汶川地震對(duì)我國城鄉(xiāng)建筑抗震的啟示

郭迅

郭迅，博士、研究員、博士生導(dǎo)師，中國地震局防災(zāi)科技學(xué)院土木工程學(xué)院院長、國家減災(zāi)委專家委員會(huì)專家、中國地震局科技委員會(huì)委員、聯(lián)合國災(zāi)害評(píng)估專家委員會(huì)委員。長期從事結(jié)構(gòu)抗震研究，主要成果：對(duì)我國常見的多層混凝土框架結(jié)構(gòu)、底商多層砌體結(jié)構(gòu)的地震倒塌機(jī)理，提出“凝震聚力、個(gè)個(gè)擊破”新見解；所發(fā)明的模塊式鋼滯變阻尼器具有卓越的力學(xué)性能，已經(jīng)成功用于包括我國第一個(gè)地震安全示范社區(qū)——大連尚品天城以及唐山萬科金域華府、天水碧桂園等400多萬平米的高層住宅項(xiàng)目的消能減震設(shè)計(jì)；所創(chuàng)建的“散、脆、偏、單”評(píng)定法成功在大慶、松原、三河等城鄉(xiāng)建筑抗震能力評(píng)定項(xiàng)目中應(yīng)用。獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、中國地震局防震減災(zāi)優(yōu)秀成果一等獎(jiǎng)和遼寧省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)。

前言

2008年5月12日汶川8.0級(jí)特大地震奪走了8.7萬同胞的生命。如果說10年前遭遇地震破壞的多數(shù)建筑建造于我國經(jīng)濟(jì)能力尚弱的時(shí)候，難以對(duì)抗震有更多考慮，這還情有可原。那么現(xiàn)在我們的情形又如何？如果同樣的地震再現(xiàn)一次我們能經(jīng)得起考驗(yàn)嗎？也就是說現(xiàn)在我們的城鄉(xiāng)有足夠的韌性抗御未來可能發(fā)生的地震嗎？

韌性城鄉(xiāng)的關(guān)鍵問題是韌性，與之對(duì)應(yīng)的英文是“Resilience”。韌性的概念是21世紀(jì)初美日地震工程學(xué)家醞釀提出的。其主要含義是指城鄉(xiāng)遭遇中強(qiáng)地震時(shí)基本無破壞；遭遇強(qiáng)烈地震時(shí)，破壞很小，在短時(shí)間內(nèi)城鄉(xiāng)交通、通信、供電、供水、房屋居住等基本功能可以恢復(fù)，基本沒有人員傷亡（Godschalk, 2003）。要實(shí)現(xiàn)韌性城鄉(xiāng)的目標(biāo)，核心是使城鄉(xiāng)房屋建筑以及為交通、通信、供電等系統(tǒng)服務(wù)的生命線工程具有很強(qiáng)的抗震能力，通俗地講，這一目標(biāo)可概括為“七級(jí)不壞，八級(jí)不倒”。這就是汶川地震正反兩方面經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)給我們最大的啟示。

韌性城鄉(xiāng)建設(shè)工作的核心內(nèi)容可以概括為“地下清楚”和“地上結(jié)實(shí)”，此外還有諸如科普宣傳、地震烈度區(qū)劃圖編制、政策法規(guī)的制定和貫徹等。其中“地下清楚”的內(nèi)容包括深入地殼內(nèi)部的活斷層探測、城市范圍的地震小區(qū)劃、工程建設(shè)場地地震安全性評(píng)價(jià)、工程場地地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)等。“地上結(jié)實(shí)”的含義指采用不同建筑材料和不同結(jié)構(gòu)形式的房屋、橋梁、大壩等工程結(jié)構(gòu)遭遇強(qiáng)烈地震作用時(shí)不倒塌，從而避免人員傷亡。

我國地震災(zāi)害特點(diǎn)

我國幅員遼闊，地震多發(fā)且分散，歷史上經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，多數(shù)房屋結(jié)構(gòu)缺少基本的抗震能力，因而我國震害呈現(xiàn)小震成災(zāi)，大震巨災(zāi)的特點(diǎn)。依據(jù)近百年的地震數(shù)據(jù)，將世界上各主要多震國家的震害做比較可得到圖1所示的結(jié)果。圖中每個(gè)國家的震亡比是用百年來造成人員死亡的各次地震的震級(jí)總和做分母，所造成的人員死亡總和做分子而計(jì)算出的一個(gè)無量綱數(shù)。震亡比大，表明這個(gè)國家震害嚴(yán)重。從圖中可以看出，比我國震害更嚴(yán)重的國家有海地、巴基斯坦、亞美尼亞、印度尼西亞和伊朗等，我國和印度相當(dāng)，但尚不如土耳其、墨西哥，更不用說美國、日本和新西蘭了。

圖中還列出了各國的人均GDP，顯然GDP越高，抗震能力越強(qiáng)，震害越輕。但可以看出，相比我國人均GDP，我們的震亡比就偏高了，說明我國用于抗震的經(jīng)費(fèi)投入比例與先進(jìn)國家相比明顯偏低。

圖1 世界地震多發(fā)國家的震害比較

圖2 a 缺少圈梁和構(gòu)造柱的“散”

圖2 b 圈梁構(gòu)造柱可克服“散”

我國震害原因分析

地震災(zāi)害的主要表現(xiàn)是人員傷亡，而造成人員傷亡的直接原因是房屋倒塌(郭迅，2009；2010)。導(dǎo)致房屋倒塌的主要因素有兩個(gè)方面，其一是客觀意義明顯的“地質(zhì)災(zāi)害”，比如地震產(chǎn)生的滑坡、崩塌、滾石、液化、斷層位錯(cuò)、地表破裂以及范圍甚廣的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)。其二是主觀意義明顯的“人為失當(dāng)”，包括抗震設(shè)防水準(zhǔn)過低、建筑材料低劣、結(jié)構(gòu)體系和機(jī)構(gòu)布置失當(dāng)、設(shè)計(jì)規(guī)范失誤以及施工選址不當(dāng)?shù)取Ｏ窕?、斷層等?zāi)害只能通過合理的選址來避免，減輕地震災(zāi)害最主要的手段是減少“人為失當(dāng)”。上述“人為失當(dāng)”在建筑結(jié)構(gòu)上的表現(xiàn)可概括為4個(gè)方面，即“散”“脆”“偏”“單”，以下是四個(gè)字的具體含義。

（1）“散”

主要體現(xiàn)在：

①縱橫墻間連接薄弱，構(gòu)造柱缺失或不足，圈梁缺失、不足或不封閉。

②豎向構(gòu)件（墻、柱）與水平構(gòu)件（梁、樓板、檁條等）連接薄弱，構(gòu)造柱缺失或不足，圈梁缺失、不足或不封閉。

③門窗洞口兩側(cè)無構(gòu)造柱；橫墻間距過大；砌筑縱或橫墻長度超過3m而無構(gòu)造柱。

④有未經(jīng)專門抗震設(shè)計(jì)的圓弧狀填充墻。

⑤砌體砌筑質(zhì)量差，砂漿強(qiáng)度不足。

圖2展示了一種“散”最常見的表現(xiàn)，就是缺少圈梁和構(gòu)造柱，地震時(shí)縱橫墻分離、樓板與墻分離。

（2）“脆”

主要體現(xiàn)在：

①承重墻材料為生土、土坯等脆弱建料；或?yàn)楦善龌蚰嘟Y(jié)紅磚、灰砂磚等。

②因窗下或窗間填充墻約束形成短柱。

圖3 “脆”的表現(xiàn)之一——因窗下及窗間填充墻約束形成短柱

③強(qiáng)彎弱剪、弱節(jié)點(diǎn)強(qiáng)構(gòu)件。

④有構(gòu)造不良的圍墻、連接不牢的吊燈、吊頂、玻璃等。

圖3展示了一種“脆”的表現(xiàn)，因窗下及窗間填充墻約束形成短柱，剛度大、延性差，在結(jié)構(gòu)中分擔(dān)與剛度成比例的地震力，則很容易超過其極限承載力而率先失效，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體倒塌。

（3）“偏”

主要體現(xiàn)在：

①多層底商砌體房屋底層各道縱墻剛度差異超過3倍，易被個(gè)個(gè)擊破。

②多層框架有不當(dāng)設(shè)置的半高填充墻，易因短柱的剛度大、延性差而被個(gè)個(gè)擊破。

③平面布局里出外進(jìn)，比如L、T、Y等形狀。

圖4 a “偏”的表現(xiàn)之一 ——不均衡設(shè)置半高連續(xù)填充墻，導(dǎo)致被約束柱側(cè)向剛度增加3～5倍

④立面布局蜂瓶細(xì)腰 ，層間剛度分布有突變等。

圖4展示了一種“偏”的典型表現(xiàn)，圖中框架結(jié)構(gòu)縱向三個(gè)軸線中僅第三道有半高連續(xù)填充墻，被約束的柱側(cè)向剛度可提高8倍。因樓板僅發(fā)生縱向平動(dòng)，所以受約束柱將分擔(dān)8倍于不受墻約束柱的地震剪力，那就很容易超限而破壞。

（4）“單”

主要體現(xiàn)在：

①抗側(cè)防線單一，缺少冗余備份，如易形成層屈服機(jī)制的純框架。

②在房屋轉(zhuǎn)角有獨(dú)柱，一旦失效將造成大面積連續(xù)倒塌。

③砌體結(jié)構(gòu)圈梁、構(gòu)造柱等措施缺失或不足。

④窗間墻、窗端墻寬度過小等。

圖5展示了一種“單”的表現(xiàn)，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角只有獨(dú)柱，一旦失效就會(huì)造成圖5b所示的從下到上各層連續(xù)倒塌。

應(yīng)該看到，像2008年汶川8.0級(jí)地震的極震區(qū)（映秀和北川）也有一批表現(xiàn)相當(dāng)頑強(qiáng)的建筑物保存相對(duì)完好，通過深入剖析這些榜樣建筑的構(gòu)造特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)它們無一例外很好地遵循經(jīng)典力學(xué)原理，在構(gòu)造上呈現(xiàn)“整而不散”“延而不脆”“勻而不偏”“冗而不單”。大量細(xì)致的實(shí)驗(yàn)和理論分析工作揭示了這些經(jīng)得起8.0級(jí)地震考驗(yàn)建筑的秘密，所得到的結(jié)果如果得到推廣應(yīng)用，將極大地提升我國整體抗御地震災(zāi)害的能力。

工程抗震技術(shù)發(fā)展沿革

圖4 b 半高連續(xù)填充墻均在第三道縱墻設(shè)置

圖5 a “單”的表現(xiàn)之一 ——轉(zhuǎn)角有獨(dú)柱，一旦失效將造成大面積連續(xù)倒塌

1923年日本關(guān)東大地震造成14萬人死亡，日本學(xué)者總結(jié)了這次地震的教訓(xùn)，提出將房屋自重的10%作為水平地震力，通過結(jié)構(gòu)措施加以抗御，這就誕生了抗震設(shè)計(jì)的靜力法。1933年美國長灘地震科學(xué)家獲得了第一條強(qiáng)震記錄，美國學(xué)者開始考慮地震的動(dòng)力效應(yīng)，并提出了“反應(yīng)譜”的概念。反應(yīng)譜法將建筑結(jié)構(gòu)視為彈性體，能考慮結(jié)構(gòu)與地震動(dòng)之間的共振效應(yīng)，應(yīng)該說對(duì)地震破壞的本質(zhì)認(rèn)識(shí)更深入了。1956年在舊金山召開了第一屆世界地震工程大會(huì)，宣示一個(gè)與震害防御密切相關(guān)的學(xué)科——地震工程學(xué)誕生了。1964年開始，由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，又提出了建筑結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的時(shí)程分析法，這一方法能夠考慮結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的非線性效應(yīng)，技術(shù)進(jìn)步是明顯的，但由于操作復(fù)雜難以大面積推廣應(yīng)用。1990年開始，美國學(xué)者又提出了“性態(tài)抗震設(shè)計(jì)方法”，這一方法區(qū)別對(duì)待不同重要性結(jié)構(gòu)遭遇強(qiáng)震作用的表現(xiàn)，比如學(xué)校和醫(yī)院等人員密集型場所的公共建筑需要更強(qiáng)的抗震能力，從單純關(guān)注生命安全擴(kuò)展到減少經(jīng)濟(jì)損失。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，美國學(xué)者又提出了韌性（Resilience）建筑的設(shè)計(jì)理念，基本含義是考慮未來地震動(dòng)極大的不確定性，通過設(shè)置多道防線，保證結(jié)構(gòu)遭遇超設(shè)防地震時(shí)不致倒塌，由這樣建筑構(gòu)成的城市因而具有很強(qiáng)抗御地震打擊的能力。

就我國而言，1952年起制訂國家十二年科學(xué)發(fā)展規(guī)劃時(shí)就列入了震害防御相關(guān)的課題，比如中國地震烈度表和中國地震烈度區(qū)劃圖、結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)線性分析、建筑物動(dòng)力特性測試、小比例結(jié)構(gòu)模型動(dòng)力實(shí)驗(yàn)、抗震設(shè)計(jì)草案編制、強(qiáng)震儀研制和布設(shè)等。由劉恢先主編的第一本抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（草案）于1964年頒布，1978年頒布了正式版，即《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（1978）。這兩本規(guī)范均以反應(yīng)譜理論做基礎(chǔ)，考慮了場地條件的影響，強(qiáng)調(diào)構(gòu)造措施的必要性。1966—1976年是我國災(zāi)難深重的10年，先后經(jīng)歷了1966年邢臺(tái)地震、1970年通海地震、1975年海城地震、1976年松潘和唐山地震。邢臺(tái)地震促使地震監(jiān)測預(yù)報(bào)隊(duì)伍的建立和完善；總結(jié)通海地震震害經(jīng)驗(yàn)，提出了震害指數(shù)概念及考慮地形影響的方法；1975年海城地震預(yù)報(bào)是迄今為止公認(rèn)為最成功的一次預(yù)報(bào)；1976年唐山地震的調(diào)查及深入研究，明確了圈梁、構(gòu)造柱等構(gòu)造措施的作用并寫入規(guī)范，這一措施至今在中國乃至全世界仍發(fā)揮重要作用。

圖5 b 轉(zhuǎn)角獨(dú)柱失效后造成從下到上各層連續(xù)倒塌

1989年由建設(shè)部主編的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》列入了可靠度理論，假定未來50年超越概率為63%的烈度值作為小震，10%的作為中震（設(shè)防烈度），2%～3%的作為大震，以小震不壞、中震可修、大震不倒作為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本原則，將劉恢先于1975年海城地震和1976年唐山地震總結(jié)的抗震設(shè)計(jì)基本原則以概率形式重新表達(dá)。但是可靠度理論的列入，并沒有對(duì)應(yīng)的物理機(jī)制的改變，得到的計(jì)算方法比以前復(fù)雜得多，很多設(shè)計(jì)人員難以理解，只能以配套軟件計(jì)算結(jié)果為主，缺乏概念的判斷，使結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)陷入盲目性。

自1976年唐山地震后，我國大震沉寂了多年，人們開始盲目樂觀，甚至業(yè)界一些人認(rèn)為我國抗震水平進(jìn)入了世界第四。但2008年汶川8.0級(jí)地震造成8.9萬同胞遇難失蹤，隨后2010年和2013年又分別發(fā)生了玉樹地震和蘆山地震。詳細(xì)考察表明，我國總體上建筑抗震能力是薄弱的，并且建筑結(jié)構(gòu)地震破壞的狀態(tài)與設(shè)計(jì)規(guī)范的預(yù)期有明顯差異。以常見的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，規(guī)范中以“層屈服機(jī)制”作為抗倒塌設(shè)計(jì)依據(jù)，在具體設(shè)計(jì)中人為實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”，然而震后從未發(fā)現(xiàn)過“強(qiáng)柱弱梁”，這表明規(guī)范所依據(jù)的結(jié)構(gòu)倒塌機(jī)理與實(shí)際并不相符。對(duì)于多層砌體及底商多層砌體等結(jié)構(gòu)，建議的偏心扭轉(zhuǎn)內(nèi)力重分配、墻段平面內(nèi)抗剪驗(yàn)算等理論和方法都與實(shí)際震害有很大差距。

另一方面，近年來發(fā)生的幾次大地震，即使是極震區(qū)，仍然有若干普通材料建造的多層砌體、多層框架等結(jié)構(gòu)表現(xiàn)良好，堪稱奇跡。深刻剖析表明，這些可以稱之為“榜樣建筑”（比如緊鄰斷層的白鹿中學(xué)等）（圖6）的結(jié)構(gòu)都經(jīng)受住了地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度1.0g的考驗(yàn)。這就提示我們需要對(duì)現(xiàn)行規(guī)范按照7度或8度進(jìn)行抗震分析、驗(yàn)算的做法進(jìn)行徹底反思。規(guī)范所期望出現(xiàn)的震害現(xiàn)象沒見到，規(guī)范未預(yù)料到的超強(qiáng)抗震表現(xiàn)卻屢見不鮮。事實(shí)表明，現(xiàn)行規(guī)范對(duì)我國常見建筑結(jié)構(gòu)的地震倒塌機(jī)理的認(rèn)識(shí)還很不完善，技術(shù)供給與現(xiàn)實(shí)需求有巨大差距。震害防御工作的重點(diǎn)就是要縮小這一差距，這是減輕未來地震人員傷亡的根本途徑。

圖6 白鹿中學(xué)教學(xué)樓經(jīng)受了地震的考驗(yàn)

工程抗震新技術(shù)

為提高建筑的抗震能力，工程界提出兩種實(shí)用的抗震新技術(shù)，分別是隔震技術(shù)和消能減震技術(shù)。

1.隔震技術(shù)

地震引起地面往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得地面上房屋以及各種工程結(jié)構(gòu)受到一定的慣性力，當(dāng)慣性力超過了結(jié)構(gòu)自身抗力，則結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)破壞。這就是大地震造成房屋破壞、橋梁塌落以及其他眾多工程設(shè)施損毀的原因。

圖7 支座在水平地震作用下發(fā)生剪切變形

圖8 設(shè)置隔震支座以延長結(jié)構(gòu)自振周期

隔震是將工程結(jié)構(gòu)體系與地面分隔開來，通過一套專門的支座裝置與地面相連接，形成一個(gè)水平向柔性層（如圖7所示），以此延長結(jié)構(gòu)的基本振動(dòng)周期（如圖8所示），避開地震動(dòng)的卓越周期，減少地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳輸，降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。一般來說，結(jié)構(gòu)經(jīng)隔震以后，自振周期一般由原來的0.3秒延長到2.0秒左右，避開地震動(dòng)卓越周期（0.1～0.5秒），可以將地表傳給上部結(jié)構(gòu)的地震力降低70%左右。19世紀(jì)末就有學(xué)者和工程技術(shù)人員提出了隔震的概念。采用基底隔震技術(shù)建造的房屋，能夠極大地消除結(jié)構(gòu)與地震動(dòng)的共振效應(yīng)，顯著降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而可以有效地保護(hù)結(jié)構(gòu)免遭地震破壞。

目前全世界建造了2萬余棟隔震建筑，我國有5000余棟。美國、日本、新西蘭等國上百棟隔震建筑經(jīng)歷地震考驗(yàn)，表現(xiàn)出卓越的性能。我國2013年蘆山地震中，蘆山縣人民醫(yī)院因?yàn)椴捎酶粽鸺夹g(shù)（如圖9所示），不但沒有人員傷亡，內(nèi)部的核磁共振、彩超、X光機(jī)等精密醫(yī)療設(shè)備也沒有任何損傷，醫(yī)院成為震后傷員救治中心（見圖10）。

2.消能減震技術(shù)

在地震往復(fù)荷載作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生以位移、速度和加速度表示的響應(yīng)，如果在結(jié)構(gòu)上安裝位移驅(qū)動(dòng)或速度驅(qū)動(dòng)的阻尼器，比如防屈曲阻尼器（BRB）、鋼滯變阻尼器、TMD、TLD以及各類油阻尼器等，可以增加結(jié)構(gòu)的等效阻尼比，從而減小結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，避免或減輕結(jié)構(gòu)的破壞，這類技術(shù)統(tǒng)稱為消能減震技術(shù)。

圖9 蘆山縣人民醫(yī)院采用隔震技術(shù)

圖10 震后蘆山縣人民醫(yī)院

當(dāng)前韌性城鄉(xiāng)建設(shè)工作的主要抓手

首先需明確我國城鄉(xiāng)建筑抗震能力還較薄弱，與建設(shè)小康社會(huì)的需求還有很大差距。震害防御工作的目標(biāo)是全面提升城鄉(xiāng)建筑抗震能力，做到中小震無害，大震小害。為此，需客觀面對(duì)我國城鄉(xiāng)建筑中較普遍存在的“散”“脆”“偏”“單”的問題，認(rèn)真吸取近年來破壞性地震中正反兩方面的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)“整而不散”“延而不脆”“勻而不偏”“冗而不單”。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建立

將最新的實(shí)用技術(shù)寫入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以利推廣應(yīng)用。

2.技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)貫徹落實(shí)

重點(diǎn)要抓好在城市新建建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中嚴(yán)格遵循新標(biāo)準(zhǔn)。

3.既有建筑的篩查

依據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)原理和操作流程，分期分批推進(jìn)城鄉(xiāng)既有建筑抗震缺陷的篩查，依結(jié)果提出有針對(duì)性的補(bǔ)強(qiáng)措施。

4.大力推廣減隔震技術(shù)的應(yīng)用。

結(jié)論

我國地震災(zāi)害形勢依然嚴(yán)峻。以韌性城鄉(xiāng)為標(biāo)志的新時(shí)期防震減災(zāi)目標(biāo)成為業(yè)界共識(shí)。韌性城鄉(xiāng)的主要特點(diǎn)是城鄉(xiāng)、工程結(jié)構(gòu)及構(gòu)件等各個(gè)層次都具有很強(qiáng)的抗震能力，即便地震相當(dāng)強(qiáng)烈，城鄉(xiāng)基本功能也能很快恢復(fù)。建設(shè)韌性城鄉(xiāng)，首先需要對(duì)城鄉(xiāng)抗震能力的現(xiàn)狀進(jìn)行科學(xué)評(píng)估?；谡鸷︻惐?、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論分析，總結(jié)提煉出的工程結(jié)構(gòu)抗震能力“散、脆、偏、單”評(píng)估法是韌性城鄉(xiāng)建設(shè)的有力工具。對(duì)于新建工程，宜大力推廣隔震與消能減震新技術(shù)。