建筑結(jié)構(gòu)地震安全性分析
——汶川大地震遺址考察側(cè)記

陳莉 張濤 李靜 高博偉 張媛

建筑結(jié)構(gòu)地震安全性分析
——汶川大地震遺址考察側(cè)記

陳莉 張濤 李靜 高博偉 張媛

本文以考察側(cè)記和分析對比的形式，在對汶川地震遺址進(jìn)行現(xiàn)場勘察調(diào)研并參閱整理相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，參照汶川大地震中不同結(jié)構(gòu)類型房屋倒塌比例和結(jié)構(gòu)抗震性的理論，以考察實際為依據(jù)，對汶川地震中建筑倒塌類型、建筑結(jié)構(gòu)地震安全性進(jìn)行了分析和對比研究，歸納整理出了北川縣在此次地震中各建筑類型房屋倒塌廢墟情況統(tǒng)計結(jié)果，提出了典型建筑結(jié)構(gòu)抗震性的一些看法和意見，并介紹了當(dāng)?shù)卦诨謴?fù)重建中的有益經(jīng)驗和作法。

汶川地震 房屋倒塌 建筑結(jié)構(gòu) 抗震性 對比研究

“5·12”汶川大地震8周年之際，筆者一行人考察了龍門山斷裂帶的北川縣地震遺址、綿竹漢旺地震遺址、彭州白鹿中學(xué)和映秀鎮(zhèn)漩口中學(xué)等震災(zāi)嚴(yán)重的地震遺址區(qū)，那震驚世界的瞬間留給人們心靈的創(chuàng)傷，仍然讓我們感到痛觸和難過。

回顧過去是為從災(zāi)難中吸取教訓(xùn)，為進(jìn)一步增強(qiáng)全社會抗震減災(zāi)能力尋求更有效的方法和途徑。

1.汶川大地震房屋倒塌類型分析

根據(jù)汶川大地震現(xiàn)場考察資料和遺址留下的印記，在參閱整理相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，我們將地震造成倒塌房屋中的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋和磚混結(jié)構(gòu)房屋震害劃分如下幾種類型。

1.1 框架結(jié)構(gòu)房屋和磚混結(jié)構(gòu)房屋破壞類型劃分

1.1.1 粉碎性倒塌

粉碎性倒塌破壞是地震荷載大大超出承重的墻體或柱所能承受的荷載，承重的墻體或柱粉碎性破壞，梁、板、柱、墻體等構(gòu)件無序排列，倒塌沒有方向性，屬于完全倒塌，倒塌后的建筑物看不出原有樓層數(shù)，一般5-7層的房屋倒塌后往往變成1-3層高，很難形成生存的空間，即使形成空間也以狹小空間為主。由于該類型倒塌快速，室內(nèi)人員很難逃生，埋壓較淺的人員一般易于救援，埋壓較深的人員救援難度很大。圖1是都江堰市華夏廣場一棟四層磚混結(jié)構(gòu)住宅樓，汶川地震后無規(guī)則完全倒塌破壞，從照片中可以看出倒塌后的樓房僅有3-4米高，梁、板、墻體等構(gòu)件無序排列，幾乎沒有人生存的空間。在北川縣城這種破壞類型的建筑物很多（圖2），是造成人員傷亡的主要原因。

1.1.2 單斜式倒塌

圖1 都江堰市某倒塌房屋

圖2 北川縣城某倒塌房屋

單斜式倒塌破壞是指由于受水平地震力作用建筑物向某一方向倒塌。如果梁、柱、墻體的強(qiáng)度足夠強(qiáng)，梁、柱和墻體倒塌后未發(fā)生粉碎性破壞，局部能夠形成小空間或狹小空間，有人能夠幸存；如果梁、柱、墻體的強(qiáng)度較弱，單斜式倒塌破壞后每層樓房就像“大的鐵餅斜摞起來一樣”，所形成的空隙很小，幾乎沒有生存空間，救援難度很大。

圖3 北川縣信用社單斜式倒塌

圖4 都江堰某房屋單斜式倒塌

圖3是北川縣信用社辦公樓，框架結(jié)構(gòu)，9層，汶川地震后發(fā)生單斜式倒塌破壞，從照片中可以看出倒塌后由于梁、柱和板強(qiáng)度較強(qiáng)，形成了較大空間，室內(nèi)人生存可能性較大。圖4是都江堰市華夏廣場一棟五層框架結(jié)構(gòu)房屋，震后發(fā)生了單斜式倒塌破壞，倒塌后樓板疊加，高度僅剩3米多高，樓板間縫隙很小，幾乎沒有生存空間，偶爾在梁、柱間形成小的空間，救援難度很大。

1.1.3 部分倒塌

根據(jù)房屋建筑倒塌部位不同，部分倒塌可以分為平面上部分倒塌和豎向上部分倒塌。

平面上部分倒塌是指住宅樓的部分單元或房間、辦公樓或公用建筑在平面上一部分發(fā)生倒塌，這種倒塌主要由于局部強(qiáng)度較弱、樓房整體性差所造成，一般一塌到底，倒塌后下面所形成的空隙很小，埋壓人員生存可能性很小，但是在倒塌部分和未倒塌部分之間由于梁、柱、板的支撐可能形成生存空間。圖5是位于都江堰市水利水電十局家屬院的一棟住宅樓，該住宅樓是磚混結(jié)構(gòu)，東單元部分倒塌，從上至下一塌到底，生存空間很小，該處未發(fā)現(xiàn)幸存者，2人死亡遇難。圖6是映秀鎮(zhèn)一棟辦公樓，震后大部分發(fā)生部分倒塌破壞，但是倒塌與未倒塌部分相互拉結(jié)，能夠形成狹小空間。豎向部分倒塌是指一棟房屋上部部分樓層倒塌，而下部樓層破壞不嚴(yán)重，這種倒塌部分幾乎都是粉碎性倒塌，很難形成生存的空間，即使形成空間也以狹小空間為主。圖7是北川縣城某磚混結(jié)構(gòu)房屋豎向部分倒塌情況，上部幾層已經(jīng)面目全非了。

1.1.4 樓梯倒塌

樓梯倒塌常常發(fā)生在磚混結(jié)構(gòu)房屋中，由于樓梯部位的剛度和其他部分的剛度有差異，地震中樓梯是容易發(fā)生破壞的部位，震時由于人員往外匆忙逃跑，所以樓梯部位人員往往比較集中，如果樓梯發(fā)生倒塌，往往會造成嚴(yán)重的人員傷亡。樓梯倒塌后，由于樓梯梁、板倒塌后縱橫交錯，能夠形成一定的空隙，人員有一定生存空間。圖8是都江堰市解放小區(qū)一棟住宅樓樓梯倒塌的情況，該樓房為7層，呈品字型，磚混結(jié)構(gòu)，震后該樓梯樓板和踏步都掉落，其余部位未倒塌。

圖5 都江堰某房屋平面上部分倒塌

圖6 映秀鎮(zhèn)某房屋平面上部分倒塌

圖7 北川縣城某房屋豎向上部分倒塌

圖8 都江堰市解放小區(qū)某房屋樓梯倒塌

圖9 北川中學(xué)教學(xué)樓底部2層坍塌

圖10 都江堰市某住宅樓第2層坍塌

1.1.5 樓房薄弱層(底層或者中間層)坍塌

由于樓房在豎向上剛度不均勻，地震中存在樓房薄弱層坍塌現(xiàn)象。樓房薄弱層坍塌一般為底層或者中間層。樓房薄弱層坍塌后由于梁、柱、板、墻體的支撐可能形成40-60厘米高的空隙，人員有一定生存空間。

圖9是北川中學(xué)教學(xué)樓震后破壞情況，該樓為5層磚混結(jié)構(gòu)，震后底部2層坍塌，地上只見3層。圖10是都江堰市觀景路47號云海汽修廠宿舍樓，該樓為底層框架結(jié)構(gòu)，共6層，震后第2層坍塌，坍塌后由于梁的支撐形成了46厘米高的空隙，人在里面得以幸存的機(jī)會很大。

1.1.6 嚴(yán)重破壞

在地震災(zāi)害中，有的房屋建筑造成嚴(yán)重破壞，比如部分墻體倒塌、部分樓板掉落、部分梁柱破壞、部分基礎(chǔ)破壞等現(xiàn)象，嚴(yán)重破壞的房屋建筑破壞現(xiàn)象千差萬別，沒有一定的規(guī)律，僅有很少部分嚴(yán)重破壞造成人員傷亡。一般嚴(yán)重破壞的房屋建筑能夠形成較大的空隙，方便救援。

1.2 工業(yè)廠房及空曠房屋破壞類型劃分

在地震中，排架結(jié)構(gòu)廠房和空曠房屋是經(jīng)常出現(xiàn)的房屋破壞類型，按照其破壞后的現(xiàn)狀以及可能采取不同的救援方法，將工業(yè)廠房和空曠房屋的震害劃分如下幾種類型。

1.2.1 完全倒塌

完全倒塌是指工業(yè)廠房和空曠房屋完全倒平，維護(hù)墻和屋蓋系統(tǒng)全部倒塌，柱子也倒塌或殘留。工業(yè)廠房和空曠房屋由于室內(nèi)一般有大型設(shè)備或堅固的座椅，可能有一定的間隙，有一定人員生存空間。

圖11是什邡市某磷肥廠廠房震后破壞情況，該廠房為單層鋼筋混凝土廠房，震后維護(hù)墻和屋蓋系統(tǒng)全部倒塌，僅存部分鋼筋混凝土柱。

1.2.2 屋蓋倒塌

工業(yè)廠房和空曠房屋屋蓋系統(tǒng)全部或大部分倒塌，維護(hù)墻和柱子未完全倒塌。有時形成V形式倒塌，即屋蓋中部倒塌落地，屋蓋兩邊連接在屋蓋上；有時形成屋蓋一邊倒塌落地，一邊連接在維護(hù)墻或柱子上。屋蓋倒塌局部有一定的間隙，有一定人員生存空間。圖12是什邡市鎣華鎮(zhèn)宏達(dá)化工廠廠房震后破壞情況，該廠房為多層鋼筋混凝土廠房，上層屋蓋倒塌。

2.典型建筑結(jié)構(gòu)與地震安全性分析對比

筆者在對汶川地震遺址進(jìn)行現(xiàn)場勘察調(diào)研和參閱整理相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，參照汶川大地震中不同結(jié)構(gòu)類型房屋倒塌比例數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)抗震性理論，并以考察實際為依據(jù)，對汶川地震中建筑倒塌類型、建筑結(jié)構(gòu)地震安全性進(jìn)行了分析和對比研究。

2.1 建筑結(jié)構(gòu)分類

建筑結(jié)構(gòu)主要分為磚混結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、底商磚混結(jié)構(gòu)、底商框架結(jié)構(gòu)、農(nóng)村房屋五種類型。

一是磚混結(jié)構(gòu)，指建筑物中豎向承重結(jié)構(gòu)的墻采用磚或者砌塊砌筑，構(gòu)造柱以及橫向承重的梁、樓板、屋面板等采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，是以小部分鋼筋混凝土及大部分磚墻承重的結(jié)構(gòu)。

磚混結(jié)構(gòu)適合開間進(jìn)深較小，房間面積小，多層或低層的建筑，承重墻體不能改動。

二是框架結(jié)構(gòu)，指由梁和柱以鋼接或者鉸接相連接而成，構(gòu)成承重體系的結(jié)構(gòu)，即由梁和柱組成框架共同抵抗使用過程中出現(xiàn)的水平荷載和豎向荷載。

框架結(jié)構(gòu)的空間分隔靈活，自重輕，有利于抗震，也節(jié)省材料；采用現(xiàn)澆混凝土框架時，結(jié)構(gòu)的整體性、剛度較好，設(shè)計處理好了能達(dá)到較好的抗震效果，而且可以把梁或柱澆注成各種需要的截面形狀。 但其框架節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中顯著，側(cè)向剛度小，屬柔性結(jié)構(gòu)框架。在強(qiáng)烈地震作用下，結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生水平位移較大，易造成嚴(yán)重的非結(jié)構(gòu)性破壞。

三是底商磚混結(jié)構(gòu)，底層商鋪，上部是磚混結(jié)構(gòu)住宅的底商結(jié)構(gòu)。

四是底商框架結(jié)構(gòu)，底層是商鋪，上部是框架結(jié)構(gòu)住宅的底商結(jié)構(gòu)。

五是農(nóng)村房屋，傾斜的木梁、黑瓦結(jié)構(gòu)，大多在鄉(xiāng)村、或縣城與鄉(xiāng)村的交界處，北川縣城沒有。

2.2 典型建筑結(jié)構(gòu)地震安全性分析對比

各種建筑結(jié)構(gòu)類型的房屋抗震能力是有所不同的。北川地震遺址區(qū)沒有農(nóng)村房屋實例，其余四種建筑結(jié)構(gòu)都有實例。

理論上，框架結(jié)構(gòu)房屋地震安全性較好，理應(yīng)是相對安全的，但從“5· 12”汶川特大地震，由專業(yè)人員對北川縣的房屋倒塌和人員傷亡實際情況進(jìn)行核查統(tǒng)計得出的震害結(jié)果來看，其安全性則截然不同。

從理論上看，框架結(jié)構(gòu)建筑從抗震性、穩(wěn)定性、房屋堅韌性等方面都優(yōu)于磚混結(jié)構(gòu)。在防震性能方面，框架結(jié)構(gòu)體系的剛度和強(qiáng)度都比較好，屬柔性結(jié)構(gòu)；磚混結(jié)構(gòu)中砌體自重大，使砌體結(jié)構(gòu)所承受的地震力相對增大，而且磚混結(jié)構(gòu)是由脆性材料組成，抗拉抗剪強(qiáng)度均較差，延性也差，抗變形能力小，再加上砌體結(jié)構(gòu)施工時質(zhì)量難以控制，很容易對結(jié)構(gòu)造成破壞，屬剛性結(jié)構(gòu)。

框架結(jié)構(gòu)房屋與磚混結(jié)構(gòu)房屋相比，無論在承重能力還是在抗震性能方面都有明顯的優(yōu)勢，現(xiàn)在房屋建筑大多選用框架結(jié)構(gòu)；磚混結(jié)構(gòu)雖然造價便宜,適合多層和低層的房屋，但現(xiàn)在很多多層或低層，包括兩三層的別墅都采用安全性能好的框架房屋承重結(jié)構(gòu)體系。

然而，“5·12”汶川特大地震北川縣的災(zāi)情統(tǒng)計實際結(jié)果是：在同等環(huán)境下，不同結(jié)構(gòu)類型的房屋倒塌和人員傷亡情況所占的比例分別為：磚混結(jié)構(gòu)為50%、框架結(jié)構(gòu)為75%、底商結(jié)構(gòu)為86%，具體內(nèi)容如下。

2.2.1 磚混結(jié)構(gòu)（倒塌率50%）

磚混結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是先用磚砌墻、后大多有圈梁構(gòu)造，按7度抗震設(shè)防制造。我們能看到的由地震造成的倒塌較少，倒塌后易形成生命三角區(qū)，有生存空間，存活的幾率高，便于救援。

圖11 什邡市某磷肥廠廠房完全倒塌

圖12 什邡某廠房屋蓋系統(tǒng)倒塌

2.2.2 框架結(jié)構(gòu)（倒塌率75%）

框架結(jié)構(gòu)由梁和柱以鋼接或者鉸接相連接構(gòu)成承重體系的結(jié)構(gòu)之后，大多是用半高連續(xù)填充墻來進(jìn)行分割的，通常框架結(jié)構(gòu)按7度抗震設(shè)防制造?？蚣芙Y(jié)構(gòu)在發(fā)生地震倒塌時大多是從底部先塌，且疊瓦狀倒塌，形成的廢墟比較嚴(yán)密，沒有生存空間，故造成傷亡的人數(shù)較多，致死率也較高。

框架結(jié)構(gòu)房屋倒塌率較高的主要原因在于半高連續(xù)填充墻使柱的自由高度減半，其抗震性能被削弱。再加上柱和梁之間有拉筋，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不均勻，尤其是當(dāng)?shù)卣鸷奢d大大超出建筑結(jié)構(gòu)承重的墻體或支撐立柱所能承受的荷載時，將使建筑體承受遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出本身結(jié)構(gòu)所能承載的抗震強(qiáng)度，其承重的墻體或立柱就會發(fā)生粉碎性破壞，造成梁、板、柱、墻體等構(gòu)件無序排列，形成疊狀倒塌，且沒有方向性，生存空間小，不好實施救援。

2.2.3 底商結(jié)構(gòu)（倒塌率86%）

底商結(jié)構(gòu)的房屋地震倒塌率高，倒塌危害性大,抗震性能欠佳。底商多層砌體結(jié)構(gòu)在我國南方中小城市大量存在，此類房屋底部多半是框架或雜交結(jié)構(gòu)，從第二層起多為磚混結(jié)構(gòu)，先有墻、后有柱，通常按七度抗震設(shè)防。底部由于連續(xù)半高填充墻導(dǎo)致墻體的強(qiáng)度不均勻，使底部框架樓層基本全都倒塌，上部分磚混結(jié)構(gòu)倒塌形式不一，有的還整體下落。

底商結(jié)構(gòu)房屋震害嚴(yán)重的另一個主要原因是底部框架結(jié)構(gòu)大多有二道縱墻，一道強(qiáng)度高，另一道強(qiáng)度低，地震荷載都集中到了強(qiáng)度高的那道墻，致使墻體所承受的負(fù)荷超出承載能力，造成嚴(yán)重倒塌。

通過對北川災(zāi)情調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得以下重要結(jié)論：無論框架結(jié)構(gòu)或磚混結(jié)構(gòu)，凡是處在地震斷層破裂帶上的房屋在此次震災(zāi)中全部都是粉碎性倒塌。因此，在恢復(fù)重建或以后進(jìn)行建筑房屋選址時應(yīng)避開地震斷裂帶區(qū)域，這一點(diǎn)非常重要。

上述調(diào)查結(jié)果是通過航拍影像和專業(yè)人員沿街逐一核查地震廢墟結(jié)構(gòu)并按統(tǒng)計選票的方法得出來的真實數(shù)據(jù)，且航拍影像與人員實際核查的統(tǒng)計結(jié)果是一致的。

3.災(zāi)區(qū)恢復(fù)重建過程中的幾點(diǎn)有益經(jīng)驗

加強(qiáng)抗震設(shè)防管理，為后代負(fù)責(zé)，災(zāi)區(qū)恢復(fù)重建房屋抗震性能的好壞是對當(dāng)?shù)卣ぷ鞒尚У淖詈脵z驗。在調(diào)研考察的汶川地區(qū)恢復(fù)重建過程中的一些作法和經(jīng)驗值得吸取。

3.1 注意重建規(guī)劃的合理性

在災(zāi)區(qū)的恢復(fù)重建過程中，要注意潛在地震危險因素，重視地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估結(jié)果。在建設(shè)選址、城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面要考慮建筑結(jié)構(gòu)地震安全性能，力爭做到統(tǒng)籌規(guī)劃、合理安排，并切實提升基礎(chǔ)設(shè)施的建筑質(zhì)量和抗震能力。

3.2 加強(qiáng)對農(nóng)村民居建設(shè)的管理與指導(dǎo)

重建過程中各級政府，特別是基層政府主管部門要通力合作，加大抗震農(nóng)居建設(shè)的推廣和指導(dǎo)力度，要通過地震災(zāi)害中血的教訓(xùn)讓廣大農(nóng)民提高對農(nóng)居抗震安全重要性、必要性的認(rèn)知；同時要加大對農(nóng)村建筑工匠建筑抗震結(jié)構(gòu)知識的普及，把農(nóng)居安全融入到社會主義新農(nóng)村建設(shè)之中，徹底改變農(nóng)村基本不設(shè)防的問題，全面提升農(nóng)村的防震抗災(zāi)能力。

作者單位：中國地震應(yīng)急搜救中心

[1] 張培震.中國地震災(zāi)害與防震減災(zāi)[J].地震地質(zhì)，2008，30 (3)：577—583.

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[7] Internationnal Search and Rescue Advisory Groupp，Office for the Coordination of Humanitarian Affairs，UN,1999

[8] Frequently asked question on the development of a legal framework for international urban search and rescue (USAR) assistance [EB／oL].http：//www.reliefweb.int／insamg／convention／faq.htm.2