基于汶川地震房屋结构抗震研究

王 常 旭

(黑龙江科技学院 建筑工程学院，哈尔滨 150027)

“5·12”汶川特大地震造成大量的人员伤亡，经济损失惨重。灾害发生后，房屋质量受到社会各界广泛关注。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？这值得我们思考与研究。我科研立项小组搜集大量有关汶川地震的资料并利用专业的建筑地震情况评估系统对其进行分析和整理，找出房屋受地震破坏的主要因素，初步给出了解决办法和预防措施。

我们研究的房屋结构主要有多层砖房、钢筋混凝土框架结构、底层框架结构、单层钢筋混凝土柱厂房、单层砖柱厂房、单层空旷厂屋等结构。

本小组使用的软件是四川省建筑科学研究院研发的建筑地震破坏情况评估系统。本系统可靠度高，是本研究的有力保障。

1 多层砖房结构抗震研究

据查询得知，本次地震损坏最为严重的就是多层砖房，房屋承重墙体大面积倒塌，部分墙体严重开裂，屋盖塌落，非承重墙体成片倒塌，房屋残留部分不足50%。

1.1 房屋结构特点及主要研究对象

多层砖房的承重墙体由实心黏土砖和混合砂浆砌筑而成,楼板和屋面板多采用现浇或预制钢筋混凝土板。多层砖房应着重检查承重墙体和屋盖，并检查非承重墙体和附属构件。

1.2 房屋损坏坏程度鉴定标准

(1)基本完好。承重墙体完好，有个别轻微裂缝；屋盖完好；附属构件有不同程度破坏。

(2)轻微损坏。部分承重墙体轻微裂缝；屋盖完好或轻微损坏；出屋面小建筑、楼梯间明显裂缝；个别非承重构件明显破坏；个别屋盖构件塌落；个别非承重构件严重开裂或局部酥脆。

(3)严重破坏。多数载重墙体有明显裂缝，部分墙体严重开裂，局部酥脆或倒塌；部分楼、屋盖塌落；非承重墙体成片倒塌。

(4)倒塌。房屋残留部分不足50%。

1.3 建筑物遭地震破坏情况评估报告

(1)建筑物结构：多层砖房。

(2)损坏情况：

承重墙体:多数承重墙体明显裂缝。

屋盖:部分楼盖、屋盖塌落。

非承重墙:非承重墙体成片倒塌。

出屋面小建筑、楼梯间墙体:明显裂缝。

附属构件:附属构件开裂或倒塌。

倒塌程度:房屋残留部分不足50%。

(3)等级评估：倒塌。

根据分析应该拆除。

1.4 解决多层砖房结构抗震的方法

多层砖房结构(砖混结构)主要用于居住、办公、学校、医院等民用或公用建筑。在我国这类房屋修建数量最多，分布最广,约占到80%,尤其在民用住宅建筑中更占到90%以上。按我国的实际经济状况,除为保护土地资源而限制使用黏土砖的个别地区外，多层砖房结构仍将被长期广泛应用,仍将是民用住宅建筑的主要结构类型。这种结构抗塑性变形能力差,抗震能力不足,遇到强震时破坏严重，造成极大的经济损失和人员伤亡。因此在多层砖房的设计施工中,必须严格按照国家抗震规范的要求,采取各种防范措施,尽量减轻地震灾害,减少损失。

砖结构房屋易发生脆性的剪切破坏，从而导致房屋的破坏和倒塌，所以在设计和建造当中，不应设计大开间、大门洞等，否则抗震强度必将下降。

2 钢筋混凝土框架结构抗震研究

“5·12”汶川地震后,同济大学6位教授赴四川广元市青川县进行房屋应急评估,在评估中发现,钢筋混凝土框架结构在此次地震中抗震性能表现良好。填充墙是破坏严重的非结构构件。框架结构产生震害的原因多种多样,如实际地震影响烈度大大超过设计设防烈度、建筑的施工质量问题、设计不合理等等。

2.1 主要研究对象

对于钢筋混凝土框架房屋应着重检查框架柱，并检查框架梁和墙体(填充墙)。

2.2 房屋损坏程度鉴定标准

(1)基本完好：框架柱、梁完好；个别墙体与柱连接处开裂。

(2)轻微损坏：个别框架柱、梁轻微开裂缝；部分墙体明显开裂；出屋面小建筑明显破坏。

(3)中等破坏：部分框架柱有轻微裂缝或个别柱明显开裂；个别墙体严重开裂或局部酥脆。

(4)严重破坏：部分框架柱、立柱筋压屈，混凝土酥脆，崩落，部分楼层倒塌。

(5)倒塌：房屋框架残留部分不足50%。

2.3 建筑物遭地震破坏情况评估报告

(1)建筑物结构：钢筋混凝土框架房屋。

(2)损坏情况：

框架柱、梁:部分框架柱轻微裂缝或个别柱明显裂缝。

填充墙:部分墙体明显裂缝。

出屋面小建筑:出屋面小建筑明显破坏。

(3)等级评估：中等破坏。

应进行安全性鉴定和抗震鉴定。根据鉴定结果进行加固后使用。

2.4 解决框架结构抗震的方法

解决框架结构抗倒塌的方法是加强柱的抗震设计、适当布置抗震墙、采用隔震或消能减震技术。楼梯设计时应考虑地震状态下楼梯受力情况,采用刚性连接时,要求计算出楼梯地震效应,并进行配筋;楼梯一端与结构采用滑动连接时,可消除楼梯地震作用下的内力,设计时可不考虑地震影响;加强结构填充墙抗震性能,确保罕遇地震下不致倒塌伤人。

在设计框架结构房屋当中要注意合理布局，结构设计布置不合理是导致其倒塌的主要原因。要尽量对称布局，避免应力集中所导致的震害。

3 底层框架结构抗震研究

3.1 房屋结构特点及主要研究对象

底层框架砖房是一种混合结构形式,底部一层全部或部分采用钢筋混凝土框架承重,上部多层采用砖墙承重,在我国城镇地区应用非常广泛。汶川地震中不同烈度地区均有大量该类建筑严重破坏甚至倒塌,也有部分位于极震区的底框砖房表现出很好的抗震性能。对于钢筋混凝土框架房屋应着重检查框架柱，并检查框架梁和墙体(填充墙)。

3.2 建筑物遭地震破坏情况评估报告

(1)建筑物结构：底层框架砖房屋。

(2)损坏情况：

承重墙：多数承重墙体明显裂缝，部分严重裂缝，局部酥碎或倒塌。

非承重墙：部分非承重墙体明显裂缝。

底层框架柱、梁：局部酥碎或倒塌。

(3)等级评估：严重破坏。

我们首先应采取排险措施，然后进行安全性鉴定和抗震鉴定，并进行适修性评估。根据鉴定和评估结果，可采用大修后继续使用、局部拆除或整体拆除重建等措施。

底层框架的设计建造要求很高，成本也较高，一般不建议使用此种结构建造。最重要的是它的整体抗震能力较差，如果需要，就必须严格按照规范设计抗震结构。

4 单层混凝土厂房抗震研究

4.1 主要研究对象

单层混凝土厂房，震害较普遍。对于钢筋混凝土框架房屋应着重检查屋架支撑系统，并检查山墙墙体。

4.2 建筑物遭地震破坏情况评估报告

(1)建筑物结构：单层混凝土厂房。

(2)损坏情况：

屋架支撑系统：屋架支撑系统、柱间支撑系统不完整，有较重的震害。

山墙墙体：山墙墙体的破坏使端排架因扭转效应而开裂折断，破坏更重。

(3)等级评估：严重破坏。

我们应该首先采取排险措施，然后进行安全鉴定和抗震鉴定，并进行试修性评估。根据鉴定和评估结果，可采用大修后继续使用、局部拆除或整体拆除等措施。

我们认为在单层框架厂房的设计建造中应注意以下几点：(1)注意钢筋混凝土天窗架的形式和整体性。(2)注意小构件连接的可靠性。(3)牛腿柱变形受约束的构造。(4)避免各构件刚度不协调的影响。

5 单层砖柱厂房抗震研究

5.1 房屋结构特点及主要研究对象

单层砖柱厂房，地震震害及其特点表明：6、7度区单层砖柱厂房破坏较轻，少数砖柱出现弯曲水平裂缝；8度区出现倒塌或局部倒塌，主体结构产生破坏；9度区厂房出现较为严重的破坏，倒塌率较大。汶川地震为后两者。从震害特点看,砖柱是厂房的薄弱环节，砖柱的破坏是厂房倒塌的主要原因。地震时厂房破坏程度与屋盖类型有关，一般来说重型屋盖厂房震害重，轻型屋盖厂房震害轻，在高烈度区影响更为明显。应着重检查屋架支撑系统，并检查山墙墙体及屋盖结构。

5.2 建筑物遭地震破坏情况评估报告

(1)建筑物结构：单层砖柱厂房。

(2)损坏情况：

屋架支撑系统：柱和墙明显裂缝、山墙尖局部塌落。

山墙墙体：山墙外倾、檩条拔出，严重时山墙倒塌，端开间屋盖塌落。

屋盖构件：各别屋面构件塌落。

(3)等级评估：中等破坏。

应该进行安全鉴定和处理鉴定。根据鉴定结果进行加固使用。

应设置防震缝把整体厂房划分成多个抗震单元，避免地震产生破坏。应使用轻型屋盖。在柱与柱之间建造连接砖墙，以提高厂房纵向抗震能力。我们仍然建议尽量不要使开间过大。

6 单层空旷厂房抗震研究

6.1 主要研究对象

单层空旷厂房应主要检查框架柱、梁，并检查屋盖构件。

6.2 建筑物遭地震破坏情况评估报告

(1)建筑物结构：单层空旷厂房。

(2)损坏情况：

框架柱、梁：个别柱、墙轻微裂缝。

屋盖构件:个别屋面与柱连接处位移。

(3)等级评估：轻微损坏。

我们的建议是不需修理或稍加修理，可继续使用或对局部构件进行监测，观察使用。

单层空旷厂房在设计建造中应遵循以上砖柱厂房所提到的注意事项。

7 结论

7.1 汶川地震各种房屋结构损坏情况

汶川地区房屋结构大都为砖混结构和框架砖混结构，这种结构抗震能力差。在震区上世纪90年代以前建造的多为砖混结构，当时的抗震规范没有在圈梁和构造柱的设置上提出更多要求。这些建筑在重灾区普遍遭受到严重的破坏甚至是整体倒塌。也正是因为此类房屋众多才导致大量房屋倒塌，伤亡人数众多。另外当地很多框架结构房屋也有一定程度的破坏。研究发现此次地震中，部分房屋的一些框架结构的破坏体现为框架柱先于框架梁受到破坏。这是我们始料未及的，值得我们思考和研究。

农村自建房在重灾区受灾情况十分严重，由于缺乏相应的建造技术，一般情况下也没有进行专门的抗震设计，因此震害十分严重，倒塌普遍。

木结构房屋和轻钢结构房屋在此次地震中损坏较轻。厚重的屋盖通过穿斗或斗拱的连接方式与内柱、檐柱体系连成一体，保证了木结构房屋的整体性，不易倒塌。

7.2 房屋结构遭受地震破坏的因素

(1)墙体材料。不同的墙体材料，房屋震害差异较大。由钢筋混凝土构筑的剪力墙结构房屋，普遍震害较轻，较好地发挥了抗震作用。空心砌块墙震害大于实心砌体墙；无筋墙体震害大于有筋墙体。

(2)地质构造。地质构造差异对房屋震害影响明显。处于断裂带区域内的房屋建筑，比处于水平岩层构造区域内的受损情况更为严重。

(3)场地条件。场地条件差异对房屋震害影响明显。在比较密实、稳定的土层场地，地震破坏程度较轻；在土层比较松散的地区、河流冲积层的场地，地震破坏程度严重。

(4)自然因素。这次特大地震引发了大量山体滑坡、泥石流、堰塞湖、地基液化等地质灾害，加剧了山区部分房屋的震害。所以山区建房应适当选址。但地震是一个非常复杂的变化过程，我们只有尽可能多地发现问题所在，制定出相应的规范，并严格遵守，才能将灾害损失随之降到最低，很多问题有待于进一步研究。

实际上，不论是什么结构在遭遇像汶川那样的地震时都会受到不同程度的损害，关键是怎样将损失降到最小。目前,世界多数国家对建筑物抗震设防的目标是:在多发的小地震时,要求结构不致破坏,经小修可继续使用,在罕遇的大地震时,允许结构有一定程度的破坏,但不允许倒塌。我国《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)提出了“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防原则,将砌体结构的抗震设计总体上分两部分：一是截面抗震承载力验算,对构件、结构整体进行弹性强度校核,主要是砌体截面的抗剪能力验算。二是采取抗震构造措施,目的在于保证结构的合理布置、必要的连接和整体性,尤其重要的是保证多层砖房在强震破坏时不致倒塌。震害分析表明,合理的抗震布置和构造措施对提高多层砖房结构抗震能力效果明显,在某种程度上,抗震设计中概念设计比强度计算更重要。此外，建设场地的选择，房屋高度的限制，房屋高宽比的限制，结构选型和布置，施工的质量也是影响房屋抗震能力的关键因素。这些都应是我们高度重视的地方，国家有关部门也应该制定相应的技术规范。

现在，让我们做个大胆的假设，如果我们所在哈尔滨地区发生此类地震，情况会怎样?众所周知以哈尔滨为代表的东北地区常年温差很大，人们对房屋的各项要求较高，房屋的建筑成本也较高。哈市的居民大多居住在高层或多层建筑中，房屋结构为剪力墙结构和框架结构，这两种结构在遇到地震时是较为稳定的。其中剪力墙结构由钢筋混凝土构筑，抗震性能良好。但这里少数的砖混结构和自建房还应该注意，这种房屋不稳定，一旦遇到强震，将会彻底垮掉。所以尽量不选用以上两种房屋结构为好。另外东北地区地势平坦，发生地震时不会发生泥石流等次生灾害。现在哈尔滨的建筑大都是钢筋混凝土结构，这种结构整体性好，具有良好的耐久性和稳定性。

注：

1. 指导教师科研项目《中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项资助项目》，来源：中国地震局(编号：2007A02)。指导教师：杜文学(博士)。科研小组成员：陈显贺、葛澎、王佳龙、任泽。

2. 所使用软件：建筑震害破坏情况评估系统。研发单位：四川省建筑科学研究院。

[1]建筑抗震设计规范(GB50011-2001)[Z].

[2]薛志成.混凝土结构设计原理[M].北京：中国计量出版社，2010.

[3]地震及其相关标准汇编[M].北京：中国标准出版社，2010.

[4]2006城镇房屋建筑工程抗震防灾规范化与设防管理全书[M].北京：企业管理出版社，2006.

[5]郭继武，倪吉昌.房屋结构抗震设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1994.