灵关镇芦山地震建筑震害分析

陶连金，　田　健，　刘春晓，　郭　飞，　王焕杰

（1.北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京100124；2.北京城市交通协同创新中心，北京100124）

灵关镇芦山地震建筑震害分析

陶连金1，2，田健1，2，刘春晓1，2，郭飞1，2，王焕杰1，2

（1.北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京100124；2.北京城市交通协同创新中心，北京100124）

为提高村镇房屋的抗震性能，对“4.20”宝兴县灵关镇震后房屋进行现场调查，围绕房屋破坏和倒塌情况，分析房屋结构中典型部位的震害现象，以及柱、墙、楼梯、附属建筑物等典型部位的震害机理。结果表明：框架结构的抗震性能总体表现良好，木结构次之，砖混结构和少量框架－砌体抗震性能较差。可以通过添加抗震构件，增强结构整体性等措施，提高各种结构的抗震性能。该研究为村镇房屋下一步的抗震设防工作提供了指导性建议。

芦山地震；村镇房屋；震害；抗震加固

0　引　言

地震对人的危害主要体现在建筑破坏方面。城市中的建筑大都按照标准建造，但是村镇房屋未纳入国家建设管理程序，修建时大多未进行设计，无图纸，未考虑抗震设防，也无正规的施工单位，因此在地震中破坏最为严重。这在我国发生的多起地震中已经得到了体现［1-6］。经证实，汶川地震后新建的部分农房因为采用了一定的抗震构造措施，在芦山地震中表现了良好的抗震性能［7］。这说明了解村镇民居的震后破坏形态，提出合理的房屋加固和改进措施，对于制定防震减灾规划和修订抗震设计规范有着重要参考价值。

关于地震中村镇房屋震害已有相关学者做了研究。贾英杰等［8-12］对汶川地震砌体房屋震害进行了调查分析；高永武等［13］分析了木结构的震害并提出加固建议；王威等［14-15］对建筑楼梯等附属建筑进行震害分析。上述研究均未立足于一个具体的区域，对该区域不同房屋震害类型进行汇总，并针对性地提出适合于该地区的抗震措施建议。

2013年4月20日8时2分四川省雅安市芦山县发生里氏7.0级地震，震中位于芦山县龙门乡、宝胜乡、太平镇交界（北纬30.3°，东经103.0°），震源深度13km。震后，笔者对距震中约19 km的宝兴县灵关镇进行调查。

灵关镇房屋涵盖了典型西南地区村镇民居的主要结构类型，由于距震中较近，其震害现象也具备代表性。震后的房屋大部分没有得到修葺和重建，许多危房依然矗立，有的仍在继续使用，存在很大的安全隐患。少部分居民对房屋自行加固，仍按老办法，还是不能从根本上解决问题。

笔者汇总了四川省雅安市芦山县灵关镇典型建筑震害调查资料，分析建筑震害特点，并针对受害区域建筑抗震现状中所反映的普遍问题提出相关建议，以期为村镇房屋下一步的抗震设防工作提供指导。

1　房屋设防烈度和类型

经调查，当地房屋的设防烈度为6度，由中国地震局发布的四川芦山“4·20”7.0级强烈地震烈度图［15］可知，灵关镇所处的位置最大烈度达到8度。因此，设防烈度低是灵关镇房屋震害严重的原因之一。镇上房屋建筑以砖混结构为主，还有少量框架、框架-砌体以及砌体-木结构。砌体建筑抗震能力相对于框架结构来讲较弱，所以砌体建筑在地震中出现的震害情况较严重。

2　灵关镇典型结构震害

2.1框（排）架结构

该地区框架结构房屋主体结构震害较轻，主要是填充墙和围护结构破坏。以街道两边部分商店为例，由于功能设置原因，这些框架结构一边以大开间作为门面，另一边使用填充墙，致使结构一边偏沉，受力特点近似于刚心偏移的框架剪力墙，地震作用对房屋产生较大的扭转效应，导致屋内填充墙损害严重，而门面震害较轻，如图1所示。此外，灾区采用排架结构的厂房及仓储用房，由于跨度大、屋架重、柱间连接弱、年久失修等原因，在此次地震中破坏严重，垮塌较多，如图2所示。

图1　街道商店外墙和内墙（右上角）对比Fig.1　Comparison of external wall and interior wall（top-right corner）in street store

图2　地震后的厂房Fig.2　Seismic damage to plant after earthquake

2.2框架-砌体混合结构

该地区房屋框架-砌体混合结构有多种形式，如底框砖混结构（底层框架-上部砖混，竖向混合），底层部分框架、部分砌体-上部砖混结构，以及部分框架-部分砖混结构（水平混合）。由于当地的经济原因，人们往往为了缩减材料开支，很少使用混凝土框架。这种结构体系大多比较混乱，框架和砌体承重墙抗侧力构件的承载力和变形能力很不协调，平面抗侧刚度极度不均匀。刚度突变、传力途径复杂、变形能力不协调等原因都会导致结构的损坏。如图3所示，建筑上层砌体结构全部垮塌，下部结构也遭到一定的破坏，但好于上部结构。可见，地震中框架结构的抗震性能要优于砌体结构。

图3　上层砌体结构垮塌Fig.3 Collapse of upper masonry structure

2.3砖混结构

砖混结构在灵关镇比较普遍，数量最多，震害也最严重。主要表现为墙体因强度不足而倒塌；房屋转角部位局部崩落，或者严重开裂；坡顶瓦屋面的屋顶坍塌，或连同顶层一起倒塌。究其原因，砖混砌体结构承载力低，开裂后约束能力差，裂缝发展快速结构延展性差，容易发生坍塌。笔者在调查中同时发现，大部分老旧房屋未采取有效的抗震措施，如设置圈梁、构造柱等，这样导致砖混结构整体性差，抗连续倒塌能力低。承重墙破坏如图4所示。

图4　破坏的承重墙Fig.4 Destruction of load bearing wall

2.4木结构

木结构房屋在这次地震中震害较轻，原因是其具有良好的受力性能，它对于瞬间冲击荷载和周期性疲劳破坏具有良好的延展性，破坏过程是一个屈服过程。当房屋晃动时，木结构骨架仍可以保持结构的稳定性。此外，木结构大多采用的榫卯连接，使其具有“柔性”连接的特点，可以承受较大的荷载，而且允许产生一定的变形。图5为损坏较轻的木结构建筑。

图5　损坏较轻的木结构Fig.5 Lighter destruction of wood structure

3　典型部位震害机理

3.1柱的破坏

调查区房屋中混凝土柱较少，砖砌体壁柱居多。不合理的“强梁弱柱”结构形式最为普遍。柱是结构主要承力构件，如果先于梁产生脆性破坏，会使结构失去支撑，进而导致整个建筑的垮塌。

混凝土柱的柱头柱脚处受力较大，是薄弱点，所以破坏最为严重，表现为表层混凝土开裂或者压酥，保护层脱落，且由于壁柱与窗间墙无拉结，极易裂开，导致柱折断。“弱柱”产生的原因是，柱中的纵向受力钢筋太细太少，抵抗斜截面剪力破坏的箍筋间距过大，钢筋搭接长度不够，从而降低了柱抵抗剪切的能力。对于砖砌体壁柱，材料质脆，自重大，由于缺少受力钢筋，整体性差，其抗剪能力更弱，在地震作用下极易出现裂缝以及失稳状态。砖砌体壁柱破坏如图6所示。

图6　破坏的砖砌体壁柱Fig.6 Destruction of masonry structure pilaster

3.2墙的破坏

调查区域遇到的墙均为砖砌体墙，其中，无筋砖砌体墙破坏最为严重。砖砌体墙由于受到不同地震波作用，以致呈现出不同的破坏形式。芦山县没有高层建筑，一般楼房以二三层居多，所受纵波影响相对较小，使墙体产生破坏的主要为横波和扭波。文中对墙体上出现的裂缝形式进行分析。

3.2.1水平裂缝

砌体墙抗弯能力很差，在垂直墙面的剪切力和地震倾覆力矩作用下墙体水平截面很容易产生弯曲破坏，纵墙刚性弱于横墙，往往先出现水平裂缝，并逐渐延伸至横墙，进一步导致房屋的整体弯曲破坏。纵墙水平裂缝分布如图7所示。

图7　产生水平裂缝的纵墙Fig.7 Longitudinal wall with horizontal cracks

3.2.2X形裂缝

砖石砌体材料是脆性材料，抗拉和抗剪强度都很低，墙体在竖向和水平地震作用以及重力作用下沿主拉应力的方向开裂，逐步延伸形成X形裂缝。这种裂缝在灾区比较常见，如图8所示。

图8　墙体X形裂缝Fig.8 X cracks on the wall

3.2.3墙角处V形裂缝以及横纵墙分离

房屋四角处由于受到来自两个方向的地震作用，受力复杂，缺少约束，同时刚度又较大，所以地震时墙角部位墙面上将出现纵横两个方向上的V形斜裂缝，如图9所示。如果横纵墙衔接不好，容易在衔接部位出现竖向裂缝，墙面拉脱，严重时可能导致整个墙面脱离，如图10所示。

图9　墙角V形裂缝Fig.9 V cracks on corner of wall

图10　分离垮塌的横纵墙Fig.10　Collapse of cross wall and longitudinal wall

3.2.4窗间墙、梯间墙和窗脚的破坏

对于砖混结构，窗户和楼梯段的嵌入破坏了墙的整体性，削弱了墙体，使窗户和楼梯段处墙体强度折减，刚度突变，应力集中，如图11中窗脚处的墙体破坏严重。对于隔断的墙体段来讲，自身刚度变大，吸收能量多，承担的地震作用力大，所以破坏程度都比其他部位的墙体大。

图11　窗脚处破坏Fig.11 Destruction at bottom of window

3.3楼梯处破坏

调查发现，平台梁和梯板连接处容易断裂，导致平台梁混凝土块在裂缝处脱落，下部钢筋弯曲裸露，如图12a所示。主要原因在于，梯板在地震作用中起到了K形中心支撑构件的作用，梯板在反复拉、压过程中破坏。另外，由于楼层和休息平台不在同一水平面，水平力在此发生转折，因此，休息平台相连接的墙面也容易出现裂缝，如图12b所示。

图12　楼梯处破坏Fig.12 Failure of stairs

图13　建筑附属结构破坏Fig.13 Failure of attached structre

3.4建筑附属结构破坏

地震作用时，顶部突出屋面的附属构件，如女儿墙、烟囱、屋顶间等，由于质量和刚度比较小，在每一个来回的转折瞬间，形成较大的速度，产生较大的位移，地震反应强烈，即受到所谓的“鞭梢效应”的影响，因而破坏也较严重。图13a为倾倒的女儿墙，图13b为出现墙体裂缝的屋顶间。

3.5抗震构件在芦山地震中的作用

调查的区域中也有部分房屋抗震性能较好，主要原因是添加了一些抗震构件：圈梁和构造柱。圈梁和构造柱的设置有利于增加房屋的整体性和延性，使墙体被约束在一定的框格内，有效地限制墙体的散落，延缓墙体破坏的速度，也为人们逃生提供更多的时间。由图14可以看出，设置构造柱和圈梁的墙体表现出良好的抗震性能，地震后完好无损。

图14　设置抗震构件的墙体Fig.14 Wall with seismic component

4　结论与建议

（1）灵关镇地震中，框架结构的抗震性能总体表现基本良好，木结构次之，而砖混结构和少量框架-砌体抗震性能表现较差。

（2）框架结构的震害较轻，若能保证施工质量，框架结构可以实现预期的大震和中震的抗震性能目标。但仍有部分框架未能实现预期的“强柱弱梁”。

（3）木结构中木框架与填充墙的链接是保证其整体性的关键点之一，可采用木板条将木柱与填充墙连成一个整体，提高木结构与填充墙的拉结强度。

（4）砖混结构在未来一段时间里还将是灵关镇主要的建筑形式。提高砖混结构的抗震性能需要合理设置钢筋混凝土构造柱和圈梁，尽可能多采用现浇楼板，增强结构的整体性。若采用预制楼板，其有效拉结和搁置长度须合理设置。此建议对于教学楼、商铺等具有大开间、外挑走廊、单跨、纵墙承重等特点的建筑物尤为重要。

（5）底部框架-砌体混合结构转化层的刚度很难满足抗震设防要求，即使按照现行规范设计，仍受损严重，建议尽量减少使用底部框架-砌体混合结构。

（6）对于一些薄弱环节，如存在大开间（门和窗）的墙，要在变截面处进行加固；梁柱交结处和柱脚处要保证箍筋的数量；楼梯作为重要的逃生通道，在抗震设计中应进行重点设防，增加竖向和横向的支撑，关键位置进行加固，提高其抗震能力。

［1］ 王锡财，王彬，周光全，等.云南大姚6.1级地震多层砖砌体和框架房屋震害研究［J］.灾害学，2004（3）:46-52.

［2］ 石玉成，马尔曼，陈永明，等.2003年民乐—山丹6.1、5.8级地震房屋震害分析［J］.西北地震学报，2005（3）:260-266.

［3］ 非明伦，周光全，余庆坤，等.保山隆阳5.0级地震永昌城区房屋震害统计与分析［J］.地震研究，2007（1）:77-82.

［4］ 周铁钢，赵冬.“5·12”地震绵竹城区砌体结构房屋震害调查与分析［J］.西安建筑科技大学学报：自然科学版，2008，40（5）: 613-618.

［5］ 宋战平，曾珂，韩晓雷，等.“5·12”汶川地震四川绵竹震害调查及相关问题的讨论和思考［J］.西安建筑科技大学学报:自然科学版，2008，40（5）:625-630.

［6］ 孙西京，何金胜.陕西省房屋震害调查研究分析［J］.陕西建筑，2008（11）:12-16.

［7］ 周铁钢，钱相博，张冰冰.芦山地震农村房屋震害调查与分析［J］.地震工程与工程振动，2013（3）:53-58.

［8］ 贾英杰，袁泉，姚谦峰，等.砌体结构震害分析与防治对策研究［J］.工程抗震，2001（1）:17-21.

［9］ 谭明，袁中夏，唐丽华，等.汶川8.0级地震青川县乡镇砖混结构民房震害调查及原因浅析［J］.内陆地震，2013（3）:205-211.

［10］李英民，韩军，刘立平，等.“5·12”汶川地震砌体结构房屋震害调查与分析［J］.西安建筑科技大学学报:自然科学版，2009，41（5）:606-611.

［11］邵力群，陈文元.5.12汶川大地震中砌体结构房屋震害调查与思考［J］.工业建筑，2009（1）:30-35.

［12］王威，周颖，梁兴文，等.砌体结构在2008汶川大地震中的震害经验［J］.地震工程与工程振动，2010（1）:60-68.

［13］高永武，金波，戴君武，等.芦山7级地震村镇木结构震害调查及加固建议［J］.地震工程与工程振动，2013（3）:48-52.

［14］王威，薛建阳，罗大明，等.建筑楼梯在2008年汶川大地震中的震害分析［J］.地震工程与工程振动，2011（5）:157-165.

［15］苏启旺，蔡宏儒，李力.从“汶川大地震”引发对板式楼梯设计的思考［J］.四川建筑科学研究，2008（4）:165-167.

（编辑荀海鑫）

Analysis on seismic damage of buildings of Lingguan town in the Lushan earthquake

TAO Lianjin1，2，TIAN Jian1，2，LIU Chunxiao1，2，GUO Fei1，2，WANG Huanjie1，2
（1.Key Laboratory of Urban Security＆Disaster Engineering of Ministry of Education，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.Center of Cooperative Innovation for Beijing Metropolitan Transportation，Beijing 100124，China）

This paper is an effort to improve the seismic performance of houses in rural areas in response to severe damages to houses，as occurs in“4.20”Lushan earthquake disaster-striken areas. The improvement research is comprised of a field investigation into the post-earthquake houses in Baoxing county in Lingguan town，an analysis of the way in which destruction and collapse occurred，and a classification of seismic damages to typical parts of building structures in the earthquake，and exploration of the mechanism underlying the seismic damages occurring in typical parts like columns，walls，stairs，and ancillary structures.The results show that frame structures exhibits a best seismic performance，followed by wood structures，and then by brick structure and frame-masonry structure. Measures such as reinforcing seismic components and enhancing the structural integrity contribute to improving the seismic performance of structures involved in potential earthquakes.This research may provide a reference for seismic fortification of village and town houses.

Lushan earthquake；rural houses；seismic damage；seismic strengthening

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.06.010

TU352.11

2095-7262（2015）06-0621-06

A

2015－11－07

国家自然科学基金项目（90715035）；北京市自然科学基金重点资助项目（8111001）；国家自然科学基金创新研究群体项目（51421005）

陶连金（1964-），男，黑龙江省鸡西人，教授，博士，博士生导师，研究方向：岩土及地下工程，E-mail:ljtao@bjut.edu.cn。