陳曉敏

摘要：5·12汶川大地震是1949年新中國建國以來最嚴重的災難之一。道路、橋梁、隧涵、城鎮(zhèn)、學校、房屋、通信等基礎設施損毀嚴重。估計直接經(jīng)濟損失可迭1500億元人民幣。震后政府管理部門、科研單位，設計單位和施工單位迅速組織抗震防災專家組進行震后調(diào)查。本文對此洗地震造成災難性后果的原因進行了分析，并建議汲取日本具有豐富抗震經(jīng)驗國家的做法，推動我國抗震建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范的修訂和完善工作。

關(guān)鍵詞：汶川地震抗震設計建筑結(jié)構(gòu)

2008年8月28至29日，“汶川地震建筑震害分析與重建研討會”在北京舉行，會議總結(jié)汶川地震中的建筑結(jié)構(gòu)震害，為地震災區(qū)重建的建筑結(jié)構(gòu)抗震設計、抗震鑒定和抗震加固提供參考，并對我國建筑抗震技術(shù)標準的修訂提出建議。

汶川大地震造成了重大的人員傷亡及財物損失，房屋損毀嚴重，汶川縣八個鎮(zhèn)被夷為平地，大多數(shù)人也是因為房屋倒塌而遇難。這次重大災難，再次引起人們對房屋結(jié)構(gòu)安全、抗震性能等問題的廣泛關(guān)注。

一、房屋倒塌因設防度太低

汶川地震中倒塌的房屋數(shù)量之多，超過了想象。2009年5月7日，在四川省舉行的“5·12”抗震救災周年新聞發(fā)布會第一場會議上，四川省建設廳廳長楊洪波談到，地震后，四川省組織了相關(guān)專家和工程技術(shù)人員前后共計2500余人次，持續(xù)時間達兩個多月，深入災區(qū)開展地震震害調(diào)查、房屋安全應急評估、專項房屋結(jié)構(gòu)技術(shù)鑒定和技術(shù)人員培訓等工作，掌握了較豐富的房屋震害第一手調(diào)查評估資料。專家組的結(jié)論是本次地震的實際烈度遠遠高于房屋抗震設防烈度，這是包括學校校舍等在內(nèi)的公共建筑倒塌的主要原因。

震級代表一次地震釋放能量的大小。裂度是反映地震破壞度的參數(shù)，通常6度以下的地震裂度不會造成大的破壞，7度以上則會造成破壞。地震的最高裂度數(shù)據(jù)是12度。一般來說，震級越強，裂度越大。中國曾先后在1989年、2001年、2003年頒布過建筑抗震規(guī)劃條例，各地建筑抗震的設防標準有所不同。

汶川當?shù)氐脑O防裂度是七度，7．8級地震在當?shù)叵喈斢诹讯?度到10度，已經(jīng)遠遠超過當?shù)卦O防的裂度了。按照7度設計的房屋，面對9度以上的毀滅性地震，很多房屋倒塌是無法避免的。當?shù)亟虒W樓、醫(yī)院這類公共建筑的抗震標準也都沒有達到抗震8級，即設防度超過9。四川大地震倒塌房屋眾多的主要原因是因為設防度太低。據(jù)了解，雖然中國大部分城市是按照7度設防烈度進行建筑結(jié)構(gòu)設計，但對于政府機構(gòu)、醫(yī)院、學校、電站、車站等重要公共建筑、生命線工程都要提高1-2度設防。

二、房屋本身結(jié)構(gòu)類型和建筑形式的原因

不同的房屋結(jié)構(gòu)類型和建筑形式，在這次地震中體現(xiàn)出震害明顯不同。磚混結(jié)構(gòu)的建筑震害最為嚴重，抗震性能弱，還有九十年代中期以前預制空心樓板中大量使用冷拔低碳鋼絲構(gòu)件的房屋，以及在農(nóng)村建房中大量使用“干打壘”等土筑墻形式，用泥、砂或糯米漿為主要粘結(jié)材料的房屋，其整體性和抗震性均差，在這次地震中震害嚴重，倒塌較多。另外，學校也存在抗震方面的幾個先天缺陷：一是房間大。躲到衛(wèi)生間等場所是地震發(fā)生時的一條逃生原則，原因就在于空間狹小、有墻面支撐，墻的面積大抗震能力就強。但學校教室、活動室等場所空間都比較大，相對而言墻的面積就小。二是窗戶大。教學需要良好的光線，采光使用大面積的窗戶設計，相應地使得墻的面積大大縮減。三是走廊設計。一般學校都采用單面、外廊的走廊設計，多由柱子支撐，如果教室兩邊都是走廊，在縱向上一間教室就只有前后的兩面墻抗震，兩邊柱子的作用則很弱。

三、對非承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件隔墻抗震性能的忽視

從地震造成的幾種破壞形式來分析。一是建筑平面質(zhì)量中心和剛度中心不重合，沒在同一豎線上，建筑在地震作用下，整體扭轉(zhuǎn)破壞，甚至倒塌?？拐鹨蠼ㄖ魤ζ矫娌贾镁鶆?qū)ΨQ(成為規(guī)則建筑)，質(zhì)量中心和剛度重合，且處于同一豎線上。但建筑功能和需求和抗震要求經(jīng)常會發(fā)生矛盾，建筑隔墻平面布置不均勻、不對稱(形成不規(guī)則建筑)。二是震害發(fā)生原因是建筑剛性隔墻上下布置不連續(xù)，出現(xiàn)薄弱層導致剛度突變。在地震作用下建筑薄弱層柱子承受了較大的豎向荷載，出現(xiàn)塑性變形后產(chǎn)生較大位移，從而加速柱子的破壞，造成整棟房屋倒塌?？拐鹨蠼ㄖ傂愿魤舷戮鶆颍苊獬霈F(xiàn)薄弱層。三是局部的墻體與柱子的剛性連接，對柱子形成約束，地震時，支撐樓層的柱子發(fā)生脆性短柱破壞，會造成樓層突然倒塌，短柱破壞部分通常在門窗洞口處。四是砌塊類隔墻剛度大，變形能力差，無法與主體結(jié)構(gòu)層間變形協(xié)調(diào)?？拐鹨髩w與主體結(jié)構(gòu)應有可靠地拉結(jié)，應能適應主體結(jié)構(gòu)不同方向的層間位移。此外，磚墻、砌塊填充墻還會對結(jié)構(gòu)本身造成損害。因為磚墻、砌體填充墻的剛度大，在地震時會對梁柱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擠壓作用，承重結(jié)構(gòu)的混凝土破裂，就可能導致房屋倒塌。解決這些問題，可以采用結(jié)構(gòu)自重輕、柔性好的，可迅速吸收和消散地震產(chǎn)生的能量的輕質(zhì)材料作為隔墻。

四、可借鑒地震防災減災具有豐富經(jīng)驗國家的做法

日本是地震多發(fā)國家，人口密度高，防災已經(jīng)成了日本人日常生活的一部分，他們對于地震防災減災具有豐富的經(jīng)驗。從阪神地震后，日本從地震中汲取教訓，在建筑抗震規(guī)范和建筑抗震設計上都取得了新的進展。

日本強制執(zhí)行的建筑結(jié)構(gòu)設計標準包括下面幾類：建筑法、建筑令、建筑規(guī)準、官方備忘錄。此外，還有大批與建筑結(jié)構(gòu)設計和施工相關(guān)的標準和指南?！督ㄖ鶞史ā?BSL)是建筑結(jié)構(gòu)設計和施工相關(guān)的最基本的法律。

1950年，日本推出二戰(zhàn)后的第一部《建筑基準法》。其間被數(shù)次修訂，1981年進行了較大的修改，規(guī)定了兩階段抗震設計方法。第一階段設計，建筑結(jié)構(gòu)在小震與中震作用下應保持彈性；第二階段設計，在大震作用下建筑結(jié)構(gòu)的某些構(gòu)件可以屈服進入彈塑性。第一階段設計符合“沒有或只有非常有限的破壞”以確保繼續(xù)使用，第二階段設計符合“防倒塌”以確保生命安全。2000年，日本修訂了《建筑基本法》，使其更基于性能，它給出了破壞極限與生命安全兩種極限狀態(tài)。前者的目標是在中震(50年重現(xiàn)期)作用下結(jié)構(gòu)只發(fā)生有限的破壞，從而使結(jié)構(gòu)整體在地震作用下不會喪失其最初設計的性能：后者的目標是防止結(jié)構(gòu)在預期的大震(500年重現(xiàn)期)作用下發(fā)生局部或完全倒塌以保護生命。

兩種極限狀態(tài)與1981的BSL中的兩階段設計一致，但仍有兩個明顯不同的特征：第一，工程基巖上給出的加速度反應譜明確考慮了場地土的特性與土——結(jié)構(gòu)的相互作用。第二，明確地考慮了承載力與變形。依照這兩個特征，2000的BSL有利于推動靈活的結(jié)構(gòu)設計，鼓勵新型建筑材料、結(jié)構(gòu)部件與建筑技術(shù)的發(fā)展。

其一，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑的影響。在阪神地震中，許多鋼筋混凝土建筑在首層或是中間層發(fā)生了薄弱層破壞。承載力沿高度分布不合理，節(jié)點設計較差，都被認為是造成破壞的原因。1981的BSL明確地考慮了側(cè)向剛度沿高度的分布，對于剛度較小的層，要求在原來剛度的基礎上多加50％。有薄弱層的新建筑物的破壞暴露了規(guī)范的不足。為回應這種嚴重破壞，相關(guān)的規(guī)范條款于震后一年內(nèi)就作出了修訂，而且此類建筑物底層柱的承載力增加了一倍。

其二，對鋼結(jié)構(gòu)建筑的影Ⅱ自。在日本，鋼是一種應用十分廣泛的建筑材料。由于新舊鋼結(jié)構(gòu)使用的抗震規(guī)范與建筑技術(shù)不同，在阪神地震中兩者破壞的嚴重性形成鮮明的對比。許多倒塌的建筑都是2-5層的老式鋼結(jié)構(gòu)建筑物，而新式鋼結(jié)構(gòu)建筑物卻沒有發(fā)生倒塌。這些破壞包括梁柱抗彎連接點焊接處的脆性斷裂、斜撐的嚴重屈曲與破壞以及螺栓的破壞。日本則重視材料韌性與連接節(jié)點來減小連接處的應力集中，如采用無焊檢查孔連接。

其三，對鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)建筑的影響。從20世紀50年代中期開始，鋼骨混凝土SRC結(jié)構(gòu)在日本的大型建筑物中得到廣泛的使用。阪神地震中，相當多的建于上世紀60年代與70年代的建筑物的中間層倒塌破壞。在很多情況下，倒塌層由sRC柱變成RC柱。柱的承載力突變是中間層倒塌的主要原因。SRC的強度由鋼筋混凝土部分與鋼結(jié)構(gòu)部分分別計算相加而成，疊加強度原理已在SRC建筑物的設計中使用了數(shù)十年。

其四，采用隔震技術(shù)。日本于20世紀80年代開始采用此技術(shù)。在日本廣泛采用的隔震裝置有天然橡膠隔震墊，高阻尼橡膠隔震墊，石墨橡膠隔震墊以及滑動隔震墊。各種不同類型的隔震裝置經(jīng)常聯(lián)合使用以取得滿意的效果。阻尼器也附加隔震系統(tǒng)中以減小上部分結(jié)構(gòu)的相對位移。隔震結(jié)構(gòu)的設計應采用非線性時程分析法。根據(jù)當?shù)厍闆r采用相應的位移輸入。

其五。引入抗震結(jié)構(gòu)被動控制的概念。在當時日本第一座高層建筑東京霞關(guān)大廈采用開縫鋼筋混凝土墻作為吸能裝置。隨著更加有效的阻尼器，如金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、黏彈性阻尼器及粘滯阻尼器的使用，結(jié)構(gòu)控制得到了進一步發(fā)展。20世紀8d年代中期到90年代初，研究與開發(fā)達到了繁榮期，其時日本的經(jīng)濟也在高速增長，采用阻尼器的設計與建造也始于那個時期。大多數(shù)都用在了高層建筑中。這些裝置的最主要的優(yōu)點就是大變形后具有穩(wěn)定的滯回性能，對強度與剛性有靈活的適應性。并且有合理的價位，所需維護較小且不受溫度影響。