汶川地震后学校砌体建筑结构破坏情况调查与分析

大连理工大学学报

JournalofDalianUniversityofTechnology

Vol.49,No.5

Sept.2009

文章编号:1000󰀁8608(2009)05󰀁0650󰀁07

汶川地震后学校砌体建筑结构破坏情况调查与分析

王立成*

(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连󰀁116024)

摘要:根据现场实地调查的结果,对󰀂5 12!汶川大地震后学校砌体建筑物的破坏情况进行

了归纳总结.将调查的房屋破坏类型分为主体结构破坏、局部破坏和非结构构件破坏.另外,为便于分析和查找原因,将主体结构的破坏程度划分为整体倒塌、严重破坏但不倒塌以及中等损坏等几种类型.分析了造成结构出现这些不同程度破坏的原因,指出房屋所在地的地震烈度、是否符合抗震设计要求以及结构是否存在多道抗震防线是造成结构出现不同破坏程度的主要原因.最后,对学校砌体结构建筑物建议从建筑设计的规则性、多道抗震防线等方面提高抗震设防水平.

关键词:汶川地震;砌体结构;震害;抗震设防中图分类号:TU312.3;TU352

文献标志码:A

0󰀁引󰀁言

2008年5月12日14时28分,四川省汶川县发生的里氏8.0级的特大地震,震中位于汶川县映秀镇(纬度31.0∀N,经度103.4∀E),震源深度14km.此次地震,造成了数万人死亡或失踪,数十万人受伤,大量道路、桥梁被毁,2300多万间房屋损坏,650多万间房屋倒塌.受经济发展水平的,汶川地震灾区在20世纪建造的城镇住宅、办公楼、中小学教学楼、宿舍楼等建筑多数采用多层砌体结构形式.结构的承重墙体厚度一般为240mm,少数为180mm或120mm,楼(屋)面大多为预制混凝土空心楼板.这种结构在地震区数量最多、震害也最严重

[1]

62幢建筑.其中,钢筋混凝土结构建筑30幢,砌体结构28幢,混合结构4幢.本文根据调查结果,与#建筑抗震设计规范∃(GB50011%2001)[2](以下简称#抗震规范∃)的有关规定进行对比分析,总结砌体结构的破坏情况和破坏特点,找出造成结构破坏的原因,特别是对那些在地震中保持完好或者破坏程度轻微的建筑,指出其有利于抗震的技术措施和值得借鉴的经验.

1󰀁主体结构破坏程度分析

1.1󰀁主体结构倒塌

砌体结构具有脆性性质和整体性差的特点,与其他结构相比其抗震性能相对较差.在历次大地震中,未经合理抗震设计的砌体房屋均遭受了不同程度的破坏.例如,1906年美国旧金山地震,砌体结构破坏非常严重,砖结构的市府大楼全部倒塌,形成一片废墟;1923年日本关东地震,可修复使用的砌体结构房屋仅占15%;1948年前苏联阿什哈巴地震,砌体结构房屋的破坏率达70%以上;1976年我国唐山地震,位于10度和11度烈度区的唐山市,砌体结构房屋的破坏率达90%[3].这次汶川地震,很多砌体房屋的平面布

.特别是不同年代建造

的房屋,呈现出不同的破坏规律,反映了当时的建筑设计特点和技术发展水平.

受国家住房和城乡建设部的派遣,包括本文作者在内的专家组一行5人,于2008年5月31日前往汶川地震灾区对震后学校建筑结构抗震性能进行了鉴定评估.评估历时6d.期间共调查了16所中学、11所小学和2所幼儿园的教学楼、教学实验办公综合楼、图书馆及学生宿舍楼等共计

收稿日期:2009󰀁03󰀁04;󰀁修回日期:2009󰀁07󰀁04.

作者简介:王立成*(1975󰀁),男,博士,副教授.

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置、结构形式和抗震构造措施等都很难满足目前抗震设计规范的要求,特别是六七十年代砌体房屋在设计时没有考虑抗震设防,在这次地震中破坏尤为严重,甚至出现大面积的倒塌.图1、2分别为位于震中映秀镇(实际烈度11度)和彭州市白鹿镇白鹿中学的两栋砌体建筑,已经完全倒塌.

楼,建于1995年,由中国建筑西南设计院设计,结构整体破坏严重,地面隆起.由于考虑了抗震设计,增加了构造柱等抗震构造措施,局部构造柱的钢筋甚至达到屈服,帮助结构消耗了大量的地震能量,使结构整体上保持不倒塌.

(2)建设年代较早,未采取抗震构造措施的砌

1.2严重破坏

调查发现,地震中虽然很多砌体结构没有完全倒塌,但也遭受了严重的破坏.主要分为如下两类:

(1)位于震中地区的房屋,虽然许多建筑结构按照新的抗震设计规范进行了抗震设计,采取了一定的抗震构造措施,然而由于所在地的地震烈度太高,仍然产生了很大的损坏.例如,汶川县映秀镇的设防烈度是7度,但实际的震中烈度达到了11度,高出设防烈度3~4度.因此出现大量建筑的严重破坏也是可以接受的,但是只要这些建筑能够实现坏而不倒塌,也就达到了抗震设计规范󰀂小震不坏,中震可修,大震不倒!的三水准抗震设计目标.如图3所示的映秀镇漩口中学的学生宿舍楼,结构出现了严重开裂,却能够保持整体性而不倒塌.图4为白鹿镇中心学校的初中部教学体结构.这类砌体结构由于未经过抗震设计、未采取有效的抗震构造措施,房屋的整体性较差,即使在遭遇本地区设防烈度的情况下,结构也会因为抗震防线单一,因局部的承载力不足而引起整体结构的严重破坏.例如,德阳市第一幼儿园的教学办公楼,建于1985年,为3层外廊式砌体结构,2005年经改造加固,顶层改为现浇框架结构(见图5),主体结构严重受损,承重横墙出现大量X形贯通裂缝(见图6),甚至一侧山墙的砖都被压断(见图7).另一个例子是位于德阳市的东电中学,在检查中发现,一栋1981年建成投入使用的5层砖混教学楼,即便2007年经过加固处理,此次地震中也遭受了严重破坏,承重墙体大面积开裂,如图8所示.而它旁边的学生宿舍楼,也是采用的砖混结构,但由于是2005年建成,按照#抗震规范∃进行的抗震设计,在地震中基本未受损坏.

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那些设计建造年代较早,或者未按#抗震规范∃进行抗震设计,未采取必要的抗震构造措施的建筑物,应该立即拆除.因为,这类受损严重的建筑物,即使遭遇低于设防烈度的余震,也会因抗震能力不足而倒塌.

1.3󰀁轻微到中等损坏

已有专家指出,对于此次地震,仅调查超高烈度下结构的震害是不够的,更要重视调查可能按现行规范进行抗震设防的各类构件体系的震害表现.这次调查中,专家组工作的一个重点就是了解那些轻微到中等损坏建筑的设计、建造情况,希望为较为科学地评价我国抗震规范设防标准的适合性及为今后抗震设计规范是否需要修改或调整,以及如何进行调整提供一定的参考.

调查中发现,位于都江堰(设防烈度7度,地震烈度8度)、德阳(设防烈度6度,地震烈度7度)、成都市区(设防烈度7度,地震烈度7度)的许多建于20世纪90年代以后的砖混建筑,在地震中受到了轻微到中等的损坏.比如位于德阳市的德阳中学初中部综合楼,建于1992年,地震后基本保持完好.位于成都市的成都市第十二中学、第十四中学的多栋教学楼,都建于1990年之后的两三年内,基本上是在设防烈度的地震作用下,受到了轻微到中等的损坏.值得注意的是,在最近几年按2001#抗震规范∃设计建造的结构中,有很多建筑物的受损情况要比按#抗震规范∃设计的轻得多.例如位于都江堰市的都江堰安顺小学教学楼(建于2008年)、都江堰中学学生公寓(建于2008年)即使经历了高于设防烈度的大震作用,仍能保持结构完好.建于2006年的都江堰市中兴学校的3栋教学楼、4栋学生公寓也仅受到了轻微损坏(图9).

[4]

对于以上属于严重破坏的建筑,即使整体结构没有倒塌,但是局部承重墙体出现了严重影响承载能力的损坏,已经失去了加固的价值,特别是图9󰀁都江堰市受轻微损坏的某教学楼

Fig.9󰀁AteachingbuildinginDujiangyanCity

undergonelightdamage

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2.3󰀁预制梁的开裂

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2󰀁结构局部破坏

地震中,大量的结构不是整体上受到了严重破坏,而往往是结构的某一受力构件、受力部位由于建筑设计不规则、施工质量差、使用不合理等因素造成的局部破坏.这些局部破坏虽然不会带来整体结构的倒塌,但给结构的继续使用带来了很大的隐患.有些情况下,结构的局部破坏也会造成人员伤亡.

2.1󰀁建筑设计不规则

调查中发现,有些学校建筑为追求建筑效果,采用一些不规则结构形式,地震作用下造成结构产生扭转效应而引起局部破坏.例如,成都彭州市某中学的女生公寓采用的是砖混结构(建于1998年),由于在门厅处出现了不规则的转角,4、5层门厅构造柱中部出现水平裂缝,如图10所示.

此次地震灾区,建于20世纪的砌体结构的中、小学教学楼大多采用单边悬臂外廊的结构形式,教室的平面尺寸也常采用6m&9m或7m&9m,楼屋盖采用预制花篮梁+预制空心楼板的形式

[5]

.由于梁的跨度过大,且承重纵墙开门窗洞

口,结构整体抗侧移刚度太小,加上砌体结构的脆性性质,此类建筑成为地震中最不利于抗震的结构形式.图13为一学校教室顶层预制混凝土梁开裂的情况,从图中还可看出混凝土的浇筑不是十分密实,存在一些蜂窝狗洞.在对整个建筑进行󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

图10󰀁某公寓因不规则转角造成构造柱开裂

Fig.10󰀁Columncrackingduetotheirregularlayout

ofthebuildingstructuralelements

2.2󰀁楼梯间的破坏

楼梯间是住宅和学校建筑的出入口,也是地震时人群疏散的唯一通道.地震时楼梯间的破坏,往往会造成大量的人员伤亡,更影响了人群的疏散速度和救援速度.因此#抗震规范∃和#砌体结构设计规范∃明确要求:外墙四角,楼、电梯间的四角,较大洞口两侧,大房间内外墙交接处应设置构造柱.图11为某学校教学楼楼梯间墙体破坏的例子.因此,在抗震、防震意识均比较发达的日本,很多住宅、学校建筑等都设有室外的备用楼梯,这类楼梯重量较轻,与主体结构采用柔性连接,通常具有自己的支撑体系,在遭受突然地震等自然灾害时能够增加一条逃生的通道,图12为一典型例子.

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调查时发现,顶层所有预制梁几乎在相同的位置处出现了开裂,可见地震破坏的规律性.与此形成对比的是,位于映秀镇的多栋建于90年代以前的砌体住宅建筑(图14),由于房屋的开间很小,门窗洞口很小,并且往往是纵横墙混合承重,结构的整体抗侧移刚度提高,在地震作用下,能够实现大震不倒的设防标准,挽救了人们的生命.

图14󰀁位于映秀镇的某旧式住宅楼

Fig.14󰀁AnoldresidentialbuildinginYingxiuTown

3󰀁非结构构件的破坏

地震中,除了受力结构遭受了严重破坏外,还大量存在许多非承重结构或非结构构件的破坏问题.这类结构或构件的破坏,虽然威胁不到整个建筑物的安全,但是如果出现倒塌、坠落等也会造成很严重的人员伤亡.

非结构构件包括持久性的建筑非结构构件和支承于建筑结构的附属机电设备.#抗震规范∃对非结构构件的抗震措施进行了详细的规定.本次调查中发现非结构构件的破坏可以分为维护墙、分隔墙破坏;装修、装饰贴面破坏;抗震缝破坏;屋面吊顶破坏等(图15~18).

4󰀁讨󰀁论

通过对地震灾区部分学校建筑物的震害调查,可以得出以下几方面的结论.4.1󰀁砌体结构能否抗震的问题

通过调查发现,对于砌体结构的抗震问题,应

图15󰀁室内分隔墙破坏

Fig.15󰀁Damageofthedividingwallsinthebuilding

该给予公正、客观的分析,而不是片面地依据建筑物的倒塌数量来认定.由于此次地震发生的大部分区域是相对落后地区,在多数城镇、农村,住宅、

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学校等建筑结构的主要形式是砌体结构,特别是20世纪90年代以前,比例更是达到90%以上.而且这些老的建筑,在设计和建造时很少或者根本就没有考虑抗震问题,再加上此次地震的超高烈度,造成了砌体房屋结构的大面积倒塌.因此,不能就此得出砌体结构不抗震的结论.前面列举的许多最近几年建造的房屋,由于按照#抗震规范∃进行了抗震设计和采取了抗震构造措施,即使位于极震区的结构也达到了󰀂坏而不倒!的设计目标.4.2󰀁建筑设计和建筑结构的规则性

#抗震规范∃中对房屋的建筑设计和建筑结构的规则性提出了明确的要求:建筑设计应符合抗震概念设计的要求,不应采用严重不规则的设计方案.并要求建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称,并应具有良好的整体性;建筑的立面和竖向剖面宜规则,结构的侧向刚度宜均匀变化等对结构平、立面形状和刚度的要求.由此可见,#抗震规范∃对建筑结构的规则性是有明确规定的,然而近年来,许多人对此认识不足,建筑设计时往往只考虑视觉上的效果,忽视了结构抗震安全性的重要性,设计出的建筑在平面或立面上都极不规则,这样就会导致房屋刚度、质量分布不均匀,刚度中心与质量中心不重合,在地震作用下不规则部位的受力较其他部位要复杂,容易产生应力集中,势必会造成房屋的局部甚至整体的破坏.因此,对于学校建筑,主管部门应给出明确规定,对不规则的结构形式进行.4.3󰀁多道抗震防线和抗连续倒塌问题

#抗震规范∃对结构体系提出了多道抗震防线的要求,对于在大震作用下结构抗倒塌具有重要意义

[6]

未成年人,现在广泛存在的那种大开间教室建筑结构,应该考虑在现有抗震防线的基础上再增加一道抗震防线,从而提高此类建筑的抗震水平.例如,已有学者对提高砌体结构的抗震性能提出了具体措施

[8]

.还有人指出,对砌体结构用于大开

间、大窗户的教学楼时,应特别加强结构抗震设计及构造措施,或采用配筋砌体结构[4].图19为日本某大学的教学办公楼采用增设钢架提高结构抗震性能的措施.

图19󰀁日本某大学教学办公楼的抗震增强措施

Fig.19󰀁Theseismicreinforcedmeasuresofa

teachingandofficebuildinginoneuniversityofJapan

5󰀁结󰀁论

(1)对于󰀂5 12!大地震对砌体结构建筑物产生不同程度破坏的原因,应该根据建筑物所在地的设防烈度、地震烈度以及建造年代,是否采取了抗震加固措施等综合分析,不能仅以地震后结构是否倒塌进行简单的判断.

(2)应加强对#抗震规范∃中关于结构抗震概念设计重要性的重新认识.通过地震中不同年代建筑物的震害分析,发现同一地区采取抗震设计和抗震构造措施的房屋的破坏程度要明显低于未采取相关措施的房屋,特别是近几年来按照2001年新的#抗震规范∃设计的房屋,多数都经受了高于其设防烈度的󰀂大震!的作用,没有出现倒塌.

(3)对于中小学的教学楼等建筑,应在现在的设防水平上进一步提高其抗震能力.特别是对那些大开间的教室、实验室等,要增加抗震防线.另外,房屋的建筑设计应符合抗震概念设计的要求,不应采用严重不规则的设计方案.

(4)对地震后那些轻微受损以及结构完好的.#混凝土结构设计规范∃(GB50010%

2002)[7]对混凝土结构也提出󰀂结构应具有整体性,结构的局部破坏不应导致大范围倒塌!,在其正在修订的版本中,将增加结构抗连续倒塌设计的内容.砌体结构的构造柱、圈梁可以看做结构的第二道防线,因此按#抗震规范∃设计的房屋,由于设置了构造柱、圈梁,在遭遇超过设防烈度的地震时,保证了结构的整体不倒塌.

对于中小学校建筑,人群相对集中,又涉及到656

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[3]施楚贤,徐

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建筑,应根据现在的#抗震规范∃等进行检测并采取抗震加固措施.

致谢:在地震灾区调查时,与中国建筑科学研究院工程抗震研究所的王亚勇研究员以及大连理工大学的贡金鑫教授进行了许多有益的探讨,在此表示感谢.

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Investigationandanalysisfordamage

ofschoolmasonrybuildingsinWenchuanearthquake

WANG󰀁Li󰀁cheng*

(StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

Abstract:Intermsoftheresultsofin󰀁siteinvestigationofWenchuanearthquakewhichoccurredon

12May,2008,theseismicdamageofschoolmasonrystructuralbuildingsispresentedandsummarized.Thedamageofmasonrystructuresisbasicallyclarifiedasdamageoftheprincipalstructure,destructionofsomelocalpartsofabuildingaswellasthedamageofnon󰀁structuralelements.Additionally,asthedamagedegreeoftheprincipalstructureisconcerned,itisfurtherdividedinto3levelsofdamage,i.e.,collapseofthetotalstructure,heavydamagebutnotcollapseandthemoderatedamage.Themajorcausesresultingindifferentdamagedegreesofthemasonrystructuresarecommonlyattributedtothefollowingreasons:differentseismicintensitywherethestructureexists;whetherthebuildingisdesignedorconstructedtomeettherequirementsofseismicfortification;andwhetherthebuildinghasamulti󰀁fortificationsystem.Finally,fortheschoolmasonrybuildings,itissuggestedtotakesomemeasures,suchastheregulararchitectureandstructuredesign,multi󰀁fortificationsystem,todevatetheseismicfortificationlevel.Keywords:Wenchuanearthquake;masonrystructure;seismicdamage;seismicfortification