承重結(jié)構(gòu)的混凝土破裂，就可能導(dǎo)致房屋倒塌。解決這些問題，可以采用結(jié)構(gòu)自重輕、柔性好的，可迅速吸收和消散地震產(chǎn)生的能量的輕質(zhì)材料作為隔墻。

四、可借鑒地震防災(zāi)減災(zāi)具有豐富經(jīng)驗(yàn)國家的做法

日本是地震多發(fā)國家，人口密度高，防災(zāi)已經(jīng)成了日本人日常生活的一部分，他們對于地震防災(zāi)減災(zāi)具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。從阪神地震后，日本從地震中汲取教訓(xùn)，在建筑抗震規(guī)范和建筑抗震設(shè)計(jì)上都取得了新的進(jìn)展。

日本強(qiáng)制執(zhí)行的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)包括下面幾類：建筑法、建筑令、建筑規(guī)準(zhǔn)、官方備忘錄。此外，還有大批與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和指南?！督ㄖ鶞?zhǔn)法》(BSL)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工相關(guān)的最基本的法律。

1950年，日本推出二戰(zhàn)后的第一部《建筑基準(zhǔn)法》。其間被數(shù)次修訂，1981年進(jìn)行了較大的修改，規(guī)定了兩階段抗震設(shè)計(jì)方法。第一階段設(shè)計(jì)，建筑結(jié)構(gòu)在小震與中震作用下應(yīng)保持彈性；第二階段設(shè)計(jì)，在大震作用下建筑結(jié)構(gòu)的某些構(gòu)件可以屈服進(jìn)入彈塑性。第一階段設(shè)計(jì)符合“沒有或只有非常有限的破壞”以確保繼續(xù)使用，第二階段設(shè)計(jì)符合“防倒塌”以確保生命安全。2000年，日本修訂了《建筑基本法》，使其更基于性能，它給出了破壞極限與生命安全兩種極限狀態(tài)。前者的目標(biāo)是在中震(50年重現(xiàn)期)作用下結(jié)構(gòu)只發(fā)生有限的破壞，從而使結(jié)構(gòu)整體在地震作用下不會喪失其最初設(shè)計(jì)的性能：后者的目標(biāo)是防止結(jié)構(gòu)在預(yù)期的大震(500年重現(xiàn)期)作用下發(fā)生局部或完全倒塌以保護(hù)生命。

兩種極限狀態(tài)與1981的BSL中的兩階段設(shè)計(jì)一致，但仍有兩個(gè)明顯不同的特征：第一，工程基巖上給出的加速度反應(yīng)譜明確考慮了場地土的特性與土——結(jié)構(gòu)的相互作用。第二，明確地考慮了承載力與變形。依照這兩個(gè)特征，2000的BSL有利于推動靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鼓勵新型建筑材料、結(jié)構(gòu)部件與建筑技術(shù)的發(fā)展。

其一，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑的影響。在阪神地震中，許多鋼筋混凝土建筑在首層或是中間層發(fā)生了薄弱層破壞。承載力沿高度分布不合理，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)較差，都被認(rèn)為是造成破壞的原因。1981的BSL明確地考慮了側(cè)向剛度沿高度的分布，對于剛度較小的層，要求在原來剛度的基礎(chǔ)上多加50％。有薄弱層的新建筑物的破壞暴露了規(guī)范的不足。為回應(yīng)這種嚴(yán)重破壞，相關(guān)的規(guī)范條款于震后一年內(nèi)就作出了修訂，而且此類建筑物底層柱的承載力增加了一倍。

其二，對鋼結(jié)構(gòu)建筑的影Ⅱ自。在日本，鋼是一種應(yīng)用十分廣泛的建筑材料。由于新舊鋼結(jié)構(gòu)使用的抗震規(guī)范與建筑技術(shù)不同，在阪神地震中兩者破壞的嚴(yán)重性形成鮮明的對比。許多倒塌的建筑都是2-5層的老式鋼結(jié)構(gòu)建筑物，而新式鋼結(jié)構(gòu)建筑物卻沒有發(fā)生倒塌。這些破壞包括梁柱抗彎連接點(diǎn)焊接處的脆性斷裂、斜撐的嚴(yán)重屈曲與破壞以及螺栓的破壞。日本則重視材料韌性與連接節(jié)點(diǎn)來減小連接處的應(yīng)力集中，如采用無焊檢查孔連接。

其三，對鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)建筑的影響。從20世紀(jì)50年代中期開始，鋼骨混凝土SRC結(jié)構(gòu)在日本的大型建筑物中得到廣泛的使用。阪神地震中，相當(dāng)多的建于上世紀(jì)60年代與70年代的建筑物的中間層倒塌破壞。在很多情況下，倒塌層由sRC柱變成RC柱。柱的承載力突變是中間層倒塌的主要原因。SRC的強(qiáng)度由鋼筋混凝土部分與鋼結(jié)構(gòu)部分分別計(jì)算相加而成，疊加強(qiáng)度原理已在SRC建筑物的設(shè)計(jì)中使用了數(shù)十年。

其四，采用隔震技術(shù)。日本于20世紀(jì)80年代開始采用此技術(shù)。在日本廣泛采用的隔震裝置有天然橡膠隔震墊，高阻尼橡膠隔震墊，石墨橡膠隔震墊以及滑動隔震墊。各種不同類型的隔震裝置經(jīng)常聯(lián)合使用以取得滿意的效果。阻尼器也附加隔震系統(tǒng)中以減小上部分結(jié)構(gòu)的相對位移。隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)采用非線性時(shí)程分析法。根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r采用相應(yīng)的位移輸入。

其五。引入抗震結(jié)構(gòu)被動控制的概念。在當(dāng)時(shí)日本第一座高層建筑東京霞關(guān)大廈采用開縫鋼筋混凝土墻作為吸能裝置。隨著更加有效的阻尼器，如金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、黏彈性阻尼器及粘滯阻尼器的使用，結(jié)構(gòu)控制得到了進(jìn)一步發(fā)展。20世紀(jì)8d年代中期到90年代初，研究與開發(fā)達(dá)到了繁榮期，其時(shí)日本的經(jīng)濟(jì)也在高速增長，采用阻尼器的設(shè)計(jì)與建造也始于那個(gè)時(shí)期。大多數(shù)都用在了高層建筑中。這些裝置的最主要的優(yōu)點(diǎn)就是大變形后具有穩(wěn)定的滯回性能，對強(qiáng)度與剛性有靈活的適應(yīng)性。并且有合理的價(jià)位，所需維護(hù)較小且不受溫度影響。