建筑结构地震安全性分析——汶川大地震遗址考察侧记

陈莉 张涛 李静 高博伟 张媛

建筑结构地震安全性分析
——汶川大地震遗址考察侧记

陈莉 张涛 李静 高博伟 张媛

本文以考察侧记和分析对比的形式，在对汶川地震遗址进行现场勘察调研并参阅整理相关资料的基础上，参照汶川大地震中不同结构类型房屋倒塌比例和结构抗震性的理论，以考察实际为依据，对汶川地震中建筑倒塌类型、建筑结构地震安全性进行了分析和对比研究，归纳整理出了北川县在此次地震中各建筑类型房屋倒塌废墟情况统计结果，提出了典型建筑结构抗震性的一些看法和意见，并介绍了当地在恢复重建中的有益经验和作法。

汶川地震 房屋倒塌 建筑结构 抗震性 对比研究

“5·12”汶川大地震8周年之际，笔者一行人考察了龙门山断裂带的北川县地震遗址、绵竹汉旺地震遗址、彭州白鹿中学和映秀镇漩口中学等震灾严重的地震遗址区，那震惊世界的瞬间留给人们心灵的创伤，仍然让我们感到痛触和难过。

回顾过去是为从灾难中吸取教训，为进一步增强全社会抗震减灾能力寻求更有效的方法和途径。

1.汶川大地震房屋倒塌类型分析

根据汶川大地震现场考察资料和遗址留下的印记，在参阅整理相关资料的基础上，我们将地震造成倒塌房屋中的钢筋混凝土框架结构房屋和砖混结构房屋震害划分如下几种类型。

1.1 框架结构房屋和砖混结构房屋破坏类型划分

1.1.1 粉碎性倒塌

粉碎性倒塌破坏是地震荷载大大超出承重的墙体或柱所能承受的荷载，承重的墙体或柱粉碎性破坏，梁、板、柱、墙体等构件无序排列，倒塌没有方向性，属于完全倒塌，倒塌后的建筑物看不出原有楼层数，一般5-7层的房屋倒塌后往往变成1-3层高，很难形成生存的空间，即使形成空间也以狭小空间为主。由于该类型倒塌快速，室内人员很难逃生，埋压较浅的人员一般易于救援，埋压较深的人员救援难度很大。图1是都江堰市华夏广场一栋四层砖混结构住宅楼，汶川地震后无规则完全倒塌破坏，从照片中可以看出倒塌后的楼房仅有3-4米高，梁、板、墙体等构件无序排列，几乎没有人生存的空间。在北川县城这种破坏类型的建筑物很多（图2），是造成人员伤亡的主要原因。

1.1.2 单斜式倒塌

图1 都江堰市某倒塌房屋

图2 北川县城某倒塌房屋

单斜式倒塌破坏是指由于受水平地震力作用建筑物向某一方向倒塌。如果梁、柱、墙体的强度足够强，梁、柱和墙体倒塌后未发生粉碎性破坏，局部能够形成小空间或狭小空间，有人能够幸存；如果梁、柱、墙体的强度较弱，单斜式倒塌破坏后每层楼房就像“大的铁饼斜摞起来一样”，所形成的空隙很小，几乎没有生存空间，救援难度很大。

图3 北川县信用社单斜式倒塌

图4 都江堰某房屋单斜式倒塌

图3是北川县信用社办公楼，框架结构，9层，汶川地震后发生单斜式倒塌破坏，从照片中可以看出倒塌后由于梁、柱和板强度较强，形成了较大空间，室内人生存可能性较大。图4是都江堰市华夏广场一栋五层框架结构房屋，震后发生了单斜式倒塌破坏，倒塌后楼板叠加，高度仅剩3米多高，楼板间缝隙很小，几乎没有生存空间，偶尔在梁、柱间形成小的空间，救援难度很大。

1.1.3 部分倒塌

根据房屋建筑倒塌部位不同，部分倒塌可以分为平面上部分倒塌和竖向上部分倒塌。

平面上部分倒塌是指住宅楼的部分单元或房间、办公楼或公用建筑在平面上一部分发生倒塌，这种倒塌主要由于局部强度较弱、楼房整体性差所造成，一般一塌到底，倒塌后下面所形成的空隙很小，埋压人员生存可能性很小，但是在倒塌部分和未倒塌部分之间由于梁、柱、板的支撑可能形成生存空间。图5是位于都江堰市水利水电十局家属院的一栋住宅楼，该住宅楼是砖混结构，东单元部分倒塌，从上至下一塌到底，生存空间很小，该处未发现幸存者，2人死亡遇难。图6是映秀镇一栋办公楼，震后大部分发生部分倒塌破坏，但是倒塌与未倒塌部分相互拉结，能够形成狭小空间。竖向部分倒塌是指一栋房屋上部部分楼层倒塌，而下部楼层破坏不严重，这种倒塌部分几乎都是粉碎性倒塌，很难形成生存的空间，即使形成空间也以狭小空间为主。图7是北川县城某砖混结构房屋竖向部分倒塌情况，上部几层已经面目全非了。

1.1.4 楼梯倒塌

楼梯倒塌常常发生在砖混结构房屋中，由于楼梯部位的刚度和其他部分的刚度有差异，地震中楼梯是容易发生破坏的部位，震时由于人员往外匆忙逃跑，所以楼梯部位人员往往比较集中，如果楼梯发生倒塌，往往会造成严重的人员伤亡。楼梯倒塌后，由于楼梯梁、板倒塌后纵横交错，能够形成一定的空隙，人员有一定生存空间。图8是都江堰市解放小区一栋住宅楼楼梯倒塌的情况，该楼房为7层，呈品字型，砖混结构，震后该楼梯楼板和踏步都掉落，其余部位未倒塌。

图5 都江堰某房屋平面上部分倒塌

图6 映秀镇某房屋平面上部分倒塌

图7 北川县城某房屋竖向上部分倒塌

图8 都江堰市解放小区某房屋楼梯倒塌

图9 北川中学教学楼底部2层坍塌

图10 都江堰市某住宅楼第2层坍塌

1.1.5 楼房薄弱层(底层或者中间层)坍塌

由于楼房在竖向上刚度不均匀，地震中存在楼房薄弱层坍塌现象。楼房薄弱层坍塌一般为底层或者中间层。楼房薄弱层坍塌后由于梁、柱、板、墙体的支撑可能形成40-60厘米高的空隙，人员有一定生存空间。

图9是北川中学教学楼震后破坏情况，该楼为5层砖混结构，震后底部2层坍塌，地上只见3层。图10是都江堰市观景路47号云海汽修厂宿舍楼，该楼为底层框架结构，共6层，震后第2层坍塌，坍塌后由于梁的支撑形成了46厘米高的空隙，人在里面得以幸存的机会很大。

1.1.6 严重破坏

在地震灾害中，有的房屋建筑造成严重破坏，比如部分墙体倒塌、部分楼板掉落、部分梁柱破坏、部分基础破坏等现象，严重破坏的房屋建筑破坏现象千差万别，没有一定的规律，仅有很少部分严重破坏造成人员伤亡。一般严重破坏的房屋建筑能够形成较大的空隙，方便救援。

1.2 工业厂房及空旷房屋破坏类型划分

在地震中，排架结构厂房和空旷房屋是经常出现的房屋破坏类型，按照其破坏后的现状以及可能采取不同的救援方法，将工业厂房和空旷房屋的震害划分如下几种类型。

1.2.1 完全倒塌

完全倒塌是指工业厂房和空旷房屋完全倒平，维护墙和屋盖系统全部倒塌，柱子也倒塌或残留。工业厂房和空旷房屋由于室内一般有大型设备或坚固的座椅，可能有一定的间隙，有一定人员生存空间。

图11是什邡市某磷肥厂厂房震后破坏情况，该厂房为单层钢筋混凝土厂房，震后维护墙和屋盖系统全部倒塌，仅存部分钢筋混凝土柱。

1.2.2 屋盖倒塌

工业厂房和空旷房屋屋盖系统全部或大部分倒塌，维护墙和柱子未完全倒塌。有时形成V形式倒塌，即屋盖中部倒塌落地，屋盖两边连接在屋盖上；有时形成屋盖一边倒塌落地，一边连接在维护墙或柱子上。屋盖倒塌局部有一定的间隙，有一定人员生存空间。图12是什邡市蓥华镇宏达化工厂厂房震后破坏情况，该厂房为多层钢筋混凝土厂房，上层屋盖倒塌。

2.典型建筑结构与地震安全性分析对比

笔者在对汶川地震遗址进行现场勘察调研和参阅整理相关资料的基础上，参照汶川大地震中不同结构类型房屋倒塌比例数据与结构抗震性理论，并以考察实际为依据，对汶川地震中建筑倒塌类型、建筑结构地震安全性进行了分析和对比研究。

2.1 建筑结构分类

建筑结构主要分为砖混结构、框架结构、底商砖混结构、底商框架结构、农村房屋五种类型。

一是砖混结构，指建筑物中竖向承重结构的墙采用砖或者砌块砌筑，构造柱以及横向承重的梁、楼板、屋面板等采用钢筋混凝土结构，是以小部分钢筋混凝土及大部分砖墙承重的结构。

砖混结构适合开间进深较小，房间面积小，多层或低层的建筑，承重墙体不能改动。

二是框架结构，指由梁和柱以钢接或者铰接相连接而成，构成承重体系的结构，即由梁和柱组成框架共同抵抗使用过程中出现的水平荷载和竖向荷载。

框架结构的空间分隔灵活，自重轻，有利于抗震，也节省材料；采用现浇混凝土框架时，结构的整体性、刚度较好，设计处理好了能达到较好的抗震效果，而且可以把梁或柱浇注成各种需要的截面形状。 但其框架节点应力集中显著，侧向刚度小，属柔性结构框架。在强烈地震作用下，结构所产生水平位移较大，易造成严重的非结构性破坏。

三是底商砖混结构，底层商铺，上部是砖混结构住宅的底商结构。

四是底商框架结构，底层是商铺，上部是框架结构住宅的底商结构。

五是农村房屋，倾斜的木梁、黑瓦结构，大多在乡村、或县城与乡村的交界处，北川县城没有。

2.2 典型建筑结构地震安全性分析对比

各种建筑结构类型的房屋抗震能力是有所不同的。北川地震遗址区没有农村房屋实例，其余四种建筑结构都有实例。

理论上，框架结构房屋地震安全性较好，理应是相对安全的，但从“5· 12”汶川特大地震，由专业人员对北川县的房屋倒塌和人员伤亡实际情况进行核查统计得出的震害结果来看，其安全性则截然不同。

从理论上看，框架结构建筑从抗震性、稳定性、房屋坚韧性等方面都优于砖混结构。在防震性能方面，框架结构体系的刚度和强度都比较好，属柔性结构；砖混结构中砌体自重大，使砌体结构所承受的地震力相对增大，而且砖混结构是由脆性材料组成，抗拉抗剪强度均较差，延性也差，抗变形能力小，再加上砌体结构施工时质量难以控制，很容易对结构造成破坏，属刚性结构。

框架结构房屋与砖混结构房屋相比，无论在承重能力还是在抗震性能方面都有明显的优势，现在房屋建筑大多选用框架结构；砖混结构虽然造价便宜,适合多层和低层的房屋，但现在很多多层或低层，包括两三层的别墅都采用安全性能好的框架房屋承重结构体系。

然而，“5·12”汶川特大地震北川县的灾情统计实际结果是：在同等环境下，不同结构类型的房屋倒塌和人员伤亡情况所占的比例分别为：砖混结构为50%、框架结构为75%、底商结构为86%，具体内容如下。

2.2.1 砖混结构（倒塌率50%）

砖混结构特点是先用砖砌墙、后大多有圈梁构造，按7度抗震设防制造。我们能看到的由地震造成的倒塌较少，倒塌后易形成生命三角区，有生存空间，存活的几率高，便于救援。

图11 什邡市某磷肥厂厂房完全倒塌

图12 什邡某厂房屋盖系统倒塌

2.2.2 框架结构（倒塌率75%）

框架结构由梁和柱以钢接或者铰接相连接构成承重体系的结构之后，大多是用半高连续填充墙来进行分割的，通常框架结构按7度抗震设防制造。框架结构在发生地震倒塌时大多是从底部先塌，且叠瓦状倒塌，形成的废墟比较严密，没有生存空间，故造成伤亡的人数较多，致死率也较高。

框架结构房屋倒塌率较高的主要原因在于半高连续填充墙使柱的自由高度减半，其抗震性能被削弱。再加上柱和梁之间有拉筋，导致整体结构的强度不均匀，尤其是当地震荷载大大超出建筑结构承重的墙体或支撑立柱所能承受的荷载时，将使建筑体承受远远超出本身结构所能承载的抗震强度，其承重的墙体或立柱就会发生粉碎性破坏，造成梁、板、柱、墙体等构件无序排列，形成叠状倒塌，且没有方向性，生存空间小，不好实施救援。

2.2.3 底商结构（倒塌率86%）

底商结构的房屋地震倒塌率高，倒塌危害性大,抗震性能欠佳。底商多层砌体结构在我国南方中小城市大量存在，此类房屋底部多半是框架或杂交结构，从第二层起多为砖混结构，先有墙、后有柱，通常按七度抗震设防。底部由于连续半高填充墙导致墙体的强度不均匀，使底部框架楼层基本全都倒塌，上部分砖混结构倒塌形式不一，有的还整体下落。

底商结构房屋震害严重的另一个主要原因是底部框架结构大多有二道纵墙，一道强度高，另一道强度低，地震荷载都集中到了强度高的那道墙，致使墙体所承受的负荷超出承载能力，造成严重倒塌。

通过对北川灾情调查统计数据，得以下重要结论：无论框架结构或砖混结构，凡是处在地震断层破裂带上的房屋在此次震灾中全部都是粉碎性倒塌。因此，在恢复重建或以后进行建筑房屋选址时应避开地震断裂带区域，这一点非常重要。

上述调查结果是通过航拍影像和专业人员沿街逐一核查地震废墟结构并按统计选票的方法得出来的真实数据，且航拍影像与人员实际核查的统计结果是一致的。

3.灾区恢复重建过程中的几点有益经验

加强抗震设防管理，为后代负责，灾区恢复重建房屋抗震性能的好坏是对当地政府工作成效的最好检验。在调研考察的汶川地区恢复重建过程中的一些作法和经验值得吸取。

3.1 注意重建规划的合理性

在灾区的恢复重建过程中，要注意潜在地震危险因素，重视地质灾害风险评估结果。在建设选址、城市基础设施建设方面要考虑建筑结构地震安全性能，力争做到统筹规划、合理安排，并切实提升基础设施的建筑质量和抗震能力。

3.2 加强对农村民居建设的管理与指导

重建过程中各级政府，特别是基层政府主管部门要通力合作，加大抗震农居建设的推广和指导力度，要通过地震灾害中血的教训让广大农民提高对农居抗震安全重要性、必要性的认知；同时要加大对农村建筑工匠建筑抗震结构知识的普及，把农居安全融入到社会主义新农村建设之中，彻底改变农村基本不设防的问题，全面提升农村的防震抗灾能力。

作者单位：中国地震应急搜救中心

[1] 张培震.中国地震灾害与防震减灾[J].地震地质，2008，30 (3)：577—583.

[2] 张令心、孙柏涛、孙景江，等.GB/T24335-2009《建(构)筑物地震破坏等级划分》[M].北京：中国标准出版社,2009.

[3] 贾群林，何红卫，李尚庆.地震应急救援培训的组织与管理[M].北京 地震出版社 2013.9.

[4] 曲国胜，王晋中，张辉，等.汶川特大地震专业救援案例[M].北京：地震出版社,2009.

[5] 贾群林，刘鹏飞.突发公共事件的应急指挥与协调[M].北京 当代世界出版社 2010.9.

[6] 王宏伟.试析汶川震后的恢复与重建 [J].中国应急救援,2009,13(1)：6-7.

[7] Internationnal Search and Rescue Advisory Groupp，Office for the Coordination of Humanitarian Affairs，UN,1999

[8] Frequently asked question on the development of a legal framework for international urban search and rescue (USAR) assistance [EB／oL].http：//www.reliefweb.int／insamg／convention／faq.htm.2