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基于汶川地震房屋建筑破坏特征的几点启示

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-22 20:26:15 [收藏]

    摘 要: 随同《中外建筑》杂志记者对四川地震房屋建筑的破坏情况进行考察，对考察中所发现的城镇房屋选址、框架结构的破坏特征、砌体结构在地震中的表现以及农村民居的严重破坏状况等几个问题进行归纳和总结。
    　　关键词: 汶川地震；山体滑坡；城镇房屋选址；房屋破坏；农村民居
    　　
    　　1前言
    　　
    　　7月16日至23日，我们随同《中外建筑》杂志编辑部的记者对四川汶川地震灾区的北川县城、汉旺镇和都江堰等震害现场进行考察。带着我们出发前“走进四川：地震对规划与建筑设计的拷问和启示”的考察目的，第一站我们来到北川，站在北川县城入口的高山上俯视地震后的城区时，令人震撼。城区四周山体大面积滑坡，房屋已是残檐断壁，有些甚至已经被破坏成一堆废墟，满目伤痕。尔后我们又分别到了汉旺镇、都江堰等房屋破坏的重灾区。每当我们站在已坍塌房屋的废墟上仔细考察那些未彻底倒塌的房屋时，都会自然的发问：在同一震级、同一场区范围内，为什么有些房屋粉碎性破坏倒塌，而有些房屋没有倒塌，甚至只是局部损坏而结构完整无损呢？如果震区所有房屋都能像后者那样，人员就能逃生和施救，死伤人数就可能大大降低，经济损失有可能大为减少。大家知道，5.12四川汶川大地震中近7万人死亡、1万多人失踪、500多万间房屋倒塌，2000多万间房屋损坏，巨大的生命财产损失已无法挽回，但是它给我们留下了许多惨痛的教训，前车之鉴，是值得我们认真反思的。我们作为从事建筑设计工作的工程技术人员，自考察返回后，将考察中的几点体会进行了归纳总结，愿和同行商榷。
    　　
    　　2地震引发的山体滑坡对城镇房屋建设选址的启示
    　　
    　　在北川县城我们拍摄了几个典型滑坡破坏照片，图1为北川县城北山坡巨大滑坡的场景，在这一巨大滑坡下，现在还掩埋着一个机关、一个幼儿园和一所小学。图2为北川县城南山坡滑坡的场景，该滑坡下也掩埋了一所中学。图3为山体崩塌滚下的巨石将房屋框架柱砸断的场景。



    这三组照片仅是汶川地震产生的次生灾害的一个缩影。同样的悲剧不止这些，在专家入口媒体上我们都能清楚的看到在这次汶川大地震中，由于地震引发的山体大滑坡阻挡了人们抢险救灾的道路、掩埋了村庄、形成了像唐家山那样巨大的堰塞湖。
    　　随着我国经济的飞速发展和人们生活水平的不断提高，人们忙于建造各种功能的建筑，以满足生活和生产的需要，建设规模之大，真可谓前所未有。在这场巨大的造城运动中，我们是否还缺少了一点公共灾害预防的意识？特别是对地震以及地震可能引发的次生灾害往往缺乏深入的评价和研究。地震是一种人类无法控制的自然灾害，它所释放的能量之巨大，可以推毁房屋，可以引起山崩地裂，人类只有去预防它，才能减轻灾害对人类造成的巨大破坏。城镇房屋的选址是抗震防灾中最重要的组成部分，一个建筑物或构筑物，即使做得再牢固地震波无法推垮它，但是地震引发的次生灾害，如山体滑坡、泥石流、地陷、沙土液化等，可以使坚固的建筑物或构筑物被整体掩埋或沉陷。因此，在城镇建设中，做好用地评价工作，综合考虑地形、地质、气象、危险源场所、防洪、抗震、防风等安全因素，使居住用地、公共设施用地、工业用地等主要功能区尽量避开灾害源和生态敏感地带，选择灾后泥石流、滑坡等次生灾害发生系数比较小的地方，既达到因地制宜、又好又快的推进城镇建设，又达到防震减灾、确保人民生命财产安全的目标。
    　　
    　　3钢筋混凝土框架房屋破坏特征的拷问
    　　
    　　在汶川地震中，被人们认为抗震性能优于砌体结构的钢筋混凝土框架房屋同样受到了不同程度的破坏。在北川县城、汉旺镇、都江堰等地震灾区我们拍摄了大量框架结构房屋破坏的照片，如图4~10。其中图4为灾区普遍而且典型的底层框架柱破坏形态，图5~8为下部框架柱脆性破坏后房屋下座坍塌或者倾斜坍塌，图9为顶层框架柱破坏。

    从这些照片中，我们可以看到，框架柱节点破坏严重，且均为剪切破坏，导致了有些房屋完全坍塌，成为一片废墟；有些房屋底层坍塌，上部楼层完整无损的坐落或者倾斜；有些房屋损坏严重但未倒塌；也有些房屋只是局部裂缝，结构完整无损。造成这些房屋不同破坏的原因是多方面的，有设计、施工和材料等多方面因素，我们无法对每一个已破坏的或未破坏的建筑进行科学的检测和论证，也没有权利乱加评价。但从现场观察到的现象，我们可以归纳为下列四种情况：
    　　（1）框架柱断面远小于梁断面尺寸，如图4、6、9，有些框架柱节点又表露出钢箍直径小，间距大，且大多是单肢箍，节点薄弱。柱是框架的竖向构件，地震时柱破坏和丧失承载力比梁破坏和丧失承载力更容易引起框架倒塌。柱节点的箍筋对混凝土没有形成约束，也不能防止纵向钢筋压屈，必然造成框架柱节点脆性破坏。
    　　（2）房屋下部为大开间框架，而上部框架中采用较多的填充墙，此类填充墙为240粘土砖眠墙砌筑，砖和砂浆强度较高，与梁柱连接良好。地震过程中框架上部由于此填充墙的存在，使得上部自重大、刚度大，下部框架成为薄弱层，在未对下部框架柱进行加强处理时，该体系就形成了近似于框支剪力墙结构，框架底层柱承受较大地震水平剪力，柱端节点首先脆性破坏，导致整体房屋下部坍塌坐落，如图5、7。
    　　（3）无独有偶，同一结构单元中一边为大开间框架结构，一边在框架中使用较多的此类填充墙，致使结构形成近似于刚心偏移的框架剪力墙的受力特点，地震作用对房屋产生较大扭转的效应，导致框架柱严重受损破坏，使房屋倾斜坍塌。如图8，该房屋原为7层办公楼，倾斜坍塌下坐至2层。
    　　然而，我们也发现了不少框架结构房屋，由于框架中采用如前所述的240厚的填充墙，且填充墙做到了上下对齐，布置均匀，震后虽然该填充墙上出现X型裂缝，墙体破坏严重，如图10，而主体结构未遭损坏，房屋未坍塌且表现良好。表明此类填充墙在该结构体系中起到了第二道抗震防线的作用，经受住了这次罕遇地震的作用的考验。这一现象及上述两种填充墙在框架中的影响，值得我们重新研究框架填充墙在抗震中的效能，对抗震结构的设计也有一定的启示。
    　　（4）楼梯间破坏十分严重，主要表现歇台板与楼层错层，楼板又为斜向杆件，引发了底层楼梯板拉裂，甚至完全拉断，楼梯梁、柱节点因歇台梁的作用形成短柱破坏，这些破坏必然导致在地震过程中加剧人员的伤亡。
    　　上述几种框架结构在地震中的表现，我们不难发现，延性框架是结构抗震设计的关键，延性框架的抗震设计概念主要包括“强柱弱梁，强剪弱弯，强大节点”。同时有必要对多层框架结构中填充墙的用材、构造、布置和受力特征进行分析，重新判断和认识框架填充墙的作用。楼梯是人们生活和生命的通道，也应引起高度重视。
    　　
    　　4砌体结构在此次地震中的表现
    　　当人们在震区看到倒塌的砌体结构房屋的时候，一般都认为砌体结构房屋抗震性能最差，这种看法值得商榷。就其材料性能而言，确实有它的劣势，但是多层房屋并非砌体结构就不能抗震。在此次地震灾区完全垮塌的房屋中，砌体结构占了绝大多数，但是未倒塌且在地震作用下表现优秀的砌体结构房屋也不在少数，如北川县城、汉旺镇内不少五、六层的砌体结构房屋并未坍塌，有些表现良好，只是不同程度地出现了一些裂缝，图11、12。如北川县城内一栋60年代修建的老建设局办公楼，共4层，震后墙面竟未发现裂缝；汉旺镇近几年修建的一个6层楼家属住宅区，震后无一栋出现严重破坏。
    为什么同样是砌体结构房屋，差别会有这么大呢？考察中发现，凡是严格按照我国现行“抗震设计规范”设计、施工保证质量的砌体结构房屋，就能经受住本次罕遇地震的考验。在那些倒塌的砌体结构房屋的废墟中，我们不难发现，砼空心砌块、粘土砖强度明显偏低；砌筑砂浆大都是石灰砂浆，强度几乎为零；混凝土构件均为预制构件（砼预制空心板，预制梁）；缺少抗震设计构件，如圈梁和构造柱。可想象，此类砌体结构整体刚度极差，在地震作用下必然造成粉碎性破坏。




    从那些受到严重破坏但未倒塌的砌体结构房屋中我们发现如下值得关注的问题：
    　　（1）平面不规则，凹凸明显，形成薄弱连接，整体刚度极差。如图13，结构单元与单元之间用楼梯连接，地震中这种局部薄弱连接彻底垮塌；又如图14，15，16，平面凹凸处采用预制楼板，且未做刚性加强层，在地震作用时，房屋扭转变形，预制楼板从墙体中被整体拔出，造成房屋严重破坏，特别是楼梯间的破坏，造成了巨大的人员伤亡。
    　　（2）竖向刚度变化过大，引发过大的应力集中和塑性变形集中。如图17，汉旺镇某建筑屋顶造型在地震中鞭梢破坏；又如图18，绵阳城建档案馆，为7层砖混结构，地震过程在第5层竖向刚度变化处产生墙体破坏。


    　5农村民居损毁十分严重，值得高度关注
    　　
    　　在此次地震中，大量农村房屋损毁，造成了巨大的生命财产损失。此次考察过程中，我们有幸接触到了这些损毁的民居，通过和灾民交谈，了解到这些房屋虽然修建于不同年代，但均为自建自住，没有设计图纸，没有正规单位施工。绝大多数已垮塌的一、二层房屋采用的材料几乎都是砼空心砌块或者粘土砖，墙厚以180、120为主，绝大部分为石灰砂浆，少数为泥浆，砂浆强度低，用手一捻就碎。楼面为砼预制板，屋面为木檩条冷摊瓦，无圈梁、构造柱等抗震构件。这种抗震性能极差的房屋在地震中粉碎性垮塌，如图19，20。有部分质量稍好的房屋，虽然未倒塌，但是冷摊瓦整体滑落，如图21。
    　　在这次8级大地震中，我们仍然能可以看到不少破损很轻的农村民居，如图22是都江堰的一栋2层楼的民居，地震后未倒塌，仅墙体出现局部裂缝，稍加修整后仍可使用。深入了解发现，这类房屋采用的是240粘土砖墙砌筑，现浇混凝土楼面板，每层设置有圈梁，四周布置了混凝土构造柱，房屋平面规则，开间最大的为4.5m以下。这些例子很好的证明了，对于一、二层的农村民居如果保证材料、施工质量，并按抗震措施进行设计和施工，就能经受住地震的考验。该类房屋虽然一次性投资增加了一些（据估算，增加抗震措施仅占房屋建设费用的10％左右），但是在自然灾害面前却可以获得巨大的生命财产价值。


    汶川地震给农村民居造成的破坏是广泛而严重的，他们的房屋基本处于无监管状态，质量之差，抗震意识之缺乏是值得我们深思的。我想呼吁我们的政府部门、工程技术人员关爱他们的生命，让我国改革开放的成果和科技成果的阳光都能普照8亿农民，共同建设美好的社会主义新农村。
    　　
    　　6结束语
    　　
    　　此次考察结束了，但地震灾区一个个满目伤痕的场景使我们难以平静。在这里我们呼吁所有从事建筑工程建设的工程技术人员谨记：尊重生命、尊重科学，让我们共同把“关爱生命”作为神圣的社会职责，用我们所掌握的专业知识为确保人民生命财产安全而努力，给后人留下更多的成功见证的示范建筑。
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