多層建筑結(jié)構(gòu)抗震缺陷分析

摘要：我國(guó)強(qiáng)震多發(fā)、震災(zāi)嚴(yán)重，小震致災(zāi)、大震巨災(zāi)的狀況時(shí)有發(fā)生，而多層建筑倒塌則是造成人員傷亡的主要因素。針對(duì)這些問(wèn)題，基于2008年汶川8.0級(jí)地震以來(lái)川滇地區(qū)發(fā)生的十余次6.0級(jí)以上地震震害調(diào)查資料，對(duì)比了“破壞”與“未破壞”建筑的結(jié)構(gòu)形式、建筑平立面布置、抗側(cè)力構(gòu)件分布及結(jié)構(gòu)體系，剖析了建筑結(jié)構(gòu)震害特點(diǎn)，總結(jié)了房屋破壞、倒塌的原因。認(rèn)為在強(qiáng)地震中，建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞及倒塌是因?yàn)槠渥陨泶嬖凇吧ⅰ薄按唷薄捌薄皢巍钡瓤拐鹑毕?，其中“偏”的缺陷更為普遍。通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，墻體的約束使結(jié)構(gòu)同層各抗側(cè)力構(gòu)件的力學(xué)性能相差巨大，即硬脆構(gòu)件和弱延構(gòu)件同層并存，這有別于傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)理論將同層所有構(gòu)件同等對(duì)待的情況。

關(guān)鍵詞：震害調(diào)查；倒塌機(jī)理；硬脆構(gòu)件；弱延構(gòu)件；變形飽和；倒塌觸發(fā)點(diǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU973+.31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2024）04-0563-16

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0053

0前言

地震災(zāi)區(qū)房屋建筑的破壞、倒塌是造成人員傷亡的最主要原因。調(diào)查建筑結(jié)構(gòu)地震災(zāi)害，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對(duì)提高建筑結(jié)構(gòu)抗震性能和推動(dòng)地震工程學(xué)科發(fā)展具有重要意義。建筑結(jié)構(gòu)地震倒塌機(jī)理一直是結(jié)構(gòu)抗震研究的核心課題（顧祥林等，2015；郭迅，2018）。

從2008年四川汶川8.0級(jí)地震至2022年四川瀘定6.8級(jí)地震的14年間，在我國(guó)西南地區(qū)發(fā)生了十余次強(qiáng)地震，造成了大量的建筑結(jié)構(gòu)破壞、倒塌，不同結(jié)構(gòu)體系的房屋在地震中呈現(xiàn)出的破壞模式也不盡相同。地震災(zāi)區(qū)震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有大量的、經(jīng)過(guò)抗震設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)也發(fā)生了破壞甚至倒塌，且一些震害現(xiàn)象也有所重復(fù)。例如，框架結(jié)構(gòu)震害顯著，且底層框架砌體混合結(jié)構(gòu)倒塌比例高（公茂盛等，2013；楊永強(qiáng)等，2014；王多智等，2018；張令心等，2019；李昆等，2021；羅若帆等，2022；謝賢鑫，2022；雷雅婷等，2022）?，F(xiàn)場(chǎng)震害調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，發(fā)生破壞及倒塌的建筑結(jié)構(gòu)存在“散”“脆”“偏”“單”等缺陷，其中，“偏”的缺陷最為普遍，但一直未引起研究人員的重視。

多層建筑結(jié)構(gòu)是目前我國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)中的主要建筑類(lèi)型。對(duì)于高度不超過(guò)40 m，以剪切變形為主且質(zhì)量、剛度沿豎向分布較為均勻的結(jié)構(gòu)，我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）推薦采用底部剪力法進(jìn)行計(jì)算。另外，由于重力和地震剪力由上往下逐層累加，結(jié)構(gòu)底層的地震剪力和豎向荷載最大，震害調(diào)查結(jié)果也顯示底層震害最重。因此本文主要分析近14年來(lái)我國(guó)地震災(zāi)區(qū)建筑底層的結(jié)構(gòu)平面布局、構(gòu)造差異及抗側(cè)力構(gòu)件特征，對(duì)比分析“壞”與“不壞”建筑的差異，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查得到的多層建筑震害，分析震害原因，尋找建筑結(jié)構(gòu)抗震缺陷，探究建筑結(jié)構(gòu)地震倒塌機(jī)理。

1建筑結(jié)構(gòu)震害原因分析

自2008年四川汶川8.0級(jí)地震以來(lái)，我國(guó)地震工作者對(duì)歷年發(fā)生的破壞性地震現(xiàn)場(chǎng)震害作了細(xì)致的調(diào)查，對(duì)各類(lèi)建筑結(jié)構(gòu)震害特點(diǎn)進(jìn)行了深入分析，認(rèn)為在破壞性地震中建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞及倒塌是由于其自身存在 “散”“脆”“偏”“單”等抗震缺陷所致，下面對(duì)這些缺陷引起的震害進(jìn)行討論。

1.1由“散”引起的建筑結(jié)構(gòu)破壞

房屋建筑中“散”的缺陷主要體現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的水平構(gòu)件與豎向構(gòu)件的連接不滿足要求或未進(jìn)行有效連接，整體性差。我國(guó)農(nóng)村地區(qū)自建的土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)的震害如圖1所示。由圖1a可見(jiàn)，木構(gòu)架與土墻無(wú)有效連接措施，且外圍各方向墻體間連接差，墻體直接由土坯砌筑，未采取加強(qiáng)措施；由圖1b可見(jiàn)，支撐屋面的檁條及椽子直接搭設(shè)在土墻上，在地震動(dòng)的慣性作用下墻體開(kāi)裂、外閃，導(dǎo)致墻倒屋塌。由圖1c、d可見(jiàn)，磚木結(jié)構(gòu)中外圍縱橫墻間無(wú)有效連接或連接薄弱，磚墻與木構(gòu)架之間無(wú)連接措施，整體性差。一般外圍磚墻無(wú)加強(qiáng)措施，砌筑過(guò)程中既無(wú)水平系梁也未設(shè)置構(gòu)造柱，整體抗側(cè)剛度小。另外，瓦片與屋面間無(wú)固定措施，只是將瓦片壓邊疊放，易發(fā)生梭瓦破壞，砌體結(jié)構(gòu)中無(wú)完善的圈梁、構(gòu)造柱抗震措施?？v橫墻間無(wú)構(gòu)造柱或連接薄弱，門(mén)窗洞口兩側(cè)無(wú)構(gòu)造柱，樓板與梁連接不滿足要求，如圖2a～c所示?？蚣芙Y(jié)構(gòu)中女兒墻的預(yù)埋件未采取加強(qiáng)措施，填充墻與主體結(jié)構(gòu)間拉結(jié)措施缺失或拉結(jié)筋不滿足要求，導(dǎo)致地震作用下發(fā)生破壞，如圖2d、e所示。另外，山墻高度和寬度超過(guò)規(guī)范限值，卻未采取規(guī)定的加強(qiáng)措施，導(dǎo)致剪切破壞，如圖2f所示。

1.2由“脆”引起的建筑結(jié)構(gòu)破壞

房屋建筑因“脆”的缺陷引起的破壞甚至倒塌可以從以下兩個(gè)方面分析；

首先，建筑結(jié)構(gòu)材料方面，土木結(jié)構(gòu)的墻體采用紅泥土夯堆而起，未添加任何加筋材料；墻體下寬上窄呈梯形，無(wú)加固措施，脆性十足，如圖3a所示。磚木結(jié)構(gòu)中用磚砌塊將木構(gòu)架柱裹砌的磚柱，在橫向椽子支撐點(diǎn)處應(yīng)力集中形成貫通的豎向裂縫，如圖3b所示。砌體結(jié)構(gòu)中磚柱、磚墻在地震動(dòng)作用下發(fā)生脆性剪切破壞，如圖3c所示。

其次，房屋建筑中因洞口的設(shè)置使墻體分割成若干段墻肢。在抗震設(shè)計(jì)中，墻體按照高寬比不同計(jì)算其抗側(cè)剛度，當(dāng)高寬比小于1時(shí)只考慮剪切變形（盧存恕，1999），即地震中剪切作用為主導(dǎo)，形成斜裂縫或交叉裂縫，如圖3d所示?？蚣芙Y(jié)構(gòu)中由于墻體的布設(shè)使框架柱計(jì)算高度變小，產(chǎn)生短柱效應(yīng)，在地震中易發(fā)生脆性剪切破壞，如圖3e所示。常見(jiàn)的震害現(xiàn)象如圖3f所示，由于門(mén)窗洞口的設(shè)置形成矮墻，其變形能力差，類(lèi)似“短柱”效應(yīng)，易發(fā)生脆性剪切破壞。

1.3由“偏”引起的建筑結(jié)構(gòu)破壞

由于墻體的布設(shè)使建筑平面內(nèi)縱向各軸抗側(cè)剛度差異巨大，地震動(dòng)作用下地震剪力按照關(guān)鍵構(gòu)件的抗側(cè)剛度分配，地震剪力率先在剛度大、延性差的構(gòu)件上集中發(fā)生破壞，而此時(shí)剛度小、延性好的構(gòu)件分配的地震剪力較小，尚未發(fā)揮作用處于完好狀態(tài)（郭迅，2018；王波，2020；郭富強(qiáng)，2023），這就是房屋建筑中“偏”的缺陷引起建筑結(jié)構(gòu)的破壞。在破壞性震中由“偏”的缺陷引起結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌的現(xiàn)象比比皆是，如圖4所示。我國(guó)西南鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)，框架砌體混合結(jié)構(gòu)大量存在，以圖4a為例，該建筑一層平面內(nèi)縱向三道軸線，臨街一側(cè)軸線因使用需求大，開(kāi)門(mén)洞無(wú)墻體，進(jìn)深向第二、第三軸線布設(shè)墻體，在地震動(dòng)作用下臨街一側(cè)的框架柱完好，而第二道軸線的墻體發(fā)生嚴(yán)重破壞。圖4b中建筑一層縱向第一、第二軸線縱向?yàn)闊o(wú)墻框架柱，地震中完好，進(jìn)深第三軸為帶構(gòu)造柱的墻體，破壞嚴(yán)重。

建筑抗震概念設(shè)計(jì)要求建筑結(jié)構(gòu)布局均勻規(guī)整，體形力求簡(jiǎn)單，選擇抗震有利的平立面，抗側(cè)力構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度和質(zhì)量分布在空間上均衡且連續(xù)，避免薄弱層（部位），產(chǎn)生應(yīng)力和變形集中。圖5為汶川8.0級(jí)地震災(zāi)區(qū)建筑結(jié)構(gòu)由沿高度方向存在“偏”的缺陷而發(fā)生破壞的情況。圖5a為一棟鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑一層為空曠框架柱，整棟建筑剛度、強(qiáng)度質(zhì)量在豎向不連續(xù)底部產(chǎn)生薄弱層；圖5b所示建筑一層為框架，二層以上為砌體結(jié)構(gòu)，豎向結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化造成薄弱層，二層發(fā)生垮塌破壞。建筑結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則，在地震中容易發(fā)生“層屈服”的破壞模式。

1.4由“單”引起的建筑結(jié)構(gòu)破壞

房屋建筑中“單”的缺陷主要由建筑抗震設(shè)防體系單一、各構(gòu)件協(xié)同工作能力差、結(jié)構(gòu)贅余度不足造成。地震發(fā)生時(shí)，建筑物的某個(gè)關(guān)鍵構(gòu)件發(fā)生破壞后承載力迅速降低，可能形成機(jī)構(gòu)失穩(wěn)而連續(xù)倒塌破壞，如圖6a所示。砌體結(jié)構(gòu)中缺失完善的圈梁構(gòu)造柱抗震構(gòu)造措施，也是結(jié)構(gòu)“單”的表現(xiàn)。單跨多層框架結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于中小學(xué)教學(xué)樓、廠房；一層只有框架柱作為抗側(cè)力和承重的關(guān)鍵構(gòu)件，冗余度不足，也是結(jié)構(gòu)“單”的缺陷，如圖6b所示。

房屋建筑作為基礎(chǔ)、墻、梁、板及柱等構(gòu)件的集合體，在地震中各構(gòu)件間互相聯(lián)系，共同抵御地震作用。地震中建筑結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌是由個(gè)別構(gòu)件或局部構(gòu)件先破壞引起的，建筑結(jié)構(gòu)存在的“散”“脆”“偏”“單” 等抗震缺陷，在結(jié)構(gòu)破壞中有可能是其中一個(gè)或多個(gè)缺陷導(dǎo)致的。例如，土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)在地震中發(fā)生破壞、倒塌就是由結(jié)構(gòu)的“散”“脆”的缺陷導(dǎo)致的，如圖1、2f、3a所示；砌體結(jié)構(gòu)中砂漿強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)、圈梁構(gòu)造柱不完善及磚柱未進(jìn)行加強(qiáng)措施等造成的破壞是結(jié)構(gòu)的“散”“脆”缺陷的綜合體現(xiàn)，如圖3c、d所示；框架結(jié)構(gòu)中由填充墻的布置引起的面內(nèi)剛度不均衡和框架柱的短柱效應(yīng)是結(jié)構(gòu)的“偏”“脆”缺陷的體現(xiàn)，如圖3e、f和圖4所示；另外，砌體結(jié)構(gòu)中缺失完善的圈梁構(gòu)造柱抗震構(gòu)造措施，不僅是“散”的缺陷，也是“單”的表現(xiàn)。

2典型建筑“偏”缺陷震害分析

多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)和框架砌體混合結(jié)構(gòu)在歷次地震中的破壞、倒塌比例較高，尤其是框架砌體混合結(jié)構(gòu)?；炷烈蚱鋸?qiáng)度高、可塑性強(qiáng)、耐久性好成為建筑工程主要材料?？蚣芙Y(jié)構(gòu)因其空間布置靈活、自重輕、傳力途徑明確等特點(diǎn)成為公共建筑的首選結(jié)構(gòu)體系。另外，城鎮(zhèn)地區(qū)街道兩側(cè)多層建筑以一層為商用框架結(jié)構(gòu)、二層以上為民居的砌體結(jié)構(gòu)為主的框架砌體混合結(jié)構(gòu)居多。上節(jié)就建筑結(jié)構(gòu)抗震缺陷進(jìn)行了分析，但“偏”的缺陷較其他缺陷更普遍，未得到重視。本節(jié)基于實(shí)際震害進(jìn)一步對(duì)“偏”的缺陷進(jìn)行分析探討。筆者以這兩種結(jié)構(gòu)體系為研究對(duì)象，揭示建筑結(jié)構(gòu)“偏”的缺陷，解釋震害現(xiàn)象，探究其破壞原因。

2.1長(zhǎng)寧縣雙河中學(xué)教學(xué)樓

長(zhǎng)寧縣雙河中學(xué)位于2019年四川長(zhǎng)寧6.0級(jí)地震極震區(qū)。雙河中學(xué)教學(xué)樓為四層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，每層的柱網(wǎng)布局相同，層高均為3.6 m，建筑總高度為15.1 m，建筑總面積約2 400 m2；當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.1 g。該教學(xué)樓縱向三軸10跨，橫向十一軸2跨，教學(xué)樓正面、背面及一層平面圖如圖7所示。

由圖7c可知，縱向僅有3道軸線，其主要差異在于有無(wú)填充墻、洞口大小及墻體對(duì)框架柱的約束情況；Ａ軸線為無(wú)墻的框架柱；Ｂ軸線設(shè)有高窗和門(mén)洞，框架柱約束主要來(lái)自窗下墻（墻體較高）；Ｃ軸線只有窗洞，窗下填充墻和窗間墻限制框架柱的變形。橫向有8道滿砌填充墻將一層分成若干房間。結(jié)構(gòu)四層平面布局相同，以剪切變形為主，且質(zhì)量、剛度沿豎向分布均勻；結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算可采用底部剪力法進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，由于結(jié)構(gòu)底層所受的地震剪力最大，這里重點(diǎn)展示教學(xué)樓一層的震害。

正是這樣的平面布局造成建筑一層縱向各軸線抗側(cè)剛度迥然不同。由圖8a可見(jiàn)，雙河中學(xué)教學(xué)樓一層的Ａ軸線為無(wú)墻的框架柱，地震作用下，框架柱全高度參與變形，抗側(cè)剛度小，延性好，無(wú)損傷。

由圖8b、c可見(jiàn)，Ｂ軸線因洞口的布設(shè)使墻體分割成若干段，采用高窗戶且窗高度小，使窗下填充墻高度高，約束了框架柱變形，在地震作用下框架柱僅窗高部分參與變形，抗側(cè)剛度大，延性差。另外，窗下墻、門(mén)頭墻高寬比都較小，易發(fā)生剪切變形。

由圖8d、e可見(jiàn)，Ｃ軸線僅存在窗洞，且窗洞高度較高，使Ｃ軸框架柱參與變形的高度比Ｂ軸框架柱參與變形的高度還要高；Ｃ軸抗側(cè)剛度比軸抗側(cè)剛度大，但比Ｂ軸抗側(cè)剛度??；再者，框架柱窗高部分與兩側(cè)墻體共同受力、變形，延性介于Ａ軸與Ｂ軸之間，震害主要出現(xiàn)在窗下墻和窗間墻，破壞程度較輕。

從以上分析可知，建筑縱向因填充墻的布設(shè)、洞口的設(shè)置造成各軸抗側(cè)剛度、延性差異巨大，平面內(nèi)剛度不均勻，導(dǎo)致建筑出現(xiàn)“偏”的缺陷。在地震作用下，地震剪力在剛度大的構(gòu)件上內(nèi)力集中，率先發(fā)生破壞。另外，建筑橫向存在多道滿砌橫墻，面內(nèi)剛度大，限制了建筑在地震中橫向變形，使建筑以縱向平動(dòng)為主，橫墻震害如圖8f所示。建筑結(jié)構(gòu)橫向均勻布設(shè)滿砌填充墻，各軸剛度相近，承載能力高，而縱向只有3道軸線，且各軸剛度差異大，承載能力弱，使得縱向成為建筑的抗震薄弱向；這種縱、橫向的剛度、承載能力差異較大的情況，也是“偏”的一種體現(xiàn)。

2.2磨西鎮(zhèn)大杉樹(shù)村6組56號(hào)建筑

磨西鎮(zhèn)大杉樹(shù)村6組56號(hào)建筑位于2022年四川瀘定6.8級(jí)地震的極震區(qū)，其烈度為Ⅸ度。該建筑共3層，一層為框架砌體混合結(jié)構(gòu)，二、三層為砌體結(jié)構(gòu)。一層Ａ軸、Ｂ軸無(wú)墻體，框架柱作為抗側(cè)力和承重構(gòu)件，Ｃ軸為帶構(gòu)造柱的承重墻。建筑正面、一層3D示意如圖9所示。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一層破壞嚴(yán)重，一層整體縱向側(cè)移近100 mm，二層、三層砌體結(jié)構(gòu)完好，無(wú)震害。一層Ａ軸框架柱全部震損，柱端出現(xiàn)塑性鉸，部分柱端縱向鋼筋斷裂如圖10a～e所示；一層Ｂ軸部分框架柱上端混凝土掉落，鋼筋屈服，出塑性鉸；內(nèi)橫墻和山墻發(fā)生面外破壞、倒塌，如圖10f～h所示；一層Ｃ軸為帶構(gòu)造柱的承重墻，破壞嚴(yán)重，墻體裂縫內(nèi)外貫通，上部結(jié)構(gòu)下墜，基本喪失承重能力，在地震作用下建筑一層發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞，如圖10i～k所示。

由圖9b可知，建筑縱向3道軸線中，Ａ軸、Ｂ軸僅有框架柱，無(wú)墻體；Ｃ軸為帶構(gòu)造柱的砌體墻，墻體上開(kāi)設(shè)門(mén)窗洞口。首先，這種布局使得結(jié)構(gòu)一層抗側(cè)剛度平面內(nèi)不均衡；Ａ軸、Ｂ軸抗側(cè)剛度遠(yuǎn)小于Ｃ軸抗側(cè)剛度，在地震作用下地震剪力在Ｃ軸高倍集中，帶構(gòu)造柱的承重墻率先發(fā)生剪切破壞，喪失承重能力，上部結(jié)構(gòu)下沉。其次，一層橫向墻體少，且偏一側(cè)布置，伴有扭轉(zhuǎn)破壞。這種由平面內(nèi)剛度不均衡導(dǎo)致的破壞是建筑“偏”缺陷的體現(xiàn)。最后，建筑一層為框架砌體混合結(jié)構(gòu)，抗側(cè)力構(gòu)件少，二層、三層為砌體結(jié)構(gòu)，墻體布置均勻。豎向墻體不對(duì)齊、不連續(xù)，造成豎向剛度、強(qiáng)度、質(zhì)量差異大，造成底層為薄弱層，是建筑“偏”的缺陷的另一種體現(xiàn)。

3“強(qiáng)柱弱梁”破壞模式

20世紀(jì)70年代，基于實(shí)際震害，有學(xué)者提出鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震中發(fā)生破壞是由于框架柱端出現(xiàn)塑性鉸，形成層屈服的破壞機(jī)制（Paulay，1981；Paulay，Priestly，1992；Park，1999），即“弱柱強(qiáng)梁”破壞模式。為防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)層屈服破壞，新西蘭學(xué)者Paulay和Park提出了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗地震倒塌的“能力設(shè)計(jì)方法”（Capacity Design），強(qiáng)調(diào)在地震作用下，框架梁先于框架柱出現(xiàn)塑性鉸，通過(guò)梁端塑性鉸使整個(gè)結(jié)構(gòu)有大的內(nèi)力重分布，讓盡可能多的結(jié)構(gòu)構(gòu)件參與到整體抗震當(dāng)中，耗散地震能量達(dá)到抗震要求。

從2008年汶川8.0級(jí)地震至2022年瀘定6.8級(jí)地震的14年間，多次破壞性地震造成的震害表明，絕大部分鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)破壞發(fā)生在柱端，梁構(gòu)件并未發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)工程界期望的“強(qiáng)柱弱梁”的整體破壞模式未出現(xiàn)（清華大學(xué)土木結(jié)構(gòu)組等，2008；葉列平等，2008；李碧雄等，2009；溫增平等，2019；郭迅，2019；Günay，Mosalam，2010；譚皓等，2012；岳茂光等，2012；閆培雷等，2014；李碧雄，2015；Dizhur et al，2016；Bal，Smyrou，2016；Barbosa et al，2017；Yépez et al，2016；Varum et al，2017；薄景山等，2018；Moya et al，2018；張令心等，2019；李昆等，2021；趙仕興等，2023）。

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)“強(qiáng)柱弱梁”的抗震設(shè)計(jì)在地震中并未發(fā)揮作用，實(shí)際工程中的很多因素尚未在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）所給出的公式6.2.2-1中得到充分體現(xiàn)。葉列平（2008）結(jié)合震害調(diào)查資料，從填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響、樓板對(duì)框架梁的影響、梁端配筋率和鋼筋強(qiáng)度的影響、框架柱軸壓比的限值及最小配筋率、配箍率影響等方面分析了“強(qiáng)柱弱梁”屈服機(jī)制在建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際抗震中未能實(shí)現(xiàn)的原因。

汶川8.0級(jí)地震后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者汲取建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)震害經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提出如下建議：應(yīng)考慮墻體不同布置方式對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能及墻對(duì)柱約束影響（郭子雄等，2010；曹家樂(lè)等，2022）；考慮樓板對(duì)結(jié)構(gòu)的影響及對(duì)框架梁的加強(qiáng)作用（顧祥林，2012）；應(yīng)考慮墻框連接方式的影響（蔣歡軍等，2014）；應(yīng)減小框架柱軸壓比限值（黃思凝，2016）；應(yīng)提高框架柱端彎矩增大系數(shù)（張浩，2019）；應(yīng)考慮填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響（Teguh，2017；Baghi et al，2018）；應(yīng)考慮箍筋加密對(duì)承載力和變形能力的改變（張炳輝等，2019）；應(yīng)考慮框架柱剪跨比對(duì)結(jié)構(gòu)破壞模式的影響（范曉慶等，2019）。

通過(guò)結(jié)構(gòu)抗震實(shí)踐可知，上述建議效果不理想，且“強(qiáng)柱弱梁”整體屈服機(jī)制未能對(duì)建筑結(jié)構(gòu)震害現(xiàn)象給出合理的解釋。因此，“強(qiáng)柱弱梁”整體屈服機(jī)制有可能是存在不足，該機(jī)制未能實(shí)現(xiàn)的原因有：首先，不能將結(jié)構(gòu)同層的抗側(cè)力和承重構(gòu)件同等看待，真實(shí)建筑結(jié)構(gòu)是不同力學(xué)性能的抗側(cè)力構(gòu)件和豎向承重構(gòu)件同層并存，共同抵抗地震作用；其次，建筑中填充墻一般直接砌筑在框架梁上，而梁上墻體對(duì)其的約束作用使梁端難以出現(xiàn)塑性變形，出現(xiàn)“弱梁不弱”的情況；最后，目前抗震理論采用結(jié)構(gòu)承載力和延性的組合抵御設(shè)定的地震作用，在罕遇地震作用下，通過(guò)結(jié)構(gòu)的塑性變形耗能來(lái)彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)承載力不足，這要求結(jié)構(gòu)變形需經(jīng)歷彈性階段、強(qiáng)化階段、塑性變形階段和失效階段；而在地震動(dòng)往復(fù)作用下，結(jié)構(gòu)從開(kāi)裂到臨界倒塌時(shí)的變形很小，無(wú)法經(jīng)歷強(qiáng)化階段和塑性變形階段就發(fā)生破壞倒塌（郭迅，2022）。

4“變形飽和”倒塌機(jī)理

每次破壞性地震發(fā)生后，都有大量的多層建筑破壞甚至倒塌，而“強(qiáng)柱弱梁”理論對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞和倒塌未能給出科學(xué)的解釋。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，筆者所在的課題組對(duì)地震災(zāi)區(qū)具有代表性的房屋建筑的震害作了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，經(jīng)過(guò)理論分析、試驗(yàn)研究，提出了基于實(shí)際震害的“變形飽和”倒塌機(jī)理。

基于實(shí)際震害，以映秀鎮(zhèn)漩口中學(xué)教學(xué)樓為原型進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)倒塌試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)（王波，2020），受填充墻約束的框架柱端應(yīng)變?yōu)闊o(wú)墻框架柱端應(yīng)變的4倍左右，且率先發(fā)生破壞，即地震剪力在有填充墻框架柱上高倍集中，如圖11a所示的A2柱；由于滿砌橫墻的剛度影響，即便結(jié)構(gòu)的剛度中心與質(zhì)量中心不重合，在地震作用下結(jié)構(gòu)主要沿縱向發(fā)生平動(dòng)，未發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞。為了進(jìn)一步探究墻體對(duì)框架柱力學(xué)性能的影響，開(kāi)展了擬靜力試驗(yàn)，研究了受墻體約束框架柱和不受墻體約束框架的本構(gòu)關(guān)系，并定義了硬脆構(gòu)件和弱延構(gòu)件（A Lata，2022）。

從圖11b所示的各框架柱承載力-位移曲線可知，Ａ軸框架柱的本構(gòu)關(guān)系曲線呈現(xiàn)高、陡、窄特征，表明該構(gòu)件承載力高、剛度大、延性差，稱(chēng)為硬脆構(gòu)件；而Ｂ軸、Ｃ軸線框架柱的本構(gòu)關(guān)系曲線呈現(xiàn)低、緩、寬特征，表明該構(gòu)件承載力低、剛度小、延性好，稱(chēng)為弱延構(gòu)件。地震剪力按照各軸抗側(cè)剛度比例進(jìn)行分配，即使側(cè)移很小時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)力就在Ａ軸高倍集中，率先發(fā)生破壞并觸發(fā)結(jié)構(gòu)倒塌；而此時(shí)Ｂ軸、Ｃ軸線豎向構(gòu)件承載力和變形能力還遠(yuǎn)未達(dá)到最大值，由Ａ軸柱的破壞、承重失效，被連帶破壞。

真實(shí)建筑結(jié)構(gòu)同層是硬脆構(gòu)件和弱延構(gòu)件并存，在地震作用下硬脆構(gòu)件上內(nèi)力高倍集中，結(jié)構(gòu)在較小位移下，硬脆構(gòu)件率先發(fā)生脆性破壞并觸發(fā)結(jié)構(gòu)倒塌。其中，硬脆構(gòu)件在地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力集中，在較小變形下其承載能力達(dá)到極限發(fā)生脆性破壞的狀態(tài)稱(chēng)為變形飽和狀態(tài)。

4.1得妥鎮(zhèn)南頭村1組7號(hào)建筑

得妥鎮(zhèn)南頭村1組7號(hào)建筑位于2022年瀘定6.8級(jí)地震的Ⅸ度區(qū)，為五層，一層破壞嚴(yán)重，二至四層基本完好?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，建筑一層為框架砌體混合結(jié)構(gòu)，上部各層為砌體結(jié)構(gòu)。整棟建筑正立面和一層3D示意如圖12a、b所示。建筑一層為商用，臨街一側(cè)Ａ軸和Ｂ軸無(wú)墻，只有框架柱；Ｃ軸和Ｄ軸設(shè)有窗洞帶構(gòu)造柱的承重墻，Ａ軸和Ｂ軸無(wú)墻框架柱為抗側(cè)弱延構(gòu)件，Ｃ軸和Ｄ軸帶構(gòu)造柱的承重墻為抗側(cè)硬脆構(gòu)件。

地震作用下，建筑一層縱向Ａ軸、Ｂ軸無(wú)墻體約束框架柱全高度參與變形；Ｃ軸、Ｄ軸帶構(gòu)造柱的承重墻，由于窗洞的設(shè)置，將承重墻分為若干墻段共同抵御地震作用。地震剪力在Ｃ軸、Ｄ軸墻體高倍集中，承載力達(dá)到極限值，承擔(dān)的內(nèi)力是其余軸線的約6倍（圖12e、f），同時(shí)，變形達(dá)到飽和狀態(tài)發(fā)生剪切破壞，窗間墻發(fā)生交叉斜裂縫貫通內(nèi)外，如圖12d所示；同層的Ｃ軸、Ｄ軸框架柱只是柱端混凝土脫落，無(wú)其他震害。從圖12c可知，建筑同層由硬脆特性顯著的墻體和弱延特性顯著的框架柱組成，震害對(duì)比鮮明。

在水平地震作用下，總剛度大的軸、軸與總剛度小的軸、軸力-變形曲線如圖12e、f所示，其中，為各軸線上構(gòu)件抗力比：

Q=Q/f_v·A（1）

式中：Q為各軸線上構(gòu)件承擔(dān)的水平剪力；fv為構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度；A為構(gòu)件橫截面面積。

圖中θ為層間位移角：

θ=δ/h（2）

式中：δ為樓板側(cè)向位移；h為底層凈高。

由圖12e可見(jiàn)，Ｃ軸、Ｄ軸的-θ曲線又陡又高，容易快速達(dá)到飽和（圖中S點(diǎn)）而喪失承重能力，后因重力壓垮導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌。由圖12f可見(jiàn)，Ａ軸、Ｂ軸-θ曲線又緩又低，承載力不高但延性好，不容易失效，當(dāng)Ｃ軸、Ｄ軸構(gòu)件被壓垮時(shí)，Ａ軸、Ｂ軸構(gòu)件延性尚未發(fā)揮作用便被樓板牽連而倒塌。實(shí)際上同一層構(gòu)件的剛度、延性差異過(guò)大，有些構(gòu)件并未遍歷（比如Ａ軸、Ｂ軸）倒塌的3個(gè)過(guò)程（彈性變形、屈服、倒塌）。這就是“變形飽和”機(jī)制的倒塌模式，它區(qū)別于因“弱柱強(qiáng)梁”而導(dǎo)致的“層屈服”機(jī)制倒塌模式。Paulay等（1992）認(rèn)為，在層屈服倒塌機(jī)制中，同一層的構(gòu)件共同經(jīng)歷了圖13所示的彈性變形、屈服、倒塌三個(gè)過(guò)程，這與現(xiàn)實(shí)情況是不符的。

4.2得妥鎮(zhèn)中心小學(xué)宿舍樓

得妥鎮(zhèn)中心小學(xué)宿舍樓位于2022年瀘定6.8級(jí)地震的Ⅸ度區(qū)，為4層砌體結(jié)構(gòu)，宿舍樓正面如圖14a所示；地震后該建筑完好，如圖14c、d所示?，F(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，宿舍樓是內(nèi)廊對(duì)稱(chēng)布局，一層、二層以上建筑平面圖如圖15a、b所示，一層3D示意如圖14b所示。

宿舍樓縱向四道軸線，即便縱墻上設(shè)有門(mén)窗洞口，但開(kāi)洞率相近，各軸線抗側(cè)剛度相近；橫向七道軸線，布局對(duì)稱(chēng)，而且二至四層布置相同（圖15b），質(zhì)量、剛度豎向連續(xù)。整棟建筑布置均勻規(guī)整，結(jié)構(gòu)體型規(guī)則，抗側(cè)力構(gòu)件的質(zhì)量、剛度、強(qiáng)度分布均衡對(duì)稱(chēng)，且具有完善的圈梁構(gòu)造柱抗震措施，符合抗震概念設(shè)計(jì)原則，不存在上文指出的建筑結(jié)構(gòu)抗震缺陷。

由圖15a可知，在Ａ軸、Ｄ軸上分配的地震剪力是在Ｂ軸、Ｃ軸上分配的地震剪力的2倍，各軸分配的地震剪力較均衡，在各軸抗側(cè)剛度相差也不大；地震作用較小時(shí)，各軸剪力較小，結(jié)構(gòu)的變形較小，處于彈性階段；地震作用增大后，結(jié)構(gòu)變形尚未達(dá)到結(jié)構(gòu)破壞點(diǎn)，未發(fā)生明顯的破壞，且所受地震剪力小于結(jié)構(gòu)的抗力，從而使結(jié)構(gòu)可以抵御地震作用，如圖15c、d所示。

按照建筑結(jié)構(gòu)變形飽和倒塌機(jī)理，該建筑的抗側(cè)和承重構(gòu)件整體約束情況相同，同層各類(lèi)構(gòu)件的抗震性能相近，有效避免了內(nèi)力集中，沒(méi)有構(gòu)件率先達(dá)到變形飽和狀態(tài)，因此，該建筑即使處于極震區(qū)，仍然未發(fā)生任何震損。這種建筑物抗御超設(shè)防水準(zhǔn)地震作用，依靠的不是建筑結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的塑性變形或延性，而是構(gòu)件間內(nèi)力的均衡分配。

5結(jié)論

本文通過(guò)總結(jié)建筑結(jié)構(gòu)震害特點(diǎn)，分析了地震中發(fā)生破壞和倒塌的各類(lèi)房屋建筑的結(jié)構(gòu)形式、建筑平立面布置、抗側(cè)力構(gòu)件分布及結(jié)構(gòu)體系，認(rèn)為結(jié)構(gòu)破壞、倒塌是其自身存在“散”“脆”“偏”“單”等抗震缺陷，其中“偏”的缺陷較其他缺陷更普遍。揭示了建筑結(jié)構(gòu)中“硬脆”構(gòu)件和“弱延”構(gòu)件同層并存是破壞和倒塌的主要原因，得出了以下結(jié)論：

（1）地震中建筑結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌是由個(gè)別構(gòu)件或局部構(gòu)件先破壞引起的，建筑結(jié)構(gòu)存在的“散”“脆”“偏”“單” 等抗震缺陷，結(jié)構(gòu)破壞倒塌過(guò)程中有可能是其中一個(gè)或多個(gè)缺陷導(dǎo)致的。

（2）建筑結(jié)構(gòu)中填充墻的布設(shè)使結(jié)構(gòu)同層各抗側(cè)承重構(gòu)件的力學(xué)性能截然不同，由硬脆構(gòu)件和弱延構(gòu)件同層并存，其中硬脆構(gòu)件通常是引起結(jié)構(gòu)倒塌的觸發(fā)點(diǎn)，這與目前傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)理論將同一層所有構(gòu)件同等看待，且均等抵御地震作用有著本質(zhì)的不同。

（3）傳統(tǒng)抗震理論強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)承載力和延性的組合抵御設(shè)定的地震作用。變形飽和倒塌機(jī)理強(qiáng)調(diào)構(gòu)件間內(nèi)力分配均衡，只要樓層中各抗側(cè)力構(gòu)件內(nèi)力均衡分配，結(jié)構(gòu)就難以破壞，即具有合理約束，避免“偏”的缺陷，結(jié)構(gòu)就具有很好的抗震能力。

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Analysis of the Aseismic Defects in Multi-Storey Buildings

A Lata1，GUO Xun2，DONG Xiaoyao3，DONG Ce4，LUO Ruofan5，WANG Bo2

（1.Yunnan Earthquake Agency，Kunming 650024，Yunnan，China）

（2.Institute of Disaster Prevention，Sanhe 065201，Hebei，China）

（3.Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin 150080，Heilongjiang，China）

（4.Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China）

（5.School of Civil Engineering，Jiaying University，Meizhou 514015，Guangdong，China）

Abstract

Earthquakes frequently occur in China；minor earthquakes may cause disasters and major earthquakes may cause catastrophes.And the collapse of multi-storey buildings is a major factor causing the loss of life.Aiming at these problems，and based on the earthquake damage data from the field investigation of a dozen of devastate earthquakes（M≥6.0）that have occurred in Sichuan and Yunnan since the 2008 Wenchuan MS8.0 earthquake，this paper firstly compares the structural forms，plan and facade arrangement of buildings，distribution of lateral components，and structural system of the “damaged” and the “undamaged” buildings，then analyzes the seismic damage characteristics of the structures，and finally summarizes the causes of the buildings damage and collapse.It is believed that in the strong-earthquake event，the damage and collapse of the buildings are due to their own aseismic defects such as “dispersion”，“brittleness”，“eccentricity”，“singleness”.Among these defects，“eccentricity” in buildings is more common.Through the experimental research，it is found that the constraint of walls makes the mechanical properties of the lateral components of the same level of a building vary greatly，that is，the hard and brittle components and the weakly-extended components coexist on the same floor of a building.This is different from the traditional seismic design theory，which equally treats all components on the same floor of buildings.Finally，this paper analyzes the “eccentricity” defect of the damaged buildings in these over ten earthquake disasters，and proposes the Deformation Saturation theory that can more reasonably explain the damage and collapse of the buildings in earthquake disaster areas.

Keywords：earthquake damage investigation；collapse mechanism；hard brittle component；weakly extended component；deformation saturation；collapse trigger point