从汶川地震看结构抗震设计.doc

从汶川地震看结构抗震设计的一些问题 中国建筑科学研究院 赵 西 安 ( 100013 北京 ) 提 要 ： 从汶川大地震的建筑震害中可以总结不少经验教训。其中包括结构的合理选型和合理布置；加强混合结构的整体性；框架结构的多道设防；框架梁柱和节点抗震设计等关 键 词 ： 汶川地震 地震震害 抗震设计 1 概 述 2008年5月12日14时28分，四川省汶川发生里氏8.0级强烈地震，这是建国以来波及面最广，损失最大的一次地震。位于震中附近的汶川、汉旺、青川、青川、北川等 北川地区，烈度估计达到1011度；绵竹、绵阳达到89度；远至成都、西安都有震害,西安都产生 震害。震中地区房屋成片倒塌，剩下尚存的建筑也受到严重破坏。残酷的现实让我们反思：为什么三十年前唐山大地震的震害又一次发生，为什么相同的教训又一次重演？ 唐山地震后我们总结了不少关键性的经验教训，对相关的设计规范进行了修订。照理说设计中的大问题不应该再失误了，可是三十年过去，历史又再次重现，在新的汶川地震中还是看到唐山地震的老问题。看来重新认识这些常规问题还是十分必要。2 2 砖 混 结 构 2.1圈梁和构造柱 地震前的唐山大量采用没有任何抗震措施的粘土砖和天然石砌体结构,这种松散的堆积墙体地震中大都飞散、倒塌，剩下来还存在的房子也严重破坏。此后一直强调采用构造梁柱提高砖混结构整体性，防止产生严重震害。但汶川地震中还是发现大量不设构造梁柱的砖混建筑（图1图2）。 图1 汶川，没有构造梁柱的砖 图2 汶川，无圈梁的砖墙 墙倒塌 角部破坏 构造梁柱还要有足够的截面尺寸和配筋，否则地震时很容易破断，丧失拉结、约束砖墙的功能（图3）。 图3 圈梁和构造柱拉断2.2加强纵横墙拉结除了圈梁对所有墙体起拉结作用外，纵横墙交会处的构造措施非常重要。横墙应设马牙茬，还要设置拉结钢筋。拉结钢筋宜每六皮砖一道，至少两根6毫米钢筋，伸入砖缝长度不少于400毫米。不设凹凸马牙接茬，横墙根本拉不住纵墙，地震时纵墙向外倒塌（图4）。 图4 横墙没有拉住纵墙，纵墙向外倒塌 图5 横墙拉结不良,外墙倒落 图6 框架柱与山墙拉结不好 震害调查表明： 横墙、柱子设置拉筋伸入纵墙或山墙是有效的连结方式，如果有这样的措施，图5、图6的震害大概可以避免。2.3 尽量避免纵墙承重 在住宅楼中预制板搭在外纵墙上，是常见的做法，但这不是好的作法。纵墙是砖混结构中的薄弱环节，如上所述，它非常容易倒塌。唐山地震已有深刻的教训，这此次汶川地震中又再次出现。为了设置教室、会议室等大空间，往往以混凝土大梁代替横墙，梁端搁在纵墙上。这种单摆浮搁的支承方式加上纵墙常常震裂震散，很容易导致楼面坠落。震区一些学校教学楼一垮到底，恐怕与采用纵墙抬梁的结构体系有关。早在唐山地震后我们就总结过这个教训，提出了大梁应设混凝土柱支承的措施。与此相似，采用单柱内框架也要特别慎重从事，因为一条腿独立，解决不了两头垮塌的问题。 纵墙搁大梁 纵墙搁预制板 图7 当年唐山地震纵墙表现不佳2.4 底框多层住宅 汶川地震中底框表现各有不同，取决于底层框架刚度降低是否在允许范围内，还取决于合理进行配筋使底框有足够的抗剪承载力和位移能力。 有些底框倒塌，使原先的二层变底层；但也有不少底框表现良好，经受了地震的冲击（图8）。 图8 汶川,底框完好,二层压碎 图9 汶川,尚存建筑底层框架完好无损 3 预 制 板 问 题3.1 问题出在那里 三十二年前，唐山的预制板在地震中从天而降，伤人无数，一时骂声四起，称之为“棺材板”、“夺命板”，有些设计人员甚至发誓从此以后再也不用空心板。但是，震害调查发现，预制板伤人是表象，实质问题是砖墙倒塌飞散，墙之不存，板将焉附？震后进行振动台试验和反复加载试验表明，那怕板只进墙一厘米，甚至只搭上半块板，也不特殊拉结，只要墙不倒，板就下不来。所以，要保证板不伤人，出路是用构造梁柱箍住砖墙，保证墙不倒塌。其实只要墙飞掉了，现浇板也一样压下来，而且重叠在一起，拉不开，掀不起，救人更困难（图10）。 图10 墙飞了，几层现浇板贴在一起更 图11 汶川，板的一端墙没了就掉 没法救人（唐山地震） 下来，另一端有墙就挂着。 汶川同样是这样，震害说明：不管是预制板还是现浇板，砸人是板，凶手是墙；墙在板在，墙倒板完。许多事例说明了“墙不倒，板不掉”的规律（图11图15）。 图12 墙在，预制板就在 图13 墙裂了，板也下不来 图14 墙这么薄，预制板还是好好的 图15 墙倒了，那就什么也别说了3.2 要加强楼面的整体性 虽然问题在墙上，但还是要加强楼面的整体性和楼板与墙的拉结，多一道设防总好一些。预制板要拉开板缝，放入6毫米的钢筋，用好混凝土灌缝，绝不能填建筑垃圾充数；板端要有足够的拉筋伸入墙内，不能嫌费事把“胡子筋”剪掉或打弯。3.3 用这样的板是谁的过错在汶川震区废墟中,我们还看到一些预制板的断口处,钢筋就像铁丝,稀稀拉拉没几根;有些板的断口连钢筋都很难找出(图16、图17)。这到底是设计图上就这么画的，还是施工时偷梁换柱？ 图16 断口只露出一根断钢筋 图17 钢筋在哪，实在找不着 4 框 架 结 构 4.1 慎用单跨框架 单跨框架两根柱子一排梁，是最简单的结构形式。用于教学楼可以两边通风采光，加个悬挑外廊可以让孩子们户外活动，所以建筑师特别喜欢用于中小学教室。 但是这种结构形式没有多道防线，一根柱子破坏，框架马上倒塌 。汶川地区的中小学很多这种教学楼，地震中破坏严重，甚至全部倒塌，可能与此相关（图18、图19）。 图18 汶川碧口镇小学单跨框架倒塌 图19 映秀小学教学楼倒塌 有些教学楼的外廊改悬挑为柱子支承，单跨框架变为双跨，情况就好得多（图20、图21）。 图20 都江堰烈度较低，单跨框架 图21 在极震区汶川，加外廊柱的教室 教室搂也受到震害 楼基本完好4.2 柱子截面不能太小业主和建筑师总是要求柱子截面也越小越好，钢筋可以让多加，尺寸却是没得商量。从唐山、台湾、阪神等历次强震中柱子破坏分析来看，截面过小，轴压比过大是一个主要原因。汶川地震同样如此。倒塌框架的废墟中我们可以发现折断的细细的柱子（图22、图23）。 图22 汶川中学细细的 图23 汉旺东汽中学框架倒塌 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、上部楼层坠落。 图24 汉旺东汽多层框架柱头压碎 图25 北川中学底层柱压碎，四 层教学楼变三层4.3 柱子配筋配箍太少有些框架柱不仅截面小,而且就四根细钢筋,加上几道又细又稀的箍筋。这种弱柱是不可能抵抗巨大的地震水平力的（图26、图27）。 图26 柱子钢筋很少 图27 柱子截面小，四根钢筋细细的4.4 强震下框架结构位移过大 在烈度超过9度的极震区(映秀镇、北川已达10度以上)，纯框架结构已经无能为力，侧向位移可大于1/150，临近倾倒（图28、图29）。 图28 汶川漩口中学框架严重变形 图29 两层框架大侧移有些框架梁跨度大，竖向荷载也大，其截面尺寸远大于柱，配筋也很强。强柱弱梁这一个抗震的基本要求难以实现。结果就是梁损坏较轻，而柱子全部毁掉，楼面平行坠落（图30、图31）。从图中可见，梁大柱小，梁强柱弱，导致梁存柱亡要。适当加大柱子断面尺寸，提高其侧向刚度；要加强柱的配筋，提高其抵抗能力。 图30 北川县政府大楼柱断梁落 图31 都江堰，二层柱全毁，二层梁压下 5 单层工业厂房的屋盖 这次地震，9度以上极震区的单层工业厂房屋盖，凡是采用五十年代经典体系（混凝土屋架、大型屋面板）的基本上全军覆没，这种重量很大、整体性差的屋盖大批坠落（图32、图33），许多重要的、贵重的设备被毁，其损失远大于屋盖本身。 图32 德阳宏达化工厂的车间 图33 汉旺东方汽轮机厂重屋盖坠落 相反，钢屋架加轻质复合屋面板的新型屋面系统，震后完好。东汽采用轻型屋面的车间很快恢复生产，赢得了时间。 6 钢 结 构 6.1 轻钢结构一些轻钢结构支承的采光顶基本完好，地震影响不大。采光顶重量较小可能是主要原因（图34）。6.2 一般钢结构厂房钢屋架这次遭受烈度一般不超过10度，抗震性能良好，没有明显震害。但是屋盖支撑和柱间支撑屈曲失稳的很多，看来长细比控制还要从严（图35）。 图34 汉旺，东汽房屋倒塌，采光顶完好 图35 东汽车间，柱间支撑失稳屈曲 7 防 震 缝 防震缝问题已是老生常谈，大家都知道缝寛不能太小。但往往由于业主的美观要求，建筑师不得不照办，结构也就将就而行。汶川地震中，缝两侧相互碰撞的案例不少。连