靈關(guān)鎮(zhèn)蘆山地震建筑震害分析

陶連金，　田　健，　劉春曉，　郭　飛，　王煥杰

（1.北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124；2.北京城市交通協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100124）

靈關(guān)鎮(zhèn)蘆山地震建筑震害分析

陶連金1，2，田健1，2，劉春曉1，2，郭飛1，2，王煥杰1，2

（1.北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124；2.北京城市交通協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100124）

為提高村鎮(zhèn)房屋的抗震性能，對“4.20”寶興縣靈關(guān)鎮(zhèn)震后房屋進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，圍繞房屋破壞和倒塌情況，分析房屋結(jié)構(gòu)中典型部位的震害現(xiàn)象，以及柱、墻、樓梯、附屬建筑物等典型部位的震害機(jī)理。結(jié)果表明：框架結(jié)構(gòu)的抗震性能總體表現(xiàn)良好，木結(jié)構(gòu)次之，磚混結(jié)構(gòu)和少量框架－砌體抗震性能較差。可以通過添加抗震構(gòu)件，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性等措施，提高各種結(jié)構(gòu)的抗震性能。該研究為村鎮(zhèn)房屋下一步的抗震設(shè)防工作提供了指導(dǎo)性建議。

蘆山地震；村鎮(zhèn)房屋；震害；抗震加固

0　引　言

地震對人的危害主要體現(xiàn)在建筑破壞方面。城市中的建筑大都按照標(biāo)準(zhǔn)建造，但是村鎮(zhèn)房屋未納入國家建設(shè)管理程序，修建時大多未進(jìn)行設(shè)計(jì)，無圖紙，未考慮抗震設(shè)防，也無正規(guī)的施工單位，因此在地震中破壞最為嚴(yán)重。這在我國發(fā)生的多起地震中已經(jīng)得到了體現(xiàn)［1-6］。經(jīng)證實(shí)，汶川地震后新建的部分農(nóng)房因?yàn)椴捎昧艘欢ǖ目拐饦?gòu)造措施，在蘆山地震中表現(xiàn)了良好的抗震性能［7］。這說明了解村鎮(zhèn)民居的震后破壞形態(tài)，提出合理的房屋加固和改進(jìn)措施，對于制定防震減災(zāi)規(guī)劃和修訂抗震設(shè)計(jì)規(guī)范有著重要參考價值。

關(guān)于地震中村鎮(zhèn)房屋震害已有相關(guān)學(xué)者做了研究。賈英杰等［8-12］對汶川地震砌體房屋震害進(jìn)行了調(diào)查分析；高永武等［13］分析了木結(jié)構(gòu)的震害并提出加固建議；王威等［14-15］對建筑樓梯等附屬建筑進(jìn)行震害分析。上述研究均未立足于一個具體的區(qū)域，對該區(qū)域不同房屋震害類型進(jìn)行匯總，并針對性地提出適合于該地區(qū)的抗震措施建議。

2013年4月20日8時2分四川省雅安市蘆山縣發(fā)生里氏7.0級地震，震中位于蘆山縣龍門鄉(xiāng)、寶勝鄉(xiāng)、太平鎮(zhèn)交界（北緯30.3°，東經(jīng)103.0°），震源深度13km。震后，筆者對距震中約19 km的寶興縣靈關(guān)鎮(zhèn)進(jìn)行調(diào)查。

靈關(guān)鎮(zhèn)房屋涵蓋了典型西南地區(qū)村鎮(zhèn)民居的主要結(jié)構(gòu)類型，由于距震中較近，其震害現(xiàn)象也具備代表性。震后的房屋大部分沒有得到修葺和重建，許多危房依然矗立，有的仍在繼續(xù)使用，存在很大的安全隱患。少部分居民對房屋自行加固，仍按老辦法，還是不能從根本上解決問題。

筆者匯總了四川省雅安市蘆山縣靈關(guān)鎮(zhèn)典型建筑震害調(diào)查資料，分析建筑震害特點(diǎn)，并針對受害區(qū)域建筑抗震現(xiàn)狀中所反映的普遍問題提出相關(guān)建議，以期為村鎮(zhèn)房屋下一步的抗震設(shè)防工作提供指導(dǎo)。

1　房屋設(shè)防烈度和類型

經(jīng)調(diào)查，當(dāng)?shù)胤课莸脑O(shè)防烈度為6度，由中國地震局發(fā)布的四川蘆山“4·20”7.0級強(qiáng)烈地震烈度圖［15］可知，靈關(guān)鎮(zhèn)所處的位置最大烈度達(dá)到8度。因此，設(shè)防烈度低是靈關(guān)鎮(zhèn)房屋震害嚴(yán)重的原因之一。鎮(zhèn)上房屋建筑以磚混結(jié)構(gòu)為主，還有少量框架、框架-砌體以及砌體-木結(jié)構(gòu)。砌體建筑抗震能力相對于框架結(jié)構(gòu)來講較弱，所以砌體建筑在地震中出現(xiàn)的震害情況較嚴(yán)重。

2　靈關(guān)鎮(zhèn)典型結(jié)構(gòu)震害

2.1框（排）架結(jié)構(gòu)

該地區(qū)框架結(jié)構(gòu)房屋主體結(jié)構(gòu)震害較輕，主要是填充墻和圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞。以街道兩邊部分商店為例，由于功能設(shè)置原因，這些框架結(jié)構(gòu)一邊以大開間作為門面，另一邊使用填充墻，致使結(jié)構(gòu)一邊偏沉，受力特點(diǎn)近似于剛心偏移的框架剪力墻，地震作用對房屋產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，導(dǎo)致屋內(nèi)填充墻損害嚴(yán)重，而門面震害較輕，如圖1所示。此外，災(zāi)區(qū)采用排架結(jié)構(gòu)的廠房及倉儲用房，由于跨度大、屋架重、柱間連接弱、年久失修等原因，在此次地震中破壞嚴(yán)重，垮塌較多，如圖2所示。

圖1　街道商店外墻和內(nèi)墻（右上角）對比Fig.1　Comparison of external wall and interior wall（top-right corner）in street store

圖2　地震后的廠房Fig.2　Seismic damage to plant after earthquake

2.2框架-砌體混合結(jié)構(gòu)

該地區(qū)房屋框架-砌體混合結(jié)構(gòu)有多種形式，如底框磚混結(jié)構(gòu)（底層框架-上部磚混，豎向混合），底層部分框架、部分砌體-上部磚混結(jié)構(gòu)，以及部分框架-部分磚混結(jié)構(gòu)（水平混合）。由于當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)原因，人們往往為了縮減材料開支，很少使用混凝土框架。這種結(jié)構(gòu)體系大多比較混亂，框架和砌體承重墻抗側(cè)力構(gòu)件的承載力和變形能力很不協(xié)調(diào)，平面抗側(cè)剛度極度不均勻。剛度突變、傳力途徑復(fù)雜、變形能力不協(xié)調(diào)等原因都會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞。如圖3所示，建筑上層砌體結(jié)構(gòu)全部垮塌，下部結(jié)構(gòu)也遭到一定的破壞，但好于上部結(jié)構(gòu)?？梢姡卣鹬锌蚣芙Y(jié)構(gòu)的抗震性能要優(yōu)于砌體結(jié)構(gòu)。

圖3　上層砌體結(jié)構(gòu)垮塌Fig.3 Collapse of upper masonry structure

2.3磚混結(jié)構(gòu)

磚混結(jié)構(gòu)在靈關(guān)鎮(zhèn)比較普遍，數(shù)量最多，震害也最嚴(yán)重。主要表現(xiàn)為墻體因強(qiáng)度不足而倒塌；房屋轉(zhuǎn)角部位局部崩落，或者嚴(yán)重開裂；坡頂瓦屋面的屋頂坍塌，或連同頂層一起倒塌。究其原因，磚混砌體結(jié)構(gòu)承載力低，開裂后約束能力差，裂縫發(fā)展快速結(jié)構(gòu)延展性差，容易發(fā)生坍塌。筆者在調(diào)查中同時發(fā)現(xiàn)，大部分老舊房屋未采取有效的抗震措施，如設(shè)置圈梁、構(gòu)造柱等，這樣導(dǎo)致磚混結(jié)構(gòu)整體性差，抗連續(xù)倒塌能力低。承重墻破壞如圖4所示。

圖4　破壞的承重墻Fig.4 Destruction of load bearing wall

2.4木結(jié)構(gòu)

木結(jié)構(gòu)房屋在這次地震中震害較輕，原因是其具有良好的受力性能，它對于瞬間沖擊荷載和周期性疲勞破壞具有良好的延展性，破壞過程是一個屈服過程。當(dāng)房屋晃動時，木結(jié)構(gòu)骨架仍可以保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外，木結(jié)構(gòu)大多采用的榫卯連接，使其具有“柔性”連接的特點(diǎn)，可以承受較大的荷載，而且允許產(chǎn)生一定的變形。圖5為損壞較輕的木結(jié)構(gòu)建筑。

圖5　損壞較輕的木結(jié)構(gòu)Fig.5 Lighter destruction of wood structure

3　典型部位震害機(jī)理

3.1柱的破壞

調(diào)查區(qū)房屋中混凝土柱較少，磚砌體壁柱居多。不合理的“強(qiáng)梁弱柱”結(jié)構(gòu)形式最為普遍。柱是結(jié)構(gòu)主要承力構(gòu)件，如果先于梁產(chǎn)生脆性破壞，會使結(jié)構(gòu)失去支撐，進(jìn)而導(dǎo)致整個建筑的垮塌。

混凝土柱的柱頭柱腳處受力較大，是薄弱點(diǎn)，所以破壞最為嚴(yán)重，表現(xiàn)為表層混凝土開裂或者壓酥，保護(hù)層脫落，且由于壁柱與窗間墻無拉結(jié)，極易裂開，導(dǎo)致柱折斷。“弱柱”產(chǎn)生的原因是，柱中的縱向受力鋼筋太細(xì)太少，抵抗斜截面剪力破壞的箍筋間距過大，鋼筋搭接長度不夠，從而降低了柱抵抗剪切的能力。對于磚砌體壁柱，材料質(zhì)脆，自重大，由于缺少受力鋼筋，整體性差，其抗剪能力更弱，在地震作用下極易出現(xiàn)裂縫以及失穩(wěn)狀態(tài)。磚砌體壁柱破壞如圖6所示。

圖6　破壞的磚砌體壁柱Fig.6 Destruction of masonry structure pilaster

3.2墻的破壞

調(diào)查區(qū)域遇到的墻均為磚砌體墻，其中，無筋磚砌體墻破壞最為嚴(yán)重。磚砌體墻由于受到不同地震波作用，以致呈現(xiàn)出不同的破壞形式。蘆山縣沒有高層建筑，一般樓房以二三層居多，所受縱波影響相對較小，使墻體產(chǎn)生破壞的主要為橫波和扭波。文中對墻體上出現(xiàn)的裂縫形式進(jìn)行分析。

3.2.1水平裂縫

砌體墻抗彎能力很差，在垂直墻面的剪切力和地震傾覆力矩作用下墻體水平截面很容易產(chǎn)生彎曲破壞，縱墻剛性弱于橫墻，往往先出現(xiàn)水平裂縫，并逐漸延伸至橫墻，進(jìn)一步導(dǎo)致房屋的整體彎曲破壞。縱墻水平裂縫分布如圖7所示。

圖7　產(chǎn)生水平裂縫的縱墻Fig.7 Longitudinal wall with horizontal cracks

3.2.2X形裂縫

磚石砌體材料是脆性材料，抗拉和抗剪強(qiáng)度都很低，墻體在豎向和水平地震作用以及重力作用下沿主拉應(yīng)力的方向開裂，逐步延伸形成X形裂縫。這種裂縫在災(zāi)區(qū)比較常見，如圖8所示。

圖8　墻體X形裂縫Fig.8 X cracks on the wall

3.2.3墻角處V形裂縫以及橫縱墻分離

房屋四角處由于受到來自兩個方向的地震作用，受力復(fù)雜，缺少約束，同時剛度又較大，所以地震時墻角部位墻面上將出現(xiàn)縱橫兩個方向上的V形斜裂縫，如圖9所示。如果橫縱墻銜接不好，容易在銜接部位出現(xiàn)豎向裂縫，墻面拉脫，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致整個墻面脫離，如圖10所示。

圖9　墻角V形裂縫Fig.9 V cracks on corner of wall

圖10　分離垮塌的橫縱墻Fig.10　Collapse of cross wall and longitudinal wall

3.2.4窗間墻、梯間墻和窗腳的破壞

對于磚混結(jié)構(gòu)，窗戶和樓梯段的嵌入破壞了墻的整體性，削弱了墻體，使窗戶和樓梯段處墻體強(qiáng)度折減，剛度突變，應(yīng)力集中，如圖11中窗腳處的墻體破壞嚴(yán)重。對于隔斷的墻體段來講，自身剛度變大，吸收能量多，承擔(dān)的地震作用力大，所以破壞程度都比其他部位的墻體大。

圖11　窗腳處破壞Fig.11 Destruction at bottom of window

3.3樓梯處破壞

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，平臺梁和梯板連接處容易斷裂，導(dǎo)致平臺梁混凝土塊在裂縫處脫落，下部鋼筋彎曲裸露，如圖12a所示。主要原因在于，梯板在地震作用中起到了K形中心支撐構(gòu)件的作用，梯板在反復(fù)拉、壓過程中破壞。另外，由于樓層和休息平臺不在同一水平面，水平力在此發(fā)生轉(zhuǎn)折，因此，休息平臺相連接的墻面也容易出現(xiàn)裂縫，如圖12b所示。

圖12　樓梯處破壞Fig.12 Failure of stairs

圖13　建筑附屬結(jié)構(gòu)破壞Fig.13 Failure of attached structre

3.4建筑附屬結(jié)構(gòu)破壞

地震作用時，頂部突出屋面的附屬構(gòu)件，如女兒墻、煙囪、屋頂間等，由于質(zhì)量和剛度比較小，在每一個來回的轉(zhuǎn)折瞬間，形成較大的速度，產(chǎn)生較大的位移，地震反應(yīng)強(qiáng)烈，即受到所謂的“鞭梢效應(yīng)”的影響，因而破壞也較嚴(yán)重。圖13a為傾倒的女兒墻，圖13b為出現(xiàn)墻體裂縫的屋頂間。

3.5抗震構(gòu)件在蘆山地震中的作用

調(diào)查的區(qū)域中也有部分房屋抗震性能較好，主要原因是添加了一些抗震構(gòu)件：圈梁和構(gòu)造柱。圈梁和構(gòu)造柱的設(shè)置有利于增加房屋的整體性和延性，使墻體被約束在一定的框格內(nèi)，有效地限制墻體的散落，延緩墻體破壞的速度，也為人們逃生提供更多的時間。由圖14可以看出，設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁的墻體表現(xiàn)出良好的抗震性能，地震后完好無損。

圖14　設(shè)置抗震構(gòu)件的墻體Fig.14 Wall with seismic component

4　結(jié)論與建議

（1）靈關(guān)鎮(zhèn)地震中，框架結(jié)構(gòu)的抗震性能總體表現(xiàn)基本良好，木結(jié)構(gòu)次之，而磚混結(jié)構(gòu)和少量框架-砌體抗震性能表現(xiàn)較差。

（2）框架結(jié)構(gòu)的震害較輕，若能保證施工質(zhì)量，框架結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的大震和中震的抗震性能目標(biāo)。但仍有部分框架未能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的“強(qiáng)柱弱梁”。

（3）木結(jié)構(gòu)中木框架與填充墻的鏈接是保證其整體性的關(guān)鍵點(diǎn)之一，可采用木板條將木柱與填充墻連成一個整體，提高木結(jié)構(gòu)與填充墻的拉結(jié)強(qiáng)度。

（4）磚混結(jié)構(gòu)在未來一段時間里還將是靈關(guān)鎮(zhèn)主要的建筑形式。提高磚混結(jié)構(gòu)的抗震性能需要合理設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱和圈梁，盡可能多采用現(xiàn)澆樓板，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。若采用預(yù)制樓板，其有效拉結(jié)和擱置長度須合理設(shè)置。此建議對于教學(xué)樓、商鋪等具有大開間、外挑走廊、單跨、縱墻承重等特點(diǎn)的建筑物尤為重要。

（5）底部框架-砌體混合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化層的剛度很難滿足抗震設(shè)防要求，即使按照現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)，仍受損嚴(yán)重，建議盡量減少使用底部框架-砌體混合結(jié)構(gòu)。

（6）對于一些薄弱環(huán)節(jié)，如存在大開間（門和窗）的墻，要在變截面處進(jìn)行加固；梁柱交結(jié)處和柱腳處要保證箍筋的數(shù)量；樓梯作為重要的逃生通道，在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)防，增加豎向和橫向的支撐，關(guān)鍵位置進(jìn)行加固，提高其抗震能力。

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（編輯荀海鑫）

Analysis on seismic damage of buildings of Lingguan town in the Lushan earthquake

TAO Lianjin1，2，TIAN Jian1，2，LIU Chunxiao1，2，GUO Fei1，2，WANG Huanjie1，2
（1.Key Laboratory of Urban Security＆Disaster Engineering of Ministry of Education，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.Center of Cooperative Innovation for Beijing Metropolitan Transportation，Beijing 100124，China）

This paper is an effort to improve the seismic performance of houses in rural areas in response to severe damages to houses，as occurs in“4.20”Lushan earthquake disaster-striken areas. The improvement research is comprised of a field investigation into the post-earthquake houses in Baoxing county in Lingguan town，an analysis of the way in which destruction and collapse occurred，and a classification of seismic damages to typical parts of building structures in the earthquake，and exploration of the mechanism underlying the seismic damages occurring in typical parts like columns，walls，stairs，and ancillary structures.The results show that frame structures exhibits a best seismic performance，followed by wood structures，and then by brick structure and frame-masonry structure. Measures such as reinforcing seismic components and enhancing the structural integrity contribute to improving the seismic performance of structures involved in potential earthquakes.This research may provide a reference for seismic fortification of village and town houses.

Lushan earthquake；rural houses；seismic damage；seismic strengthening

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.06.010

TU352.11

2095-7262（2015）06-0621-06

A

2015－11－07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（90715035）；北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（8111001）；國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目（51421005）

陶連金（1964-），男，黑龍江省雞西人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向：巖土及地下工程，E-mail:ljtao@bjut.edu.cn。