5·12-汶川地震砌体结构房屋震害调查与分析
2020-07-07
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第41卷第5期2009年10月西安建筑科技大学学报(自然科学版)ScienceEdition)VoI.41No.5J.Xi’anUniv.ofArch.&Tech.(Natural0et.2009“5・12"汶川地震砌体结构房屋震害调查与分析李英民,韩军,刘立平,郑妮娜,王丽萍,刘建伟(重庆大学土木工程学院,重庆400045)摘要:通过对汶川地震重灾区的震害应急评估和调查,对砌体结构房屋的震害情况进行了整理和分析,总结了砌体房屋的震害特征和经验教训,总体评价了砌体结构在汶川地震中的表现,对其在高烈度区是否适用得到了一些认识,并在砌体结构抗震技术方面得到一些启示,并提出了相应的建议.关键词:汶川地震;震害;砌体结构;震害分析中图分类号:TU352.1文献标识码:A文章编号:1006—7930(2009)05—0606—06历次大地震的震害和经验总结是检验现行建筑抗震规范和推动抗震技术发展的重要途径[1{].砌体结构房屋在美国、日本等抗震发达国家很少被采用在中、高地震风险区,而我国在各烈度区都存在大量的砌体结构.砌体结构是否适合在高烈度区修建在国际抗震领域存在争议.本文通过对汶川大地震重灾区的的房屋震害应急评估和调查,对砌体结构房屋的震害情况进行了整理和分析,总结了砌体房屋的震害特征和经验教训,总体评价了砌体结构在汶川I地震中的表现,对其在高烈度区是否适用得到一些认识,并在砌体结构抗震技术方面得到了一些启示,并提出相应的建议.1砌体结构房屋震害概况砌体结构房屋的抗震能力一般相对较低,在历次大地震中震害都较严重.此次地震多数受灾地区的设防烈度为6~7度,且部分地区较早前修筑的砌体结构和底部框架结构未进行抗震设防.而汶川地震中部分受灾地区的实际烈度超过了设防烈度较多,有的地区甚至达到了1l度.在这次大地震中这类房屋的震害很严重.在北川县城、汶川县漩口镇、映秀镇等极震区80%~90%以上倒塌或严重破坏,一些建筑群或临街建筑成片倒塌,未倒塌的破坏也相当严重而不能继续使用,如图1、2所示例;在都江堰市、绵竹县、汉旺镇、红白镇等高烈度区砌体结构和底框结构震害也比较严重,部分房屋倒塌,多数严重破坏或中等破坏.主要表现为房屋转角部位局部崩落,或严重开裂;墙体强度不足而倒塌或严重开裂破坏;坡顶瓦屋面的房屋塌顶或连同顶层一起倒塌;一些年代较久的老旧房屋震害更为严重.图1震后北川县城房屋倒塌严重图2震后映秀镇房屋倒塌严重Fig.2at图3都江堰某底框结构上部倒塌Fig.1atCollapseofbuildingBeichuancityCollapseofbuildingFig.3CollapseoftoppartofbottomcityYingxiuTownborderstructureatDujiangyan收稿日期:2008一Ii一06修改稿日期:2009—07—12基金项目:重庆市建委科研项目(2006—61)作者简介:李英民(1968一),男,山东人,博士,教授,从事地震工程及结构抗震等研究万方数据 第5期李英民等:“5・12”汶川地震砌体结构房屋震害调查与分析607如图3、4所示;在绵阳等较低烈度区砌体结构少数严重破坏或中等破坏,多数为轻微破坏或基本完好;成都等地以完好或轻微破坏为主,一些老旧砖房的墙体有破坏或局部倒塌;坡度较大的瓦屋面严重溜瓦;出屋顶小房间、小烟囱破坏或倒塌.如图5、6所示.图4,震后汉旺镇房屋倒塌较多Fig.4图5Fig.5绵阳市区震后外貌cityin图6地震后的江油市街景Fig.6StreetintheCollapseatHanwangtownMianyangtheearthquakeofJiangyouCityearthquake2典型震害特征及分析汶川地震造成大量砌体结构倒塌以及不同程度的破坏,其震害与以往地震震害相比有相同之处,也有其特点,主要表现在以下方面:(1)不同烈度区砌体结构的震害差异较大:低烈度区以墙体裂缝等轻微破坏为主,相比而言框架结构填充墙的大量严重破坏可能经济损失更大,表明砌体结构在中、小震时可维修度比框架结构好;而高烈度区和极震区砌体结构房屋以严重破坏或倒塌为主,尽管有少数破坏较轻,但总体来说,砌体结构房屋抗震安全性在高烈度区没有框架结构好,倒塌数量相对较多;(2)多层砖砌体结构和底部框架砌体结构中砌体部分整体性差、抗连续倒塌能力低:砌体结构中大多采用预制板楼盖,整体性较差,不能有效的将水平力按刚度比例传递到各竖向构件即砖墙或砖柱,砖墙和砖柱的某些部位截面小,承载力低,地震中容易破坏或倒塌,由于整体性差从而引起连续倒塌.(3)未进行抗震设防设计的老旧房屋破坏比经过抗震设防或抗震加固的房屋破坏严重:未经抗震设防的老旧房屋倒塌多,而许多按规范设计施工的带圈梁、构造柱的砌体结构能裂而不倒,某些经过抗震加固的房屋破坏轻微,给居民逃生留下了宝贵的时间;(4)砌体与钢筋混凝土混合体系中砖砌体破坏严重:在经济欠发达地区常出现混凝土与砌体混合使用的情况,在需要大空间的地方采用混凝土柱,其他地方采用砖墙,特别是在底部框架砌体结构房屋中比较常见,砌体墙体在地震中作为抗震墙,砌体墙按照刚度分配到的地震作用会和同等截面的混凝土墙相当,而其实际承载能力却比混凝土墙差很多,因此,地震中吸收了很大地震力的砖墙由于承载力低而破坏严重;(5)有些结构体系抗震性能相对较差,如平面布置不规则、大空间大跨度房屋在地震中容易遭受严重震害.此次地震中学校砌体结构教学楼破坏严重,不少发生倒塌;(6)村镇建筑仍是房屋抗震的薄弱环节:乡镇自建房一般未经抗震设计,无抗震构造措施,抗震能力差,地震中大量倒塌,历次大地震都揭示了这个问题;(7)砌体结构的不同部位在地震中都会发生震害,如地基破坏、墙体开裂或倒塌、出屋面顶部突出物严重破坏、缝及连接破坏等,这与以往的大地震震害相似;下面分别对砌体结构的倒塌、结构抗震体系及措施、各部位震害特征、底部框架房屋和框架一砌体混合结构的震害进行归纳和分析.2.1倒塌多层砌体结构房屋的整体性差,抗连续倒塌能力低,在高烈度区和极震区出现了大量的砌体房屋倒塌,特别是未经过抗震设防的老旧房屋,因未采取有效的抗震措施(如设置圈梁、构造柱等),而砖砌体承载力低,开裂后有效约束差,裂缝开展快而宽,结构延性差,易发生倒塌.根据倒塌部位主要有以下五种:全部倒塌、上部倒塌、下部倒塌、中间层倒塌和局部倒塌E33.万方数据 608西安建筑科技大学学报(自然科学版)第41卷(1)全部倒塌:全部倒塌即房屋整体倾倒,多数为某层砖墙承载力不足而倒塌,其他层随之倒塌或被其砸倒.如图7所示意;(2)上部倒塌:砌体结构上部倒塌多发生在上部结构整体性差或墙体削弱较多时,这种震害现象较其他倒塌类型少,如图8所示意;(3)下部倒塌:某些多层砖房结构底层门窗开洞较多,或底框结构底层刚度较小,竖向刚度有突变,底层薄弱或强度过低,导致底层倒塌或严重破坏,如图9所示意;(4)中间层倒塌:中间层座落倒塌的震害较少,汶川I地震中北川个别砌体房屋、汶JIl县漩口镇部分在建底部框架房屋发生这类震害.如图10、11所示意;(5)局部倒塌:多层砖房和底框房屋的局部倒塌有的是一端倒塌,另一端未倒;有的两端倒塌,中间未倒;有的中间倒塌,两端未倒;有的外墙倒塌,内墙未倒.如图12所示意.产生的原因多种多样,如某个开间突然变大;局部使用荷载的改变(如办公室改为档案室);平面不规则或地震扭转效应;两种结构形式混合承重;内外墙连接未处理好等等.图7Fig.7北川某砌体结构全部倒塌Entire图8漩口镇某砌体上部倒塌Fig.8图9Fig.9北川某底框结构底层倒塌CollapseofbottomborderstructureatcollapseofamasonryCollapseofstructureattoppartofamasonrypartofbottomstructureatBeichuanXuankol_lTownBeiehuan图10北川某砌体结构中间层坍塌图11漩口镇某砌体图12汉旺镇某砌体结构结构3层坍塌a中间局部倒塌aFig.10CollapseofmiddlefloorofstructureatFig.11Collapseofthethirdfloorofmasonrystructureg.12aLocalcollapseofthemiddlestructureatpartofmasonryBeichuancitymasonryHanwangTown2.2结构抗震体系及措施结构抗震概念设计在砌体结构抗震设计中尤为重要.其中,结构抗震体系规则性(包括平立面布置)和抗震构造措施(圈梁、构造柱的合理设置)是决定砌体抗震性能的重要方面,从整体上控制了砌体房屋在地震中的表现HJ.结构平立面布置不规则且无可靠的抗震构造措施容易导致局部震害加重,甚至倒塌,如图13所示;圈梁构造柱能约束破碎墙体,使其具有一定的延性,一般按规范设置圈梁、构造柱的砌体结构在大震下往往能够裂而不倒,能在一定程度上实现大震不倒的设防目标,如图14所示意;对已建老旧房屋进行抗震加固是提高砌体结构抗震性能的有效途径,如汉旺镇东汽厂区某砌体结构经过抗震加固在地震中破坏轻微,如图15所示.教学楼等大空间大跨度砌体结构,其空间刚度较低,预制板楼盖常常无法保证结构整体性,易引起连续倒塌,未进行正确的抗震设计(包括抗倒塌设计)和不良施工会导致此类建筑在强地震中倒塌.2.3各部位破坏特征(1)地基破坏:地震时由于砂土液化、喷砂、地裂等原因,易产生地基局部不均匀下沉,可能造成上部万方数据 第5期李英民等:“5・12”汶川地震砌体结构房屋震害调奄与分析609图13北)Jl某L形突出部分破坏图14Damageofoverhangofstructurea北川县某房屋倾而未倒图15Slopeofata汉旺镇某震前加固砌体完好NoFig.13LFig.14masonrystructureFig.15damagetoamasonrystructurelayoutmasonryBeiehuancitywithseismicreinforcementmeasure结构倒塌、错动或墙体严重开裂等震害,如图16所示.此次地震砂土液化现象少,没有唐山地震严重,因为重灾区地基多为岩石.(2)墙体裂缝:砖墙承重的房屋,抗震能力比较低,在大震下易倒塌或遭到严重破坏.破坏的部位和形式往往与砖墙布置、砌体强度和房屋构造等因素有关系.纵横墙墙面出现斜裂缝(如图17所示)、交叉裂缝(如图18所示)、水平裂缝(如图19所示)、竖向裂缝(如图20所示),严重者出现倾斜、错动和倒塌现象.其中,外纵墙门窗洞口较多,窗间墙极易破坏;砖柱在强震下更易出现破坏.Fig.16(a)地基处于古暗{uJ上(北川)(b)断层地裂远端宿舍楼倒塌(彭州白胜镇)图16地基破坏引起房屋倒塌Collapseofbuildingduetodamageofthegroundwork图17都江堰某教学楼单向斜裂缝Fig.17图18Fig.18交叉斜裂缝(红白镇)Intercrosscatercorner图19水平贯通裂缝(绵竹市)Fig.19atSingle_directionacatercornercracksDamagethetOathroughjointbuildingcracksofschoolbuildingbottomofa堂墨要竺粤警要粤要譬芎皇了j鼍望多垫”在地图20竖向裂缝一(绵二j“”。震中曼乎竺型璺慧芝翌‘妻璺.!z夏季謦:。(5)楼屋面:当采用预制板时整体性较差,Fig.zoVe—rticalcrackFig.21图21角部局部倒塌…。coll。p。。。f。。,二:。fi:b。ildi。g:暮’江≤’)11万方数据 610西安建筑科技大学学报(自然科学版)第41卷板缝偏小而混凝土灌缝不够密实,地震时板缝易于拉裂;瓦屋面坡度较大时屋面瓦掉落,如图23所示.(6)连接与碰撞:结构各部分之间的连接处理不当,地震时会产生震害.如房屋突出部分或后加部分与原结构的连接措施不足,导致地震时连接拉裂或突出构件折断,如图24所示;两房屋间伸缩缝宽度若设置不够则在强震下会发生相互碰撞破坏,如图25所示.图22女儿墙倒塌Fig.22Collapseofwallparapet图23屋顶小瓦掉落Fig.Z3图24附墙烟囱图25伸缩缝处碰撞破坏Fig.25TherooftilesdropoffFig.24外闪折断lncliningoutwardDamageoftoimpactthetwosidesexpansionjointandbreakingofchimneyattachedtowall2.4底部框架砌体结构临街建筑往往需要较大的底层商业空间,故在受灾区县有大量底框结构.底框结构由于竖向刚度和强度常形成突变,震害易有选择地集中在薄弱层.底部框架刚度和强度常不及上部,容易形成薄弱层而倒塌;上部砌体结构刚度或强度较弱或整体性很差时也可能形成倒塌.此外,不同烈度区的底框房屋震害表现也有所不同,北川县城等极震区底部框架倒塌较多,如图9所示,而都江堰市区等中高烈度区底部框架一般震害轻.而上部砌体结构震害重,如图3所示.3启示与建议通过对本次地震中砌体结构的震害调查与分析,有以下几点体会和建}义:(1)砌体结构在极震区破坏严重,倒塌较多,特别是大空间房屋.砖砌体结构由于自身材料及施工特点等因素,当采用预制板楼盖时,整体性不好,抗倒塌能力较差,应对其展开深入研究.(2)高烈度区砌体结构是否适用值得关注.震害表明,规范给出的砌体结构抗震技术措施是有效的,特别是抗震慨念和构造措施,高烈度区也大量存在经过抗震设计和合理设置圈梁构造柱措施的砌体结构破坏轻微或基本完好.砌体结构这种出乎想象的抗震性能给予大家启发,经过合理抗震措施的砌体结构是有可能屹立在高烈度区的,只是要加强研究其抗震措施,在目前中国经济条件下不必像日本、美国那样禁用砌体结构.(3)不同烈度区砌体结构的震害差异较大,低烈度区以墙体裂缝等轻微破坏为主,相比框架结构填充墙的大量严重破坏而言可能经济损失更大,而高烈度区和极震区以严重破坏或倒塌为主.(4)震害表明,适当的抗震加固可以避免老旧房屋在高地震烈度区破坏或倒塌,当前应及时研究给出关于进行重点老旧房屋抗震鉴定加固的规定,提出适宜的城市现有老旧房屋抗震加固方法:老旧房屋始终是抗震薄弱环节,建议甄别重点老旧房屋,分阶段、分层次进行重点老旧房屋的抗震鉴定加固.(5)应开展砖混结构墙体抗震防裂措施研究:在中高烈度区砖混房屋墙体开裂较为普遍,大量的裂缝给居民的心理带来不良影响,修复起来也比较困难,砖混结构的墙体防裂措施有待进一步研究.如发展轻质高强的砌体材料,提高砂浆强度,设置适当的圈梁构造柱,严格保证施工质量等.(6)应加强砖混结构整体性和抗连续倒塌研究:砖混预制板结构整体性较差,汶川地震震害表明砖混结构倒塌像多米诺骨牌效应一样倒塌,抗连续倒塌能力差,在经济允许的情况下应逐步限制预制板的使用范围,如学校建筑等;不能取消时应加强构件间的抗震连接措施及其他抗连续倒塌措施.参考文献References[1]刘恢先.唐山大地震震害[M].北京:地震出版社,1986.LIUHui—xian.TangshanearthquakedisatersEM].Beijing:EarthquakePress,1986万方数据 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