地震工程学

从汶川地震探讨建筑抗震概念设计及其对我们的启示 交通学院 徐伟 摘要：本文介绍了建筑的抗震概念设计，分别从其基本要求、教学楼的抗震以及如何识别结构的规则性三个方面进行了分析探讨。并针对汶川大地震的发生原因和造成的经济损失, 结合工程建设和设计方面知识给出在场地选择、抗震设防、鉴定加固、抗震技术和科技投入等几方面的建议,本文也对地震高发地区如何提高农村房屋抗震能力提出了若干对策和建议，从而为今后工程设计和研究积累经验。

关键词：建筑；抗震设计；规则性；场地,工程设计，农村房屋 汶川大地震是新中国成立以来破坏性最强、涉及范围最广、救灾难度最大的一次地震, 给四川省造成直接经济损失超过1万亿元人民币。从宏观对房屋震害原因分析，一是由于强地震作用力直接导致房屋倒塌毁损，其中汉旺镇是最典型的单纯受地震作用力破坏的地区；二是由于除强地震作用力之外，大面积山体滑坡的次生灾害给房屋带来了毁灭性破坏，如北川县城山体滑坡使老城区1/3 几乎被埋没，新城区将近1/4埋没；三是地基液化，部分地区座落在河滩松散的堆积物上，地震发生后，引起强烈的砂土液化，比较典型的是映秀镇；四是地表开裂或隆起，发生在地震中心区域或临近断裂带区域，如北川县。通过对震灾的反思，普遍认为，最关键的问题，就是要高度重视建筑抗震概念设计。同时，这次地震也给我们的地震工程学带来许多启示。

1 对建筑抗震概念设计的理解 建筑抗震概念设计是指根据地震灾害和工程经验等所形成的设计基本原则和设计思想。《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)[1]把建筑抗震概念设计作为必须执行的强制性标准条文，同时还对建筑方案的各种不规则性，分别给出了处理对策。针对超限高层建筑，建设部建质[2006]220号文“超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点”的第11 条(以下简称超限高层审查技术要求)，提出了建筑结构抗震概念设计应符合的要求。(1)超高时建筑结构规则性的要求应从严掌握，明确竖向不规则和水平不规则的程度，避免过大的地震扭转效应。(2)结构布置、防震缝设置、转换层和水平加强层的处理、薄弱层和薄弱部位、主楼与群房共同工作等妥善设计。(3)结构的总体刚度应适当，变形特征应合理；楼层最大层间位移和扭转位移比符合规范、规程要求。(4)混合结构工程、钢支撑框架结构的钢框架，其重要连接构造应使整体结构能形成多道抗侧力体系。(5)多塔、连体、错层、带转换层、带加强层等复杂体型的结构，应尽量减少不规则的类型和不规则的程度；一般不宜超过文献[2]规定的最大适用高度。(6)当几部分结构的连接薄弱时，应考虑连接部位各构件的实际构造和连接的可靠程度，必要时取结构整体计算和分开计算的不利情况，或要求某部分结构在设防烈度下保持弹性工作状态。(7)规则性要求的严格程度，可依抗震设防烈度不同有所区别。 当计算的最大水平位移、层间位移值很小时，扭转位移比的控制可略有放宽。知名结构专家李国胜[3]在他编著的“多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理算例”一书中，对结构抗震概念设计基本原则，归纳成4点：结构的简单性；结构的规则性和均匀性；结构的刚度性和抗震性；结构的整体性。

2 汶川地震房屋灾害中的经验教训 面对汶川这种山崩地裂的大震，任何一种计算模型都是苍白无力的，这时更显示出了概念设计的重要性。一个好的抗震设计，是应该在保证建筑物的整体性、延性等多重防线上下功夫，而不应该是一味地死扣地震力有多大。比如在这次地震中，破坏最严重的就是变形能力差的大空间的砖混结构(比如教学楼、医院等)和楼板整体性差的预应力空心板结构，而直到今天，预应力空心板还大行其道，有关规范也并未禁止使用。那些命悬1梁1柱1墙的建筑更是比比皆是。这些建筑用文献[1]理论计算或许会满足要求，但它在真正的地震中不堪一击。汶川地区，原是按7度抗震设防，实际地震基本烈度为9～11 度，在同样超大震作用下，有的房屋基本较好，有的虽有破坏而未倒塌，有的整体倒塌。 2.1 概念设计的重要性 凡是符合抗震概念设计要求的高层钢筋混凝土结构，如汉旺东讫办公楼13层框架结构，绵阳时代广场30层框架—核心筒结构，都基本完好。这些工程是按7度抗震设防进行设计的，经过9度地震作用的考验，在超大震作用下不倒。实践证明了按文献[1-2]进行高层钢筋混凝土结构设计是成功的，三水准抗震设防的目标是可行的。 2.2 教学楼倒塌严重，伤亡惨重 砖混结构教学楼，采用单面挑外廊的结构形式，极不利于抗震。教学楼一般为(6～7.2) m×9m的教室单面外挑出2.1 m走廊，楼面梁作用在纵墙上，在梁作用外仅加构造柱，是典型的弱柱强梁，开大窗后窗间墙断面小，在地震作用下，窗间墙是剪切破坏，引起房屋整体倒塌。因此对这种砖混结构的教学楼，应尽量避免采用单面挑出的外廊式，同时纵墙上楼面梁作用处，跨度不小于6 m 大梁的支撑构件应采用组合砌体等加强措施[1]。同时笔者认为对这些大开见房屋较多的教学楼的教室4大角、外纵墙大高洞口两侧、楼梯间，也应按文献[1]规定设构造柱。另外，在抗震地区的教学楼，也不宜采用教室大梁处为框架，又有横墙混合承重的方案。教学楼楼面的整体性很重要。在各省的房屋建筑工程抗震设防暂行管理规定中，对教学楼楼面的整体性都有相关的明确条款。这一措施对保证教学楼的抗震是有利的。教学楼宜优先采用现浇框架结构，但是单跨挑外廊的钢筋混凝土框架，仅有1道抗震防线，一旦柱子受地震破坏，就会使房屋整体倒塌。映秀镇漩口中学3层单跨挑外廊框架整体倒塌就是一个惨痛教训。结构必须有多道抗震防线，有一定数量的冗余度。台湾1999年大地震后总结经验教训，将外挑走廊外边再加1排钢筋混凝土柱成为3跨框架，同时在楼梯间和纵墙增加一些剪力墙，增强了房屋的抗震性能，值得借鉴。 2.3 提高砖混结构房屋的抗震能力的新举措 设置构造柱和圈梁，约束砖墙变形，可以有效提高抗震能力[1]。房屋4 大角是应力集中的薄弱部位，不应开角窗，且应加大构造柱的配筋，可用4Φ14纵筋。若楼梯间倒塌，造成人员无法疏散而伤亡惨重，因此，对多层砖混房屋的楼梯间应采取加强措施。在楼梯的4大角以及梯段上下端对应墙体增加4个构造柱和4大角设4个构造柱，并在墙上适当加配钢筋，使楼梯间成为应急疏散的安全岛。同 时顶层楼梯间横墙和纵墙每隔500 mm，应设2Φ6通长钢筋。伸出屋顶的楼梯间，四周设构造柱和屋顶圈梁连接，内外墙交接处应沿墙高每隔500 mm设2Φ6通长钢筋。在汶川地震灾害中，预应力空心板下坠伤人现象，引起了国内结构专家的高度关注。经过客观分析这个问题，可以知道墙体(支承预制板的)先垮了，预制板随之下坠；当上部有重物塌落时，预制板折断成散板下坠伤人。这主要是预应力空心板楼盖整体性差，板未在墙体支承处可靠连接锚固，板的拼缝未认真用细石混凝土灌缝形成抗剪键，同时冷轧带的预应力钢筋延性差，容易脆断。也可以这样理解：不能匆忙取消预制板，是墙垮才板断下坠伤人。当采用混凝土装配式楼层盖时，应从楼盖体系和构造上采取措施，确保各预制板之间连接的整体性[1]。 2.4 区别结构不规则、特别不规则、严重不规则 不规则的建筑方案应按规定采取加强措施；特别不规则的建筑方案应进行专门研究和论证，采取特别的加强措施；不应采用严重不规则的建筑方案[1]。文献[1-2,4]明确了结构不规则的类型共9种，详见表1。不规则是指超过表1中1项或2项不规则指标，但不得超过表2中的任一项规定的界限；特别不规则，指的是3项或3项以上超过表1规定的指标；或某项超过规定指标的限值较多，即超过表2任一项指标，这种结构具有明显的抗震薄弱部位，将会引起不良后果者；严重不规则，指的体型复杂，不规则指标超过了特别不规则指标的限值，即超过表2中的2项，或同时采用多塔、连体、错层、带转换层、带加层5类复杂类型中3种以上的高层建筑，具有严重的抗震薄弱环节，将会导致地震破坏的严重后果者，是强标禁止使用的，具体见表1和表2。在结构设计中，应尽量避免采用特别不规则方案，严禁采用严重不规则方案。同时具有表1 所列3项及3项以上不规则的高层建筑工程属特别不规则高层建筑。

表1 高层建筑工程不规则类型表(一) 序 不规则类型 涵 义 备 注 1 扭转不规则 考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2 GB50011-2001(3.4.2) 2 偏心布置 偏心距大于0.15 或相邻层质心相差较大 JGJ99-98(3.2.2) 3 凹凸不规则 平面凹凸尺寸大于相应边长30% GB50011-2001(3.4.2) 4 组合平面 细腰形或角部重叠型 JGJ3-2002(4.3.3) 5 楼板不连续 有效宽度小于50%，开洞面积大于30%，错层大于梁层高 该层侧向刚度小于相邻上层的70%，或小于其上相邻3 个楼层 GB50011-2001(3.4.2) 6 刚度突变 侧向刚度平均值的80% GB50011-2001(3.4.2) 7 尺寸突变 缩进大于25%，外挑大于10%和4 m JGJ3-2002(4.4.5) 8 构件间断 上下墙、柱、支撑不连续，含加强层 GB50011-2001(3.4.2) 9 承载力突变 抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一层的80% GB50011-2001(3.4.2) 表2 所列某项不规则的高层建筑工程属特别不规则的高层建筑。 表2 高层建筑工程不规则类型表(二) 序 简称 涵义 1 扭转偏大 不含裙房的楼层扭转位移比大于1.4 2 抗扭刚度弱 扭转周期比大于0.9，混合结构扭转周期比大于0.85 3 层刚度偏小 本层侧向刚度小于相邻上层的50% 4 高位转换 框支转换构建位置；7 度超过5 层，8 度超过3 层 5 厚板转换 7～9 度设防的厚板转换结构 6 塔楼偏置 单塔或多塔与大底盘的质心偏心距大于底盘相应边长20% 7 复杂连接 各部分层数、刚度、布置不同的错层或连体结构 8 多重复杂 结构同时具有转换层、加强层、错层、连体和多塔类型的2 种以上 9 单跨高层建筑 高度超过28 m 的单跨框架结构

2.5加深对地震工程知识的了解,工程建设中避开断层选择对抗震有利的建筑场地 这次巨大地震的最根本动力来源还是青藏高原和华南地块之间相对运动在断裂带上产生的能量积累和释放[ 1, 2, 4, 5] 。印度大陆向北推挤,形成了世界屋脊青藏高原,其平均海拔高度超过5000m,地下的地壳厚度达60 km ~ 70 km,比四川盆地厚40km的地壳多出20 km~ 30 km。在这种状态下,青藏高原不可能再向上升高和向下增厚,高原内部的地壳物质只能向东和向北扩展,导致高原在这两个方向上的增生。由于强硬四川盆地的阻挡,在青藏高原东部与四川盆地交界地带就形成了南起泸定和天全,北达广元和陕西勉县、长近500km、宽40 km~ 50 km、北东走向的龙门山脉。构成龙门山脉的重要岩石单元是古老的杂岩体,这种岩石抵抗破坏和断裂的强度特别大,能够积累很大的能量在瞬间释放形成强烈地震。这次地震破坏严重的地方无一例外地都坐落在断裂带上。北川县城遭到毁灭性破坏的原因有四条: 1)映秀， 北川发震断裂从整个县城通过； 2)县城附近的地震破裂位移量大,地震在这里释放的能量也大； 3)县城坐落在河滩松散堆积物之上,场地效应和地基失效使破坏加剧； 4)大量的山体滑坡和岩石崩塌使得灾害雪上加霜[8]。汶川地震发生在四川龙门山逆冲推覆断裂带上。该断裂带是青藏高原和华南地块的边界构造带,经历了长期的地质演化,具有十分复杂的地质结构和演化历史。 2.6工程设计、施工、验收必须严格执行建筑法规,加强抗震设防概念认识 这次大地震中倒塌的房屋,无抗震设防的建筑物远比抗震设防的多。这主要是: 1)某些建筑的设计不符合规范、建筑材料以次充好、施工粗制滥造, 例如部分倒塌建筑物所用的钢材和水泥不符合标准,且工程施工中经常会有未经过专业训练的人员承担； 2)建设管理部门没有严格履行审批、检查和监督职责,有的检查和监督人员收受贿赂,任凭那些不符合标准的住宅进入市场。人们普遍认为,那些惟利是图的劣质建筑承包商是罪魁祸首,而负责审批、监督建筑的政府主管部门及其官员也负有不可推卸的责任。这说明有法不依,执法不严, 再好的法律也不过是一纸空文。因此必须加强工程设计、施工、验收各环节的把关和监督机制。 抗震设防的目标是: 当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时,一般不受损失或者不需要修理可继续使用；当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时,可能损坏,经一般修理或者不需要修理仍然可以继续使用；当遭受高于