盈江“5.24”和“5.30”地震中吾排小学二层框架结构破坏分析1

迟明杰李小军陈 波张 涛

1）中国地震局地球物理研究所，北京 100081

2）中国地震局地震观测与地球物理成像重点实验室，北京 100081

3）中国地震应急搜救中心，北京100049

盈江“5.24”和“5.30”地震中吾排小学二层框架结构破坏分析1

迟明杰1，2）李小军1）陈 波1）张 涛1，3）

1）中国地震局地球物理研究所，北京 100081

2）中国地震局地震观测与地球物理成像重点实验室，北京 100081

3）中国地震应急搜救中心，北京100049

在地形、地貌及场地条件复杂的山区，历次地震中都会出现一些破坏异常的点或区域。分析其破坏原因，对于当地或类似情况的点或区域的抗震设防以及减少由于地震造成的灾害损失具有重要意义。本文主要针对2014年盈江“5.24”和“5.30”地震后，Ⅷ度区的卡场镇五排村吾排小学二层框架教学楼的破坏情况进行分析，找出了造成建筑结构破坏的几个不利因素，主要包括山丘顶部地形放大效应、土层的放大效应、边坡效应以及多次地震灾害的累加效应。

盈江“5.24”和“5.30”地震 框架结构 放大效应 震害累加

引言

据中国地震台网测定，北京时间2014年5月24日04时49分在云南省德宏傣族景颇族自治州盈江县（25.0°N，97.8°E）发生5.6级地震（以下简称“5.24”地震），震源深度12km，随后在5月30日09时20分该地区又发生了6.0级地震（以下简称“5.30”地震），震源深度14km。根据中国地震局地球物理研究所吴建平研究员课题组利用川滇三维走时表定位软件测定结果，地震震中位于24.99°N，97.84°E。根据中国地震局发布的云南盈江5.6级、6.1级地震烈度图（图1），极震区位于卡场镇，Ⅷ度区分布在卡场镇、勐弄乡与苏典乡境内。2次地震造成灾区乡镇遭受不同程度破坏，先后造成15人、45人受伤，部分房屋受损，个别框架结构建筑受到严重破坏。本文主要对卡场镇五排村吾排小学的二层框架结构教学楼的破坏情况进行分析。

历次地震灾害中，大震的近断层破坏（李小军等，2008）、局部地形或场地条件影响（包括山体放大效应、边坡放大效应、覆盖土层对地震动的放大效应等）（袁中夏等，2008；王兰民等，2013）、房屋的抗震性能（包括缺少抗震措施、建筑材料质量问题、房屋设计缺陷）王世元等，2013；陈坤华等，2012；张加桂等，2009；刘爱文等，2007）以及震害累加（施伟华等，2011）等因素，是造成局部震害加重的主要原因。有时是某一个因素起作用，有时是某几个因素共同起作用。因此，不同的地震、不同的地区会具有不同的震害特点，这也是每次地震灾害科学考察的重点所在。而卡场镇五排村吾排小学的二层框架结构教学楼的破坏属于多种因素共同作用的结果。

图1 云南盈江5.6级、6.1级地震烈度图（中国地震局发布）Fig. 1 Seismic intensity map of MS5.6 and MS6.1 Yingjiang earthquakes（from CEA report）

1 吾排小学二层框架结构教学楼破坏情况及其分析

1.1 吾排小学概况

卡场镇五排村吾排小学（24.94172°N，97.82188°E）位于震中（卡场镇草坝村）东南方向5.5km处（图2），吾排小学的卫星地形图片见图3，吾排小学位于一山丘的顶部，卫星的影像拍摄日期为2011年3月4日。根据卫星图片可以看出，当时只有二层框架教学楼，与其相邻的垂直方向坐落的二层框架宿舍楼还没有兴建。从地形上看，吾排小学位于一个山丘的顶部，二层框架教学楼位于山顶南端，几乎三面凌空，另外，山顶覆盖一层风化的玄武岩土层。

图2 吾排小学与震中的相对位置（引自Google Earth卫星图片）Fig. 2 Location of Wupai primary school regarding to the epicenter（From Google Earth）

图3 吾排小学的卫星地形图片（引自Google Earth卫星图片）Fig. 3 Terrain images of Wupai primary school（From Google Earth）

1.2 吾排小学二层框架教学楼破坏情况

“5.24”和“5.30”2次地震后，吾排小学二层框架教学楼的破坏情况如图4—10所示。教学楼前面上下两层的门窗间形成的短砖柱普遍破坏，从而引起上部墙体的开裂，导致前面横墙发生严重破坏，见图4。教学楼后面没有门，且窗较大，填充墙相对较少，仅在窗的两侧和下面有一列填充砖墙，地震中由于填充的砖墙与柱子和梁震动不一致，导致填充墙与柱和梁相分离，出现填充砖墙与柱子间的竖向裂缝以及与梁之间的水平裂缝，见图5。教学楼内柱子也产生了破坏，有的柱子混凝土剥离、脱落露出钢筋，见图6；有的柱子产生斜裂纹，见图7。柱子虽破坏但各个教室之间的填充墙仅出现梁下横裂缝或者较小的裂纹，教室间的隔墙破坏并不严重，见图8。但与其相邻的2012年竣工的二层框架宿舍楼却完好，见图9。

图4 教学楼前面填充墙体破坏情况Fig. 4 Damage of infill walls in front of a masonry

图5 教学楼后面填充墙体破坏情况Fig. 5 Damage of infill walls at back of a masonry

图6 柱子混凝土脱落、钢筋外露（底层）Fig. 6 Concrete spalling and the rebar exposing（ground floor）

图7 柱子产生水平和斜裂纹（底层）Fig. 7 Horizontal and oblique cracks in the pillar（ground floor）

图8 教室间的隔墙的梁下横裂缝、细裂纹（底层）Fig. 8 Transversal cracks under beam and tiny cracks at partition wall（ground floor）

图9 相邻的二层框架宿舍楼Fig. 9 Student dorm building adjacent to the teaching building is in the well condition

图10 教学楼所处的局部地形条件Fig. 10 Local terrain conditions of the teaching building

1.3 破坏原因分析

根据地震现场调查的情况，吾排小学二层框架教学楼在“5.24”和“5.30”地震后发生较严重破坏的原因是多方面的，其主要由以下几个不利因素造成。

第一是地形放大效应。国内外的多次宏观震害调查表明，孤立突出的小山包、小山梁上的房屋震害一般较重，局部地形放大效应的影响比较明显（胡聿贤，1988）。根据地震现场调查以及卫星地形图片可以看出，学校是建在一个小山丘的顶部，山顶地形对地震动的放大效应是造成建筑破坏的一个重要因素。

第二是土层的放大效应。根据地震动的分析结果，随着土层厚度的增大，对于低频的地震动的放大效应更加显著，相反，随着土层厚度的减小，对于高频地震动的放大效应更显著；另外，对于中小地震的近场地震动，其卓越频率以高频为主，容易造成低矮建筑的破坏（胡聿贤，1988）。

图11 填土厚度变化（1—7m）的加速度反应谱Sa（张建毅等，2013）Fig. 11 Acceleration response spectra Sawith fill thickness（1-7m）

图12 碎石厚度变化（1—7m）的加速度反应谱Sa（张建毅等，2013）Fig. 12 Acceleration response spectra Sawith gravel thickness（1-7m）

张建毅等（2013）对1—7m厚的薄土层对地震动的影响进行了分析，分别以填土和碎石为例分析了土层对地震动频谱的影响，见图11和图12。由此可以得到薄覆盖土层对地面峰值加速度和卓越周期的影响规律，见表1。填土密度为1.9（t/m3），剪切波速为130（m/s），属于软土层；碎石的密度为2.1（t/m3），剪切波速为310（m/s），属于硬土层。其他具体参数祥见张建毅等（2013）。根据地震现场的调查，山丘顶部覆盖了一层2—3m厚的风化玄武岩土层，其土性参数介于填土和碎石之间。因此，根据张建毅等（2013）的计算结果，学校所在地面的峰值加速度至少放大了3.5倍以上，卓越周期的范围在0.1—0.4s；以3m厚的土层为例，其卓越周期在0.16—0.19s之间，地面峰值加速度放大的倍数在4.7—7.0之间。根据建筑物自振周期的经验计算公式：T1=（0.08—0.1）n，其中：T1为结构基本自振周期，n为结构层数，对于二层的建筑其自振周期在0.16—0.2s之间，刚好与该场地反映的卓越周期比较接近。综合以上分析，土层对于地震动高频成分的放大效应对二层教学楼的破坏起了重要的作用。

表1 土层反应分析计算结果Table1 Calculated results of soil response

第三是边坡的放大效应，见图10。二层框架教学楼位于几乎是三面凌空的条件下，因此地震动会进一步放大。

第四是多次地震震害累加效应。根据2011年3月4日拍摄的卫星图片，二层框架教学楼已经存在，但周围大多数建筑都还没有，因此它至少遭受了2011年“3.10”地震以及2014年的“5.24”和“5.30”共3次地震的影响。对比“5.24”和“5.30”地震对该教学楼的震害累加效应，见图13和图14。其中，图13为“5.24”地震后拍摄的照片，可以看出二层框架结构教学楼已经发生了一定程度的破坏，主要是填充墙破坏，前面填充墙的门与窗之间形成短柱，在地震中由于应力集中而破坏；而图14为“5.30”地震后拍摄的照片，从表面看，似乎“5.24”地震造成教学楼前面墙体的破坏与“5.30”地震后的破坏情况区别不大，但仔细观察2次地震后的照片可以发现一些细微的差别，见图13和图14中6个红框里的对比。能够看出，砖墙进一步松散，产生新的裂纹，墙面抹灰进一步脱落。实际上更为重要的差别是，“5.24”地震后仅仅是填充墙发生破坏，梁和柱基本完好；而“5.30”地震后多根柱子混凝土脱落或开裂而破坏，导致该教学楼成为危房而需要拆除。

震害累加效应在多次地震中都存在，但由于各方面原因，获得地震现场的对比资料比较困难。在“5.24”和“5.30”地震中也存在比较明显的震害累加效应，调查者有幸获得了另外两组2次地震对同一建筑产生影响的照片资料。

卡场镇麻竹岭岗穿斗木结构的外围墙，在“5.24”地震后围墙出现错缝，房屋严重梭瓦，见图15；而它在“5.30”地震后三面墙体倒塌，见图16。

勐弄乡勐弄村麻栗坡二层的民居，在“5.24”地震中山墙产生1条长裂缝，见图17a；前面窗角有1条小裂纹，见图17b的小红方框。而在“5.30”地震后，山墙在原来裂缝的基础上又产生多条裂缝，并且部分墙体错开，见图18a；房屋前面的窗角裂纹进一步扩展，并且另一窗角也出现裂纹，见图18b的大红方框。

图13 “5.24”地震中教学楼破坏情况Fig. 13 Damage of the teaching building after“5.24”earthquake

图14 “5.30”地震后教学楼破坏情况Fig. 14 Damage of the teaching building after“5.30”earthquake

图15 “5.24”地震中墙体出现错缝Fig. 15 Fissure of displacement at wall after“5.24”earthquake

图16 “5.30”地震后围墙倒塌Fig. 16 Collapsed walls after“5.30”earthquake

图17 “5.24”地震中的破坏情况（麻栗坡）Fig. 17 Damage of the building after“5.24”earthquake at Malipo

图18 “5.30”地震后的破坏情况（麻栗坡）Fig. 18 Damage of the building after“5.30”earthquake at Malipo

第五是墙体设计缺陷问题。门和窗之间形成的短柱因应力集中而产生破坏，是导致教学楼前面墙体破坏的主要因素；而砂浆的强度不高是墙体破坏的另一重要因素。

1.4 与相邻二层框架宿舍楼情况对比分析

与教学楼破坏情况形成鲜明对比的是，相邻的二层框架结构宿舍楼在地震中基本完好。根据该宿舍楼碑记（图19）的介绍，吾排小学原土木结构宿舍楼，年久失修成为D级危房，在2011年的“3.10”地震中倾倒。后来由美国华侨建议并捐助部分款项，由盈江县政府配套剩余资金，在2011年10月14日奠基，并于2012年5月16日竣工。新宿舍楼为框架结构，Ⅷ度设防，抗震性能比较好，是此次地震没有被破坏的主要原因。而上述教学楼的墙体，尤其是前面墙体的破坏，与其门窗位置的不合理安排密切相关；与其形成鲜明对比的是宿舍楼门窗位置的合理设计，见图9和图20，避免了填充墙体在地震中遭到破坏。

2 结束语

此次盈江地震科学考察中，除了吾排小学教学楼受到破坏，还有老卡场小学（砖混结构）和丁林寨小学（一层框架结构）受到破坏。建设时为了保证学校环境清静，这3所学校的共同点是都建在山丘或土坡顶部。受地形和场地条件对地震动放大作用的影响，学校教学楼均受到不同程度的破坏，所幸的是它们都采用了抗震设计，无人员伤亡。自2008年汶川地震后，学校作为重要的公共设施，引起各级政府的重视，房屋建筑的抗震设防标准相应的有所提高。山区地形、地貌以及场地条件比较复杂，修建房屋应尽量避开对地震动具有放大作用、容易造成破坏的场地。然而经验告诉人们，更关键的是采用较好的建筑抗震措施，这对于避免地震造成人员伤亡非常重要。

此次地震科学考察中，发现的一个比较普遍的现象是地震灾害累加作用。对于经常发生中小地震的地区，或者经常出现地震影响烈度Ⅶ度或Ⅷ度地区的建筑，地震灾害累加效应应当引起高度重视，吾排小学二层框架结构在多次地震的影响下最终破坏，就是一个深刻的教训，应引以为戒。

致谢：非常感谢云南省地震局为此次震害调查提供的条件和帮助，并提供了“5.24”地震房屋灾害照片。

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Damage Analysis of Two-Story Frame Structures in Wupai Elementary School by“5.24”and“5.30”Yingjiang Earthquakes

Chi Mingjie1，2），Li Xiaojun1），Chen Bo1）and Zhang Tao1，3）

1）Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China；
2）Key Laboratory of Seismic Observation and Geophysical Imaging，CEA，Beijing 100081，China；
3）National Earthquake Response Support Service Center，Beijing 100049，China

It is common that one abnormal damage appeared due to the complicated mountainous topography and site conditions during earthquake. It is of great significance to analyze the abnormal damage causes for seismic fortification of local or similar area，which will reduce the economic losses by earthquake disasters. Several adverse factors for abnormal earthquake damage of two-story frame structure in Wupai elementary school during“5.24”and“5.30”Yingjiang earthquakes were discussed，including the effect of hill terrain amplification，soil amplification，slope amplification and accumulative effect by multiple earthquakes．

“5.24”and“5.30”Yingjiang Earthquake；Frame structure；Effect of amplification；Multiple earthquakes

迟明杰，李小军，陈波，张涛，2014．盈江“5.24”和“5.30”地震中吾排小学二层框架结构破坏分析．震灾防御技术，9（4）：748—758．

10.11899/zzfy20140402

国家国际科技合作项目（2012DFG20510）；国家自然科学基金重大研究计划（91215301）

2014-07-29

迟明杰，男，生于1978年。博士，副研究员。主要从事地震工程方面的研究工作。E-mail: 03115049@bjtu.edu.cn