雕刻在心中的汶川記憶

孫柏濤

孫柏濤，中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所所長(zhǎng)、二級(jí)研究員、博士生導(dǎo)師，國(guó)際地震工程協(xié)會(huì)（IAEE）執(zhí)行理事和中國(guó)國(guó)家代表，聯(lián)合國(guó)災(zāi)害評(píng)估與協(xié)調(diào)隊(duì)（UNDAC）評(píng)估專家，中國(guó)地震學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、大連理工大學(xué)等高等學(xué)校兼職教授。長(zhǎng)期從事結(jié)構(gòu)抗震、震害預(yù)測(cè)、房屋安全鑒定及地震經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估等領(lǐng)域的研究工作，先后主持國(guó)家973計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題、國(guó)際科技合作等近30個(gè)國(guó)家級(jí)和省部級(jí)科研項(xiàng)目，發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇，主持編著《包頭西6.4級(jí)地震震害》等3部專著，主持或參與編制《地震災(zāi)害預(yù)測(cè)及其信息管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》等11部國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，科技成果榮獲省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)6項(xiàng)。

在中國(guó)大陸近3000個(gè)縣級(jí)行政區(qū)域中汶川縣僅僅是其中之一，它并沒有任何特別之處。然而2008年5月12日這一天，在汶川發(fā)生了8.0級(jí)地震，使得汶川縣成為全中國(guó)乃至全世界都能記住的地名和方位。近百天的地震現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)歷給我們這些從事地震工程的科技工作者在各個(gè)方面留下深深的印記。

汶川地震是中華人民共和國(guó)成立以來(lái)繼唐山地震之后又一次造成如此之大經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡和工程結(jié)構(gòu)破壞的地震。這次地震人員傷亡小于唐山地震的原因主要有以下幾個(gè)方面：（1）1976年唐山7.8級(jí)地震屬于城市直下型地震，極災(zāi)區(qū)（Ⅺ度）發(fā)生在人口稠密的大中型工業(yè)城市，而汶川地震的震中和發(fā)震斷裂發(fā)生在龍門山和成都平原的交界處，雖然災(zāi)區(qū)的影響范圍（汶川8.0級(jí)地震Ⅵ度區(qū)及以上面積合計(jì)440442平方千米）大于唐山地震的影響范圍，但極災(zāi)區(qū)內(nèi)（Ⅺ度）人口較多的區(qū)域僅有北川縣城所在地和汶川縣的映秀鎮(zhèn)等，Ⅸ度以上高烈度區(qū)也只包括了都江堰市、綿竹市等數(shù)個(gè)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)、人口較為稠密的縣級(jí)市；（2）按照我國(guó)當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展的狀況，1976年的唐山市及周邊地區(qū)的基本設(shè)防烈度是Ⅵ度區(qū)，但根據(jù)《TJ 11-74工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(試行)(簡(jiǎn)稱74規(guī)范)，Ⅵ度及以下地區(qū)為不設(shè)防地區(qū)，所以當(dāng)時(shí)的建筑結(jié)構(gòu)抗震能力很差，地震發(fā)生時(shí)市區(qū)內(nèi)和周邊地區(qū)幾乎所有的房屋倒塌或嚴(yán)重破壞。汶川地震時(shí)，我國(guó)施行GB 50011-2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(簡(jiǎn)稱2001規(guī)范),汶川大部分地區(qū)的建筑按照Ⅶ度或Ⅶ度半進(jìn)行抗震設(shè)防，因此城鎮(zhèn)的很多新建建筑符合設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)村亦有少量的自建民居建設(shè)時(shí)有設(shè)防概念，如設(shè)有抗震效果較好的圈梁和構(gòu)造柱等抗震建筑結(jié)構(gòu)；（3）唐山地震發(fā)生在凌晨3點(diǎn)42分，人們處在建筑物內(nèi)，且在熟睡中沒有自主避難意識(shí)。汶川地震發(fā)生在下午2點(diǎn)28分，地震發(fā)生時(shí)部分民眾在室外，室內(nèi)的民眾也可以自覺地避難以減少傷亡。

奔赴都江堰

在汶川地震中，都江堰市是應(yīng)該最先說(shuō)一說(shuō)的地方。大地震后的前兩天，因?yàn)槿丝诒容^稠密的都江堰市距離震中位置較近，也因當(dāng)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)不暢通，從地震現(xiàn)場(chǎng)傳回的信息不對(duì)稱等諸多因素，大量的救援人員紛紛擁入都江堰，各行業(yè)的指揮部均設(shè)在了這個(gè)地方，此時(shí)的都江堰變成了一個(gè)異常擁擠的小城市。筆者也是首先奔赴都江堰。

都江堰市是一個(gè)有著較長(zhǎng)建設(shè)歷史的中小城市，其建筑物的存量較多。隨著其經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，一些新型結(jié)構(gòu)形式不斷出現(xiàn)，新型結(jié)構(gòu)與老舊房屋并存，建筑的結(jié)構(gòu)類型較多。但在既有建筑中未設(shè)防的結(jié)構(gòu)占有較大比例，尤其是城區(qū)內(nèi)的居民住房以未設(shè)防的砌體結(jié)構(gòu)為主，即便是公共建筑中，也有部分未設(shè)防的砌體結(jié)構(gòu)。本次地震中都江堰遭遇烈度是Ⅸ度，未設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)造成的災(zāi)害最為嚴(yán)重，大部分未設(shè)防的砌體結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞或中等破壞，其中約有5%的房屋倒塌或者部分倒塌。

圖1是都江堰新建小學(xué)未設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)教學(xué)樓的倒塌現(xiàn)場(chǎng)，該結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)90年代以前建造的4層磚混結(jié)構(gòu)，其布局是中間為樓梯間，樓梯間左側(cè)為教室，開間較大，而樓梯間右側(cè)是教師辦公室和開間較小的儲(chǔ)存間等。由于樓板和屋蓋均為預(yù)制板，并與承重墻體搭接，預(yù)制樓板之間沒有很好的拉接，地震中開間較大的教室因承重墻體移位，造成屋蓋和樓板從4層開始塌落一直到底，致使數(shù)百名小學(xué)生和教師遇難。從圖中亦可看到，距離新建小學(xué)教學(xué)樓僅十?dāng)?shù)米遠(yuǎn)的城關(guān)幼兒園教學(xué)樓震后基本完好，因?yàn)檫@棟建筑是2000年以后按照Ⅶ度設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的結(jié)構(gòu)。我國(guó)從2001年以后就禁止砌體結(jié)構(gòu)使用裝配式的樓、屋面板，以保證結(jié)構(gòu)具有更好的整體性。實(shí)際震害再一次印證了由裝配式的樓、屋面構(gòu)件建造的砌體結(jié)構(gòu)震害更為嚴(yán)重的特點(diǎn)。由于施工時(shí)很難保證預(yù)制構(gòu)件之間的拉接，造成結(jié)構(gòu)的整體性較差，地震時(shí)個(gè)別局部結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞后引發(fā)其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件接續(xù)破壞，從而造成結(jié)構(gòu)整體塌損。

圖1 新建小學(xué)4層未設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)倒塌

圖2 居民小區(qū)設(shè)防與未設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)震害對(duì)比

圖2 為都江堰某小區(qū)砌體結(jié)構(gòu)震害的對(duì)比。中間完全倒塌的是未設(shè)防的砌體結(jié)構(gòu)，塌損結(jié)構(gòu)的瓦礫中壓埋了多名居民。由于塌損結(jié)構(gòu)形成的瓦礫相互嵌入，且每一塊瓦礫質(zhì)量又很大，無(wú)法用人力去搬動(dòng)或?qū)嵤┚仍?。?dāng)時(shí)的都江堰倒塌現(xiàn)場(chǎng)很多，重型機(jī)械遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足各個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的救援需求，回想建筑倒塌后趕回家救援或者地震中僥幸逃生的家屬那種無(wú)助、無(wú)奈的眼神和淚水，至今難以忘懷。而兩側(cè)新建的設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)由于整體性和施工質(zhì)量較好，地震中僅遭受中等偏輕的破壞。在高烈度區(qū)的設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)完全倒塌的震例很少見，常見的最嚴(yán)重的破壞形式為底層塌損、2層以上傾斜的破壞形式。

圖3 底框架結(jié)構(gòu)底層框架“坐層”震害

圖4 底框架結(jié)構(gòu)過渡層砌體“坐層”震害

圖5 設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)底層塌損，結(jié)構(gòu)整體傾斜

“走”進(jìn)映秀鎮(zhèn)

大概是震后第3天，獲悉汶川縣映秀鎮(zhèn)的災(zāi)害比都江堰要嚴(yán)重得多，遇難人數(shù)也很多，但是此時(shí)交通已經(jīng)中斷了，車輛無(wú)法進(jìn)去。其實(shí)都江堰市與映秀鎮(zhèn)的直線距離不算遠(yuǎn)，但是岷江上唯一通往映秀鎮(zhèn)的廟子坪大橋已經(jīng)是落梁破壞，我們烈度評(píng)定和災(zāi)害調(diào)查小組7人在16日（震后第4天）從都江堰渡口乘坐沖鋒舟到漩口鎮(zhèn)附近登岸，天上細(xì)雨淅瀝，走在隨時(shí)有滑坡或滾石威脅的泥濘的路上，數(shù)百米就得翻越一次震后滑下的坡體，徒步近4個(gè)小時(shí)，終于在黃昏時(shí)分接近了映秀鎮(zhèn)。此時(shí)眼前的一切是我經(jīng)歷過的所有地震現(xiàn)場(chǎng)從未見到過的震害場(chǎng)景。映秀鎮(zhèn)距離儀器測(cè)定的微觀震中最近，鎮(zhèn)里的所有結(jié)構(gòu)達(dá)到了嚴(yán)重破壞或倒塌的破壞等級(jí)，最終確定該地區(qū)的影響烈度為Ⅺ度。

圖3和圖4是底框架結(jié)構(gòu)中兩種典型的震害現(xiàn)象。前者是由于底部框架部分空曠，上部砌體結(jié)構(gòu)承重墻和隔墻較多，造成底部框架和上部砌體剛度差異過大，剛度相對(duì)弱的底部“坐層”。反之，后者是底部框架部分隔墻增多，剛度加大，使得過渡層砌體破壞嚴(yán)重，產(chǎn)生中間“坐層”。大量的震害表明，在高烈度區(qū)不宜采用該類結(jié)構(gòu)形式。因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)較難控制底部框架和上部砌體的剛度比，同時(shí)，在使用時(shí)用戶還經(jīng)常改變其使用功能，將框架中的填充墻拆除以擴(kuò)大內(nèi)部使用空間，造成底層剛度削弱。

北川！北川！

北川縣城的震害與映秀鎮(zhèn)一樣，同樣令人痛心，最終北川縣的影響烈度被確定為Ⅺ度。但是，由于北川是縣城所在地，經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)，結(jié)構(gòu)類型較為多樣。縣城的老城區(qū)多以砌體結(jié)構(gòu)和底框架為主，設(shè)防與未設(shè)防結(jié)構(gòu)各占50%左右?？h城的新城區(qū)設(shè)防結(jié)構(gòu)的比例較大，其中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)占有相當(dāng)?shù)臄?shù)量。

北川地區(qū)的基本設(shè)防烈度是Ⅶ度半（0.15g），但是在遭遇Ⅺ度罕遇地震時(shí)，絕大部分的建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了嚴(yán)重破壞或者倒塌。圖5為4棟五層設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)地震中的表現(xiàn)，震害特點(diǎn)均為底層結(jié)構(gòu)被剪斷、發(fā)生“坐層”破壞。由于上部結(jié)構(gòu)設(shè)有圈梁和構(gòu)造柱，整體性較好，當(dāng)?shù)讓影l(fā)生破壞后，后續(xù)地震力無(wú)法傳遞到上部結(jié)構(gòu)才使得沒有完全垮塌。

在我國(guó)大陸的歷次地震中，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞及以上的震例并不多見，其主要原因是：（1）近些年超大地震頻次較少，高烈度影響區(qū)（Ⅸ以上）不多；（2）發(fā)生在發(fā)達(dá)地區(qū)的地震數(shù)量少，小城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)框架結(jié)構(gòu)不多見；（3）框架結(jié)構(gòu)一般都是設(shè)防且正規(guī)施工建設(shè)的結(jié)構(gòu)形式，抗震能力較好。但是，在本次地震中框架結(jié)構(gòu)的震害特點(diǎn)與以往不同。通常情況，底層破壞較為嚴(yán)重，原因是底層承受的地震剪力最大，但是若結(jié)構(gòu)中間層有剛度薄弱層，破壞就會(huì)首先產(chǎn)生在薄弱層的構(gòu)件上。圖6是縣城新區(qū)內(nèi)的北川大酒店震害，底層柱頭被剪斷，結(jié)構(gòu)向右傾斜。

圖6 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)底部柱頭被剪斷

地震災(zāi)區(qū)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及破壞情況

四川省是我國(guó)的人口大省之一，通常有人居住的地方就有工程結(jié)構(gòu)，所以災(zāi)區(qū)建筑結(jié)構(gòu)存量較多，且有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）市區(qū)內(nèi)房屋結(jié)構(gòu)多以砌體結(jié)構(gòu)為主，多數(shù)居民住宅樓都是該結(jié)構(gòu)類型。20世紀(jì)90年代以前所建的砌體結(jié)構(gòu)多為不設(shè)防結(jié)構(gòu)，90年代之后建設(shè)的砌體結(jié)構(gòu)一般都按照當(dāng)時(shí)的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了設(shè)防。另外，還有一定比例的底框架和框架結(jié)構(gòu)，這部分類型結(jié)構(gòu)多數(shù)是90年代后建造的，大都符合7度或者更高烈度的設(shè)防要求；（2）城郊、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)建設(shè)過程中由于缺乏有力的監(jiān)管，自建的砌體結(jié)構(gòu)和穿斗木構(gòu)架結(jié)構(gòu)居多，多數(shù)自建砌體結(jié)構(gòu)的建設(shè)質(zhì)量和設(shè)防狀況堪憂，即便部分砌體結(jié)構(gòu)增加了一些構(gòu)造措施，如圈梁和構(gòu)造柱，但也很難滿足規(guī)范要求。穿斗木構(gòu)架結(jié)構(gòu)多以磚砌體作為圍護(hù)墻和內(nèi)隔墻，與支撐木柱幾乎無(wú)連接；（3）地震影響區(qū)內(nèi)的綿陽(yáng)和德陽(yáng)是我國(guó)重工業(yè)比較集中的地區(qū)，空曠的鋼筋混凝土框架和排架廠房也是存量較多的結(jié)構(gòu)類型。

在這次地震中，不同結(jié)構(gòu)類型破壞特點(diǎn)和程度是有很大差別的。

砌體結(jié)構(gòu)：由于老舊的砌體結(jié)構(gòu)樓板和屋面板大都是預(yù)制板，未設(shè)防的砌體結(jié)構(gòu)破壞最為嚴(yán)重。地震中因承重墻體破壞或移位，造成預(yù)制板整塊塌落，使得結(jié)構(gòu)整體或局部破壞。在Ⅶ度及以上地區(qū)就有部分該類結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞。而設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)抗震能力較好，在Ⅸ度區(qū)才會(huì)出現(xiàn)部分嚴(yán)重破壞現(xiàn)象。其破壞特點(diǎn)是底層結(jié)構(gòu)首先破壞，直至倒塌，通常稱之為 “坐層”破壞。

底框架結(jié)構(gòu)：該類結(jié)構(gòu)一般都是設(shè)防結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造特點(diǎn)是底一層或底兩層為框架，上部為設(shè)防砌體。在低烈度區(qū)域，其震損表現(xiàn)與設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)相差不多，但在Ⅷ度及以上地區(qū)就有明顯差異，其震損程度要遠(yuǎn)高于設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)。震害特點(diǎn)若是底層框架部分的剛度大，則過渡層砌體破壞嚴(yán)重；若是底層框架部分空曠，填充墻少，剛度較小的話，底層框架部分則破壞嚴(yán)重。

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)：我國(guó)大陸框架結(jié)構(gòu)震害在以往的地震中出現(xiàn)的震例不多，本次地震該結(jié)構(gòu)類型在高烈度區(qū)出現(xiàn)了不同的震害現(xiàn)象。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)整體抗震能力較好，在Ⅸ度地區(qū)出現(xiàn)中等或嚴(yán)重破壞，在Ⅹ度及以上地區(qū)部分框架結(jié)構(gòu)倒塌。震害特點(diǎn)是底層框架或剛度薄弱層框架的柱頭出現(xiàn)塑性鉸、斷裂，直至整體結(jié)構(gòu)倒塌。影響區(qū)內(nèi)框架結(jié)構(gòu)多為單跨外廊式建筑，這種形式的框架不符合多道設(shè)防的概念設(shè)計(jì)，其震害程度比多跨框架結(jié)構(gòu)形式要重的多。為此在GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的修訂時(shí)限制了單跨框架結(jié)構(gòu)形式的使用。

穿斗木屋架結(jié)構(gòu)：該類結(jié)構(gòu)是西南地區(qū)村鎮(zhèn)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型，圍護(hù)墻和內(nèi)隔墻一般為磚砌體或片石砌體。在低烈度區(qū)就出現(xiàn)墻體與木構(gòu)架柱分離，在高烈度區(qū)出現(xiàn)墻體塌損的震害現(xiàn)象。由于木構(gòu)架整體性較好，又具有韌性，結(jié)構(gòu)整體倒塌震例較少。

框（排）架廠房：框架廠房結(jié)構(gòu)的震害特點(diǎn)與上述框架結(jié)構(gòu)類似，但由于廠房?jī)?nèi)部空曠，內(nèi)部隔墻較少，使得震害稍重于一般公（民）用框架結(jié)構(gòu)；排架廠房結(jié)構(gòu)的抗震能力較好，在低烈度區(qū)的震損并不嚴(yán)重，在Ⅸ度及以上地區(qū)排架柱的根部出現(xiàn)斜裂縫、斷裂等震損現(xiàn)象。由于排架廠房的屋面質(zhì)量較輕，完全倒塌的震例并不多見。

地質(zhì)災(zāi)害使得結(jié)構(gòu)完全倒塌或者被掩埋是本次地震災(zāi)區(qū)最為常見的災(zāi)害形式。地震時(shí)前山斷裂出露地表的有90余千米，中央斷裂是本次地震的主要發(fā)震斷裂，出露地表的有200余千米。跨越出露地表斷層的工程結(jié)構(gòu)基本全部倒塌。滑坡、崩塌或滾石等地質(zhì)災(zāi)害造成的工程結(jié)構(gòu)被壓埋或者撞擊是另一種災(zāi)害形態(tài)。

宏觀地震烈度分布圖

劃定地震影響區(qū)域的范圍，也就是地震的宏觀烈度，是地震應(yīng)急工作中最先要做的任務(wù)之一，因?yàn)樗鼘?duì)災(zāi)區(qū)應(yīng)急救災(zāi)、經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估與恢復(fù)重建等有著重要的指導(dǎo)作用。數(shù)百位地震科技工作者在災(zāi)區(qū)奮戰(zhàn)了數(shù)十個(gè)日夜，行程十?dāng)?shù)萬(wàn)千米，依據(jù)災(zāi)區(qū)建筑結(jié)構(gòu)的破壞程度以及地質(zhì)災(zāi)害等宏觀現(xiàn)象等，完成了《汶川8.0級(jí)地震烈度分布圖》（第一稿），如圖7（a），該烈度圖對(duì)指導(dǎo)地震應(yīng)急期救災(zāi)及后續(xù)災(zāi)區(qū)的恢復(fù)重建發(fā)揮了積極作用，該版的烈度圖更著重于災(zāi)區(qū)的影響范圍。因?yàn)橐淮螌?shí)際地震的烈度分布對(duì)地震學(xué)和地震工程學(xué)科技工作者在今后的研究工作中有著非常重要的科學(xué)價(jià)值，為了提高烈度圖的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所研究員袁一凡懷揣著對(duì)科學(xué)研究的責(zé)任感，帶領(lǐng)一個(gè)團(tuán)隊(duì)的地震工作人員，本著科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，用了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間對(duì)烈度圖進(jìn)行了認(rèn)真仔細(xì)的復(fù)核，繪制了《汶川8.0級(jí)地震烈度分布圖》（第三版），如圖7（b）。

圖7 汶川8.0級(jí)地震宏觀烈度圖

結(jié)語(yǔ)

汶川地震后全國(guó)上下迅速展開了規(guī)?？涨暗木仍驼鸷蠡謴?fù)重建工作，不到3年的時(shí)間在災(zāi)區(qū)的原址上，一座座新的城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村重新展現(xiàn)出來(lái)，他們比震前的結(jié)構(gòu)具有更好的抗震性能和功能。在這個(gè)過程中，彰顯了我們國(guó)家制度的優(yōu)越性，充分體現(xiàn)了中國(guó)政府的領(lǐng)導(dǎo)力和執(zhí)行力，災(zāi)區(qū)人民展現(xiàn)了頑強(qiáng)不屈的品德，全國(guó)人民乃至世界人民給予了無(wú)私的大愛，使得我國(guó)各族人民更具有凝聚力和自信心，這種精神將始終激勵(lì)我們前行。