汶川地震中綿陽市區(qū)和北川縣城房屋震害特征

徐政輝 劉丕金

(1.龍口市住房和規(guī)劃建設(shè)管理局，山東 龍口 265701;2.龍口市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，山東 龍口 265701)

1 概述

2008年5月12日的汶川大地震，震源深度距地表10 km～20 km，震級為里氏8.0級，震中位于四川省汶川縣，震中最大烈度為11度，其中綿陽市區(qū)最大為6度，北川縣城為8.6度～11度，綿陽市區(qū)按現(xiàn)行抗震規(guī)范的抗震設(shè)防烈度為6度，北川縣城為7度。

綿陽市區(qū)破壞較輕，北川縣城破壞比較嚴(yán)重，房屋大部分倒塌。綿陽市區(qū)和北川縣城的民用房屋結(jié)構(gòu)形式主要為磚砌體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其中綿陽市區(qū)有部分鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)，但破壞都比較輕微，主要是填充墻出現(xiàn)裂縫。工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)形式有磚砌體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)和門式剛架結(jié)構(gòu)形式。此次地震破壞較嚴(yán)重的是砌體結(jié)構(gòu)(尤其是未采取抗震構(gòu)造措施的砌體結(jié)構(gòu))和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

2 各種結(jié)構(gòu)形式房屋的震害特征

2.1 多層磚砌體結(jié)構(gòu)的震害特征

除整體倒塌外，房屋主要有以下震害特征:

樓梯間頂層墻體破壞，主要原因是由于頂層樓梯間墻的計算高度比普通層大造成自身穩(wěn)定性差，且凸出屋面樓梯間存在鞭梢效應(yīng)，凸出部分又缺少加強(qiáng)整體性的構(gòu)造連接措施，所以震害比較嚴(yán)重。圖1即是一多層出屋面樓梯間的破壞情形。

樓蓋及屋蓋的預(yù)制板之間及預(yù)制板與順板向的梁之間出現(xiàn)裂縫較多。

砌體結(jié)構(gòu)外墻倒塌，屋頂外墻角開裂或塌落，墻體出現(xiàn)斜裂縫或X裂縫，窗臺下的墻角處出現(xiàn)斜裂縫，縱、橫墻交接處開裂(縱橫墻處未設(shè)構(gòu)造柱)，泥瓦屋屋脊和檐口破壞，坡度較大的房屋屋頂溜瓦，屋蓋(特別是木屋蓋等整體性較差的屋蓋)垂直下塌，頂層塌等。

設(shè)計時由于洞口布置不合理導(dǎo)致出現(xiàn)比較大的斜裂縫，綿陽市區(qū)一新建小區(qū)整體破壞較輕微，但個別戶型單元承重墻卻出現(xiàn)比較大的斜裂縫和X形裂縫，主要原因筆者認(rèn)為是由于此片墻為承重外墻且設(shè)計時洞口布置不合理所致。

值得一提的是綿陽市區(qū)內(nèi)建于20世紀(jì)50年代的空斗墻砌體多層住宅比建于80年代的同樣層數(shù)的普通磚砌體多層住宅破壞要輕很多，通過調(diào)查分析，筆者認(rèn)為主要原因在于:除施工質(zhì)量的差異和地震作用的不確定性外，建于50年代的空斗墻砌體在首層樓板和屋面板處設(shè)置了兩道圈梁，大大提高了結(jié)構(gòu)的整體性，見圖2。

圖1 出屋面樓梯間破壞

圖2 50年代空斗墻房屋破壞輕微

由于烈度較高，北川縣城內(nèi)多層砌體房屋大部分倒塌，僅存的破壞較輕的幾座都是經(jīng)過抗震設(shè)防，按規(guī)范要求設(shè)置了較多圈梁和構(gòu)造柱，且施工質(zhì)量較好的房屋，見圖3。

通過對比綿陽市區(qū)和北川縣城的震害可以發(fā)現(xiàn)，按現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行正規(guī)設(shè)計、施工的多層磚砌體房屋比未進(jìn)行抗震設(shè)防的房屋具有更好的抗震能力，經(jīng)過抗震設(shè)防的多層磚砌體房屋是可以應(yīng)用于地震區(qū)的。

2.2 底框磚砌體結(jié)構(gòu)的震害特征

為獲得較大使用空間，砌體房屋的底層設(shè)計為框架結(jié)構(gòu)(或底層落地墻體較少)，這種柔性底層建筑(我國也叫雞腿建筑)的底層與上部各樓層的抗側(cè)剛度差別較大，地震時底層形成薄弱層較易破壞，北川縣城底框磚砌體結(jié)構(gòu)全部在底層發(fā)生倒塌，而上部結(jié)構(gòu)基本完好，見圖4。現(xiàn)行抗震規(guī)范也限制了這種結(jié)構(gòu)形式在高烈度區(qū)的使用，使用時應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的鋼筋混凝土抗震墻，使底層形成具有二道防線的框架抗震墻體系，有利于改善底層的抗震能力。

圖3 經(jīng)過抗震設(shè)防的房屋

圖4 底框磚砌體房屋底層倒塌

2.3 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的震害特征

總體上綿陽市區(qū)的框架結(jié)構(gòu)房屋震害輕微而北川縣城的震害比較嚴(yán)重，這與它們的烈度直接相關(guān)。

框架結(jié)構(gòu)地震破壞現(xiàn)象主要表現(xiàn)為:梁、柱與填充墻開裂、脫開，部分填充墻產(chǎn)生剪刀形或沿洞口周邊的斜向開裂;大部分倒塌框架結(jié)構(gòu)房屋的柱端破壞，主要是由于梁和樓板共同工作，剛度較大，形成強(qiáng)梁弱柱結(jié)構(gòu);框架梁、柱節(jié)點在柱頂施工縫處拉斷破壞，主要原因是由于施工時在柱頂留縫，再澆梁，施工縫往往不清理從而形成薄弱截面;框架梁、柱節(jié)點核心區(qū)剪切破壞或壓酥;框架柱端大量剪切破壞，原因是柱端箍筋沒有加密和節(jié)點核心區(qū)的施工質(zhì)量較差;位于端部的樓梯間破壞較嚴(yán)重，某3層框架結(jié)構(gòu)整體破壞較輕微，但樓梯間處破壞嚴(yán)重，填充墻嚴(yán)重開裂，2層和3層樓梯平臺梁被梯板剪斷，見圖5。另一5層框架整體破壞較輕微而樓梯板出現(xiàn)貫通剪切斜裂縫，其主要原因為樓梯梯段板與框架形成具有較大抗側(cè)剛度(相對于框架本身)的桁架使得樓梯分擔(dān)較多的地震力從而帶來樓梯間梯梁和梯板的破壞，位于端部的樓梯間由于扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的放大作用破壞更為嚴(yán)重;較大跨度窗洞口(大于4 m)過梁下填充墻出現(xiàn)裂縫較嚴(yán)重，且過梁與兩側(cè)磚墻脫開向面外傾斜，筆者建議大于4 m的過梁下宜設(shè)構(gòu)造柱且過梁宜與兩側(cè)主體框架結(jié)構(gòu)可靠拉結(jié)(形成圈梁)。

圖5 樓梯平臺梁被梯板剪壞

值得一提的是，框架間有較多填充墻的建筑明顯輕于無填充墻或填充墻較少的建筑，綿陽市區(qū)一做庫房用的無填充墻的柱底和柱頂出現(xiàn)了明顯的剪切裂縫，而條件基本相同的另一填充墻較多的辦公樓柱底和柱頂就沒有出現(xiàn)裂縫。神戶地震震害的調(diào)查也表明許多純框架高層建筑物發(fā)生了倒塌而框架間有砌體填充墻的結(jié)構(gòu)，均未發(fā)生倒塌。地震時由于填充墻具有較大的初始抗側(cè)剛度能夠分擔(dān)整個建筑的很大一部分地震剪力，使框架承受的地震剪力減小，采取合理抗震構(gòu)造措施的填充墻能夠通過自身的變形與破壞耗散部分地震能量，同時填充墻是非承重構(gòu)件，它的破壞不會直接危及整個建筑結(jié)構(gòu)的安全，筆者認(rèn)為具有較多填充墻且平面布局比較均勻的框架結(jié)構(gòu)可以適當(dāng)考慮其抗震的有利作用，可以將采取合理抗震構(gòu)造措施的填充墻作為抗震第一道防線。在設(shè)計框架結(jié)構(gòu)時，對框架結(jié)構(gòu)周期的折減比例及其帶來的地震力的放大是否合理以及對填充墻采取怎樣的抗震構(gòu)造措施應(yīng)通過進(jìn)一步的研究來確定。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)門式剛架廠房的震害特征

綿陽市區(qū)內(nèi)的門式剛架廠房破壞較輕，主要有以下震害特征:

由于門式剛架廠房地震時側(cè)向變位較大帶來吊頂?shù)拇竺娣e破壞;門式剛架橫梁與其下隔墻由于變位不一致而發(fā)生碰撞破壞;吊車梁支座處由于地震作用產(chǎn)生面外拉力導(dǎo)致支座產(chǎn)生與主體結(jié)構(gòu)的連接破壞，一般為焊縫脆性開裂破壞;門式剛架柱柱間柔性支撐在鑄鐵花籃螺栓處發(fā)生脆性拉斷破壞;自承重墻由于高度較高自身穩(wěn)定性差，頂部無壓頂或缺少與上部構(gòu)件的可靠連接，導(dǎo)致砌塊掉落傷人嚴(yán)重的整體面外倒塌。

3 其他震害

1)建造在斜坡上的建筑物震害一般比平坦場地上的震害嚴(yán)重，同時山體滑坡容易引起建筑物的倒塌、傾斜。位于北川縣城的某中學(xué)就幾乎被山體滑坡所覆蓋造成人員無法逃生。抗震規(guī)劃選址應(yīng)注意山體滑坡和泥石流對建筑物的破壞和對人逃生過程中的傷害。同時建造在斜坡上的建筑之間的間距應(yīng)滿足一定要求，由于距離太近，北川縣城的一座建筑由于整體倒塌直接砸向其鄰近的建筑造成另一座建筑的破壞。因此應(yīng)重視抗震規(guī)劃與選址，注意樓與樓之間的最小間距。2)磚砌墻由于溫差引起的裂縫或不均勻沉降引起的裂縫作為初始缺陷擴(kuò)大了抗震時的破壞程度。垂直于地震作用方向的端山墻和女兒墻由于存在初始的溫差引起的裂縫在地震作用下與垂直于它的墻體發(fā)生碰撞形成了貫通裂縫;沿地震作用方向的外墻由于不均勻沉降引起的初始裂縫在地震作用下形成更大更貫通的裂縫。3)不同結(jié)構(gòu)體系的混用(部分框架、部分磚混)，由于砌塊墻體的初始抗側(cè)剛度較大分擔(dān)了大部分的地震剪力造成砌塊墻體開裂破壞嚴(yán)重。4)伸縮縫、沉降縫、抗震縫通常只有3 cm，甚至更小，導(dǎo)致兩側(cè)碰撞破壞，另外應(yīng)注意變形縫處的建筑構(gòu)造處理，宜采用柔性構(gòu)造，不當(dāng)?shù)奶幚矸绞綍狗墙Y(jié)構(gòu)構(gòu)件掉落傷人。5)局部凸出屋面部分結(jié)構(gòu)及附屬構(gòu)件的破壞，凸出屋面的電梯間、水箱間、煙囪、女兒墻和山墻墻檐局部凸出屋面部分等由于鞭梢效應(yīng)，破壞較多，這也是以往地震常見的震害。6)在建房屋應(yīng)注意施工中的穩(wěn)定性，特別是面外穩(wěn)定。綿陽市區(qū)在建的鋼結(jié)構(gòu)門式剛架工業(yè)廠房的橫梁由于缺少臨時支撐措施，造成多根橫梁發(fā)生面外較嚴(yán)重的扭曲。

4 結(jié)語

經(jīng)過抗震設(shè)防和結(jié)構(gòu)合理布置的房屋震害明顯輕于未經(jīng)過抗震設(shè)計的房屋，同時建筑場地的合理選擇、結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計及采取必要的抗震構(gòu)造措施都是減輕震害的有效措施。

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