汶川地震建筑震害分析及设计改进建议

汶川地震建筑震害分析及设计改进建议
卢伟煌
福建省建筑设计研究院 350001
[引言]汶川大地震后，福建省设协结构与抗震专业委员会组织结构专家到成都、彭州（彭州市区、通济镇、白麓镇、小鱼洞）、都江堰、绵竹市、汉旺镇等地进行震害调查，涉及的结构型式有钢筋混凝土框架、框架-剪力墙、砌体、排架、钢结构等，为了认真总结震害经验教训，分析结构的破坏机理，提出设计的改进建议，对新建筑的设计有重要的指导意义。

一、汶川地震基本参数：
根据地震部门提供的数据，这次地震的基本参数如下：震级M8.0，断层为龙门山断裂，震源深度14KM ，断裂长度185KM （主震），烈度分布6~11度。

这次地震震害给人的总体感觉，随地形分布，西北高震害严重，东南底震害较轻。

二、典型震害及实景照片：
图1都江堰都江之春楼盘有一幢纯框架结构的七层建筑，底层空旷，上部有隔墙，
图2楼梯梯板拉裂的震害
图3
水泥厂结构的震害
图4 白鹿镇中学在地震断裂带两侧教学楼的震害
图5 都江堰都江之春楼盘底层柱破坏
图6
汉旺镇东方汽轮机厂，框架结构的办公楼隔墙震害
图7 汉旺镇东方汽轮机厂单层厂房震害
图7 小鱼洞大桥的震害
三、结构概念设计问题：
1、多道抗震防线：
结构必须有多道抗震防线，这是抗震设计中非常重要的一个基本概念。

在这次汶川地震中也充分表现出来，有些建筑倒塌，而有些建筑不倒，下面从空旷建筑倒塌来看结构有多道抗震防线的必要性：
这次震害学校教学楼较为严重，一般说来，钢筋混凝土框架结构的抗震性能要优于砌体结构，但这次震害表明空旷的学校（框架结构）教学楼倒塌（如映秀镇漩口中学教学楼，建于2007年3月），而附近的4层砌体结构办公楼，尽管破坏非常严重，但并没倒塌。

为什么在强震作用下，性能比较好的钢筋混凝土框架结构反而不如抗震性能相对较差的砖混结构？其主要原因就是纯框架结构只有一道防线，在大震时，一旦这道防线突破，结构就丧失了全部的承载力而倒塌；而砌体结构住宅和办公楼，由于小开间布置，纵、横墙体较多，按照规范设置构造柱和圈梁，其整体性和延性较好。

砌体裂缝被约束在钢筋混凝土构造柱和圈梁的框格内，不致发生脆性破坏而倒塌。

再举一个例子，汉旺镇东方汽轮机厂，框架结构的办公楼，由于上、下均有砖隔墙，虽然隔墙震害严重，有些产生裂缝甚至倒塌，但对主框架结构而言，看不出有裂缝，这是由于填充墙与框架形成二道抗震防线，填充墙承担第一道防线，填充墙先破坏，而保住主框架，因此2008年版《建筑抗震设计规范》也把隔墙的布置，提供刚度这些内容也写进去了，关于框架结构的围护墙和隔墙，其平面布置的位置和上、下均匀性对结构的抗震性能有很大影响，避免不合理布置；其实墙体的布置就像剪力墙一样，需平面上对称，上、下均匀。

2、填充墙对结构刚度的影响：
这次汶川地震震害表明，填充墙对结构的刚度贡献很大。

目前规范及现有计算手段尚无法对填充墙对结构刚度的影响进行量化分析，因此由于填充墙不均匀布置引起整体结构上、下刚度，水平刚度的不均匀变化，其问题均未解决，这种影响是不容忽略的。

目前，必须根据概念去判断。

填充墙其实就像砖剪力墙，其布置原则必须按砼剪力墙布置原则去考虑，平面上对称、均匀，竖向必须贯通，填充墙布置不当造成的框架结构严重破坏震害例子很多，如都江堰都江之春楼盘有一幢纯框架结构的七层建筑，底层空旷（即没有隔墙），上部有隔墙，由于上部填充墙提供了很大刚度，造成底部形成薄弱层，底层柱顶、柱底出现塑性饺，结构濒临倒塌。

但其最直接原因是底层没有二道抗震防线和底层与上一层侧向刚度相差较大。

3、强柱弱梁基本理念：
抗震设计的基本理念之一是“强柱弱梁”，规范的实现方法是加大柱的设计弯矩，但从这次震害来看，强柱弱梁普遍未能实现。

强柱弱梁普遍未能实现主要有以下原因：
（1）、楼板起到关键作用：
结构设计时，在进行结构整体计算分析时，都是假定荷载传递路径为：板→梁→柱。

而实际上，普通的梁板结构属于无梁楼盖的一种特殊情况，有一部分荷载通过板直接传给了柱。

根据假定算出来的框架梁弯矩是个“假弯矩”，和实际情况有差别，由于楼板的作用，对于框架梁来说，其截面形式为T形梁，而非矩形梁，T形梁翼板内的板筋对框架梁抗弯承载力提高起到很大作用。

以上两方面的作用，框架梁的钢筋按目前计算结果的抗弯承载能力大大超过其实际承担的设计弯矩。

（2）、设计人员超配梁钢筋又起到推高作用：
结构设计人员实配钢筋比计算结果来得大，更可怕的是，梁通过裂缝宽度验算，又大大加大梁的配筋，有的甚至提高50%。

我认为除了大跨度，特殊使用条件的梁需验算裂缝外，均可不验算裂缝，按这种方法增加梁配筋，对整个结构的安全度没好处，如确需要加大梁配筋，相应的柱截面和配筋也需加大。

要做到强柱弱梁的抗震设计原则，就要反其道而行之。

在计算上，充分考虑楼板的作用，框架梁支座弯矩取到柱边，充分考虑板的钢筋作用，因此需把钢用在刀刃上，加
强竖向构件截面和配筋，设法让框架梁先出现屈服，实现比较好的延性机制，对抗震耗能比较有利，同时也带来较大的经济效益。

强柱弱梁的设计除了强度需满足外，刚度也需控制，柱的线刚度必须大于梁的线刚度1.1~1.5倍，即柱截面不能太小。

业主和建筑师总是要求柱子截面越小越好，钢筋可以多加，尺寸都没得商量，从这次地震看，倒塌框架的废墟中可以发现细细的柱子，框架柱截面太小，直接的结果是柱头压碎和底层柱压塌。

4、抗震设防标准问题：
目前抗震规范是把基本烈度降低1.55度进行抗震设计，也就是所谓的小震设计。

这次汶川地震后，很多结构专家提出竖向构件设计过渡到中震设计（框架梁还按小震设计），保证竖向构件的承载力，有利于真正实现“大震不倒”的设计意图。

实际上，发达国家都按中震设计结构。

通过竖向构件承载力提高和中震作用的切入，这种细分的性能设计比较容易落实，实际工程中也比较容易操作，更容易达到强柱弱梁的基本指标。

5、防震缝的问题：
这次地震中，由于房屋相互碰撞产生的巨大灰沙烟雾，给人留下深刻的印象，相互碰撞主要原因是设计预留的缝宽不能满足地震发生时建筑物的摇摆幅度，防震缝处的构造处理不当，这类破坏修复非常麻烦。

6、楼梯间梯板受力问题：
汶川地震楼梯间的梯板拉裂的情况比较普遍，说明梯板的空间抗侧力作用明显，但很少被拉断的情况，梯板被拉裂的位置有些专家说属后浇带位置，但我认为是梯板支座负筋截断点处，因为有些梯板有两处拉裂的位置。

修订抗震规范要求考虑楼梯构件的影响。

7、预制板问题：
预制板建筑，这次汶川地震震害特别严重，我认为不能用预制板。

原因有：预制板的搁置长度有限，把竖向承重墙体在每层楼板处隔断，整体性差，虽然规范要求要有可靠连接，但实际施工起来难以做到。

8、慎用单跨框架：
两根柱子，一根梁，组成的单跨框架，是最简单的结构形式，用于教学楼可以两边通风采光，再加个悬挑外廊可以让学生进行户外活动，所以常见于中小学教室，但是这种结构形式没有二道防线，一根结构柱破坏，框架马上倒塌，汶川地震中小学教学楼破坏严重，甚至倒塌，可能与此相关。

对有些教学楼外部改悬挑为柱子支承，单跨变双跨，情况就好很多。

这次修订的抗震规范就明确高层的框架结构不应采用单跨框架结构，多层框架不宜采用单跨框架结构，我们省规定乙类建筑不能采用单跨框架。

9、砖混结构：
砖混结构刚度大、变形小，许多砖混结构的大开间房屋发生破坏，因此采用砖混结构，开间的尺寸、房屋的高度、层数，层高、楼梯间设置的位置应严格限制。

考察发现圈梁和构造柱对抗震作用很大。

我省农村地区多采用砖混结构，为了进一步提高砖混结构的抗震性能，加密砌体房屋构造柱的设置间距，每层设置圈梁，端部楼梯间按框架结构设计，采用现浇楼板等措施，这是保证砖混结构抗震能力的有效措施。