建筑结构丨四川泸定6.8级地震震中区域建筑震害考察与思考

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四川泸定6.8级地震震中区域建筑震害考察与思考

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文/赵仕兴,杨姝姮,唐元旭，等

摘要

四川省甘孜州泸定县发生6.8级地震后,对震中磨西镇及附近的房屋建筑震害情况进行多次考察。根据考察结果分析,现行规范关于场地地震作用放大系数的规定较为简单,建议应进行进一步细致研究;较多建筑底层发生严重破坏,甚至倒塌,建议对底部的刚度和承载力进一步提高;合理设计与施工的砌体结构在地震中表现良好;钢筋混凝土结构施工缝易发生滑移破坏,从而加重整体结构的破坏,建议对应整体结构性能目标进行施工缝验算;填充墙、装饰构件、吊顶和机电设备等非结构构件震害较多,建议从设计、施工和验收全过程控制,保证非结构构件的抗震性能。

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引言

四川省是我国地震频发、震害最为严重的地区之一。2008~2021年间,四川省就先后发生了26次5.0级及以上的地震^[1]。仅2022年到10月为止,四川省就已经发生了三次6级以上地震,分别是6月1日芦山县6.1级地震、6月10日马尔康市6.0级地震、9月5日泸定县6.8级地震,其中,“9·5”泸定6.8级地震震级最高,损失也最大,建筑的震害也最丰富。

泸定6.8级地震发生后,笔者和所在单位抗震专家多次赶赴抗震救灾一线,开展大量地震应急评估和震害考察工作。震中磨西地区,因受灾最严重,建筑类型最多样,震害典型、丰富,极具研究价值,笔者三次到场调研,并对相关震害资料进行梳理和思考,以期为今后的建筑抗震设计提供参考。

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地震概况

2022年9月5日12时52分,四川省甘孜藏族自治州泸定县(北纬29.59度,东经102.08度)发生6.8级地震,震源深度16km,地震持续时间长达20s。其中,SC.T2471台站记录到本次地震的加速度峰值于18.29s在东西向达到634.057 45cm/s²,记录到的东西向地震波如图1所示,而南北向则于18.27s达到峰值加速度482.55cm/s²,竖直方向于18.34s达到峰值加速度255.37cm/s²。位于震中的SC.V2204台站(北纬29.637度,东经102.126度)记录的泸定地震加速度峰值为443.85cm/s²,于13.32s在东西向达到,地震波如图2所示,南北向于12.5s达到峰值加速度306.462cm/s²,竖直方向于12.73s达到峰值加速度402.409cm/s²。

▲ 图1 SC.T2471台站记录的泸定地震加速度峰值(东西向)

▲ 图2 SC.V2204台记录的泸定地震地震波(东西向)

泸定6.8级地震后,还伴随着多次余震。2022年10月22日13时17分在四川省泸定县发生5.0级地震,震源深度12km,系泸定6.8级地震的一次强余震。截止10月22日,泸定6.8级地震共记录到3.0级及以上余震18次,其中5.0～5.9级地震1次,4.0～4.9级地震2次,3.0～3.9级地震15次^[2]。

泸定6.8级地震等震线长轴呈北西走向,长轴195km,短轴112km,Ⅵ度(6度)区及以上面积19 089平方千米,最高烈度为Ⅸ度(9度),共涉及四川省3个市州12个县(市、区),82个乡镇(街道)。此次地震共造成66人遇难,其中甘孜州遇难38人,雅安市遇难28人,另有15人失联。

泸定6.8级地震造成的破坏主要表现在：1)地质灾害,如山体滑坡、泥石流等^[3],如图3所示;2)道路、基础设施损坏,如路基路面损坏,河堤损坏等,如图4所示;3)房屋建筑损坏。其中,房屋建筑损坏数量最多,震害表现形式丰富。考察组在震中磨西镇共调查了约301栋建筑,其中禁止使用建筑为79栋,占比约26%,暂停使用建筑为91栋,占比约30%,可以使用建筑为131栋,占比约44%。笔者结合考察过程中收集的震中区域大量震害资料,就房屋建筑抗震防灾的若干问题进行探讨。

▲ 图3 地质灾害(山体滑坡)

▲ 图4 路基路面损坏

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若干问题的思考

2.1 场地地震作用放大系数 

磨西镇坐落在磨西台地上(图5),台地宽约200~500m,厚度约50~200m,延伸约20km,两侧为雅家梗河和摩西河,台地两侧陡峭,坡度约60°~80°,台地纵向坡度较缓,约1°~5°。

▲ 图5 磨西镇卫星云图

作为此次地震的震中区域,磨西镇的震害较为严重。根据现场调查发现,台地边缘区域(临陡坡区域)相比于河谷平坝区或台地内区域,建筑破坏率明显更高。以中科院贡嘎山试验站(记为D1)和实验楼(记为D2)为例,D1距离台地边缘约25m,D2距离台地边缘约75m,两者间距约50m(图6(a)),但震害情况却差异巨大。其中D1为3层的砖混结构,一层发生脆性垮塌,见图6(b)。紧邻D1的1层砖混房屋屋面垮塌,墙体严重开裂,在圈梁的约束下没有出现墙体倒塌,见图6(c)。而D2为2层的框架结构,仅填充墙体出现少量轻微裂缝(图6(e)),梁柱节点未见明显损伤痕迹^[4]。

▲ 图6 台地边缘建筑破坏情况

此外,磨西博物馆的震害情况也呈现出相同的规律。如图7所示,磨西博物馆平面呈“廿”字形,为2层钢筋混凝土框架结构,将其分区标示为B1、B2、B3,其中B1距台地边缘约25m,B3与B1相距约80m。

▲ 图7 磨西博物馆航拍分区示意图

距离台地边缘较近的B1震害非常严重,填充墙倒塌,楼梯严重损坏,多数框架柱柱顶及柱底均发生破坏,甚至直接剪断,柱明显错动,整体建筑明显倾斜,最大倾斜角度达约9°,处于半倒塌状态,如图8所示。但与B1结构几乎完全相同的B3结构破坏却轻微得多,表现为柱顶混凝土保护层脱落、局部混凝土压碎、钢筋压曲,少量填充墙破坏形成X形裂缝,如图9所示。

▲ 图8 磨西博物馆B1区域震害情况

▲ 图9 磨西博物馆B3区域震害情况

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)^[5](简称抗规)第4.1.8条及条文说明,应考虑局部突出地形对地震动参数的放大作用。因台地两侧陡峭,坡降角度的正切值H/L>1.0,且高差H均大于60m,台地地形地震动参数的增大幅度应取0.6。D1和D2离突出台地边缘的距离L₁与相对高差H的比值均满足L₁/H<2.5,因此按照抗规规定,D1和D2的水平地震影响系数最大值均应乘以增大系数1.6。同样地,B1、B2和B3的水平地震影响系数最大值应乘以增大系数1.6。但从震害情况来看,D1、B1比D2、B3严重很多,特别是B1、B3结构几乎完全一样,可以推断所受地震作用差异很大。

抗规虽对建筑物离边坡顶部边缘的距离做了一定程度的区分,地震影响系数增大幅度也有所不同,但从此次磨西台地的建筑震害来看,目前抗规中的规定较为粗略、简单,不能准确体现不同情况下建筑结构地震作用的放大效应。此外,增大系数最大值1.6可能也并不能够涵盖最不利的情况。如果D2、B2、B3设计时取水平地震影响系数增大1.6倍,那么D1、B1则应放大更多才合理。同时,磨西台地的建筑地震作用都已按规范要求取最大值放大1.6倍,那么对于两侧更高、更陡峭的山地,距离山地边缘更近的结构,地震作用放大系数也应该取更大值才能保证对地震作用的充分考虑。因此关于地震作用放大系数建议进一步深入研究。

2.2 结构底层刚度

磨西镇的震害调查过程中,大量建筑呈现出底层破坏的情况。如中科院贡嘎山试验站(图6(b)),大西映画度假酒店(图10)等,均出现底层坍塌的情况。

▲ 图10 大西映画酒店震害情况

此外,有些建筑底层虽未倒塌,却发生严重破坏,并产生较大倾斜,而这些建筑上部楼层都基本完好。通过对晓拾客栈底层柱位移的实测算得,其底层位移角约1/30(图11)。燕子沟某民房(图12)底层位移角达16/100,5.0级余震后,笔者于10月28日测得底层位移角进一步增大,达18/100(如图13所示,线坠长1m,线坠端部距柱边0.18m)。

▲ 图11 晓拾客栈底层柱发生明显位移

▲ 图12 某民房底层发生明显偏移

▲ 图13 民房底层柱位移角实测

通过调查发现,震中附近有大量类似建筑,层数3~6层(以3层的最多),底层为商业,开间一般为3.6m,进深一般为4~8m,上部为自住或者酒店客房。底层开敞处一般设置框架柱,有分隔处则是不设框架柱而采用砖墙承重,和框架梁相交处设置构造柱,基本上未见钢筋混凝土抗震墙,为框架和砖墙混合承重的结构体系。2层以上均为砌体结构,在房间分隔处均设置承重砖墙,最外侧的砖墙置于挑梁和边梁上。因此,这样结构称之为伪底部框架-砌体结构,如晓拾客栈,其平面图见图14。

▲ 图14 晓拾客栈结构平面布置图

该类建筑底层刚度明显低于上部,且底层平面刚度分布往往也极不均匀,底层为明显的薄弱层^[6-7]。震中区域大量类似的建筑破坏非常严重,甚至倒塌。即使未倒塌,结构底层也都几乎产生向开敞一侧的明显倾斜,框架柱端出现明显的塑性铰^[8]。

通过对部分底层框架柱的检测发现,框架柱截面一般为400×400~500×500,混凝土强度等级一般为C30,框架柱纵筋数量一般为每侧3~4根,直径为20~25mm,配筋率为1.6%~3.7%,底层柱的含钢量并不低。四川近年来多次发生大地震,老百姓的安全意识有了很大的提高,在自建房的安全上愿意投入精力和财力。此次调研时了解到,当地居民舍得花钱买钢筋。但试想若这些房屋的底层柱钢筋进一步加大,也未必不会产生这样明显的破坏。将晓拾客栈底层柱配筋率加大1%后进行弹塑性分析,发现底层仍然会产生严重破坏。

由此可知,刚度分布的合理性可能比强度更为重要,解决先天不足比后天弥补更重要。当下部刚度明显小于上部时,地震剪力乘以1.15的放大系数可能根本解决不了问题。另外,若把建筑和大地看成一个整体,那么建筑底部则存在刚度突变和应力集中,薄弱层几乎天然存在。因此建议建筑底层无论是刚度和承载能力都要再提高。

2.3 钢筋混凝土框架结构和砌体结构抗震能力 

一般来说公众认为钢筋混凝土框架结构抗震能力好,砌体结构抗震能力差。但通过近年来多次地震中砌体结构和钢筋混凝土框架结构震害情况对比,结果却不尽然。图15为泸定6.8级地震震中磨西镇的海螺沟中学,教学楼为钢筋混凝土框架结构,教师公寓与学生宿舍为砌体结构。从现场实拍图可以看出,经历地震后,中学教学楼结构震害严重：底层柱端出现塑性铰,填充墙严重破坏,教室门严重变形,无法打开;教师公寓与学生宿舍则基本完好无损：墙体无裂纹或损坏,连门、窗框都形状完整,可以随意开关,玻璃未损坏。同在磨西镇的海螺沟管理局住宅,为6~7层的钢筋混凝土框架结构,开间3~4m,进深4~6m,开间、进深均与学校宿舍接近。地震后,该建筑底部出现严重破坏,如图16所示。汶川地震时的漩口中学与北川中学,教学楼同样采用钢筋混凝土框架结构,地震后完全倒塌,如图17、18所示;而漩口中学宿舍楼为5层砌体结构,地震后仅底层垮塌(实际地震烈度达11度),北川中学宿舍楼也为5层砌体结构,未见严重破坏(图17、18中未完全倒塌的建筑为宿舍楼)。

▲ 图15 泸定6.8级地震后的海螺沟中学

▲ 图16 海螺沟管理局底部出现严重破坏

▲ 图17 汶川地震后的漩口中学

▲ 图18 汶川地震后的北川中学

虽然砌体的强度和延性相较于钢筋混凝土低,但砌体结构的抗震能力却不一定比钢筋混凝土框架结构差,合理设计、合理施工、合理构造,其抗震能力甚至可能更好,在农房、乡村建筑中也更能发挥优势。

2.4 钢筋混凝土结构施工缝 

施工缝指在混凝土浇筑过程中,因设计要求或施工需要分段浇筑,而在先、后浇筑的混凝土之间所形成的接缝。施工缝宜留设于结构受剪力较小且便于施工的部位^[9],《混凝土结构工程施工规范》(GB 50666—2011)对施工缝的留置作了详细的规定,其中对柱而言,可留设于基础的顶面或梁的下面;楼梯梯段施工缝宜设置在梯段板跨度端部1/3范围内。但施工缝留置在梯段中间时,理论上剪力最小,施工质量却不易控制,二次支模时易造成已浇筑部位的短时“悬挑”,反而不利于楼梯的质量控制。因此传统施工时,则往往将施工缝留置在梯段向上或向下3步处。

然而,施工缝是混凝土结构的天然薄弱环节,如留置位置不当、施工控制不佳等导致新旧混凝土结合不牢,或者后浇部分混凝土质量较差,均易引发施工缝破坏,或使结构存在薄弱点,进而导致结构的损坏。如各类梁柱节点破坏,可能由施工缝破坏引起,也可能由包含施工缝破坏在内的各种因素综合引起。施工缝处理不当,均会显著降低结构抗震性能。历次大地震中,在结构破坏中也都可以看到施工缝破坏的影子，如图19~25所示。

▲ 图19 海螺沟中学楼梯施工缝破坏(泸定6.8级地震)

▲ 图20 摩西博物馆楼梯施工缝破坏(泸定6.8级地震)

▲ 图21 摩西博物馆框架节点破坏(泸定6.8级地震)

▲ 图22 某返迁房框架柱顶破坏(泸定6.8级地震)

▲ 图23 西南科技大学教学楼框架节点破坏(汶川地震)

▲ 图24 都江堰玉华宾馆框架节点破坏(汶川地震)

▲ 图25 都江堰烟草公司楼梯施工缝破坏(汶川地震)

抗规第3.9.6条规定,“混凝土墙体、构造柱的水平施工缝,应采取措施加强混凝土的结合性能”,《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)^[10]第7.2.12条规定,应对抗震等级一级的墙体进行水平施工缝的抗滑移验算。在施工缝留置位置恰当、施工控制满足相关规范要求、新旧混凝土结合牢固的情况下,可以认为构件受力和力的传递与未设施工缝的构件几乎一致。基于这样的前提,现行规范仅要求一级剪力墙进行施工缝验算,且仅要求进行多遇地震下的受剪承载力验算。但事实上,施工缝的质量控制良莠不齐,且对于有中震、大震性能要求的结构或构件,若施工缝发生滑移破坏,那么构件关于中震、大震的性能要求势必受到影响。在这种情况下,钢筋和混凝土无法共同工作,钢筋从受拉可能变为受剪、受弯,甚至受压、处于复合受力状态,那么构件损坏将无法避免。

因此,对于重要建筑、重要构件,建议扩大施工缝验算的范围,而不是仅仅局限于一级剪力墙,并在多遇地震作用下的验算基础上,依据结构或构件的性能目标,相应地进行中震、大震的验算。

2.5 非结构构件抗震 

非结构构件包括建筑非结构构件和建筑附属机电设备。抗规规定非结构构件自身及其与结构主体的连接应进行抗震设计,并由相关专业人员分别负责进行。抗规同时也对非结构构件的基本计算要求、基本抗震措施做出了规定。《非结构构件抗震设计规范》(JGJ 339—2015)^[11]按照非结构构件所属建筑抗震设防类别及其地震破坏的后果、对整个建筑结构影响的范围,将其划分为一级到三级共3个功能级别,并对非结构构件的地震作用、抗震验算、抗震构造等提出了明确的方法与要求。

实际工程项目中,设计人员往往关注主体结构的设计而没有对非结构构件抗震设计引起重视,非结构构件特别是建筑附属机电设备的抗震设计究竟由谁完成在行业内也一度存在争议;施工和验收时因为不是主体结构也往往未引起足够的重视,因此非结构构件相较于主体结构,抗震性能往往更不易达到要求。但从以往地震震害情况来看,非结构构件的损坏,也极易造成人员伤亡和财产损失。

此次地震中,也不乏吊顶、围墙、女儿墙、栏杆等垮塌、填充墙严重破坏、建筑外装饰剥落、机电设备垮塌、管线破坏等非结构构件震害(图26)。因此笔者认为,应充分重视非结构构件抗震问题,设计、施工、验收,缺一不可。

▲ 图26 泸定6.8级地震中的非结构构件震害

3

结论

地震中建筑的破坏常常带来人员伤亡和财产的严重损失。虽然地震无法阻止,但人类却可以提高建筑的抗震能力,防患于未然,从而降低灾害损失。建筑在地震中的破坏特征,可为建筑抗震设计提供宝贵的经验与研究基础。因此基于泸定6.8级地震考察结果,提出以下关于建筑抗震设计的思考与建议：

(1) 重视特殊地形的地震作用放大系数取值,建议在规范取值的基础上进一步深化研究。

(2) 结构刚度的合理分布尤其重要,重要性甚至高过对结构强度的要求,建议对结构底层的刚度和承载能力进一步提高。

(3) 砌体结构经过合理设计和施工,具有良好的抗震能力,不一定比钢筋混凝土框架结构差。

(4) 施工缝是钢筋混凝土结构天然的薄弱环节,建议对于重要建筑、重要构件,扩大验算范围,并进行小震、中震、大震下的验算。

(5) 应充分重视非结构构件抗震,设计、施工、验收,缺一不可。

参考文献

[1] 潘毅,易督航,游文龙,范元青,林旭川．泸县6.0 级地震村镇建筑震害调查与分析[J/OL]．土木工程学报.https：//doi.org/10.15951/j.tmgcxb.21121289.

[2] 四川省地震局.四川泸定5.0级地震处置有序开展[EB/OL].http：//www.scdzj.gov.cn/xwzx/fzjzyw/202210/t20221022_53715.html.

[3] 蔡晓光,常晁瑜,李孝波．四川泸定6.8级地震地质灾害调查[J]．防灾科技学院学报,2022,24(4)：11-22.

[4] 罗若帆,金显廷,郭迅,等．泸定6.8级地震结构震害调查与分析[J]．防灾科技学院学报,2022,24(4)：46-55.

[5] 建筑抗震设计规范：GB 50011—2010[S]．北京：中国建筑工业出版社,2010.

[6] 赵仕兴,杨姝姮,陈可．有关建筑结构平面规则性的若干问题讨论[J]．建筑结构,2021,51(3)：47-50.

[7] 赵仕兴,杨姝姮,唐元旭,等．有关建筑结构竖向规则性的若干问题讨论[J]．建筑结构,2022,52(17)：14-18,4.

[8] 罗若帆,郭迅,董孝曜,等．多层建筑结构地震破坏倒塌机理新认识[J]．地震工程与工程振动,2022,42(6)：95-103.

[9] 混凝土结构工程施工规范：GB 50666—2011[S]．北京：中国建筑工业出版社,2012.

[10] 高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010[S]．北京：中国建筑工业出版社,2011.

[11] 非结构构件抗震设计规范：JGJ 339—2015[S]．北京：中国建筑工业出版社,2015.

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作者简介：

赵仕兴，四川省建筑设计研究院有限公司总工程师，复杂结构设计研究中心主任，四川省工程勘察设计大师，兼任住建部科学技术委员会城市安全和防灾减灾委员会委员、四川省住房和城乡建设厅科学技术委员会委员、中国钢结构协会焊接与连接分会副理事长、中国勘察设计协会结构分会常务理事、中国建筑学会建筑结构分会常务理事、中国建筑学会资深会员、四川省土木建筑学会结构工程专委会主任委员和西南交通大学兼职教授、硕士生导师等多项社会职务。主持大型工程结构设计50余项，主持和参加各级科研课题10余项，主编参编国家和省级标准20余部，发表高水平学术论文30余篇，授权专利12件，软著9项，获得全国行业设计奖励8项、省级设计奖励20余项。

杨姝姮，四川省建筑设计研究院有限公司工程师，科学技术部总师助理，兼任四川省土木建筑学会建筑结构专委会、成都市土木建筑学会建筑结构学术委员会秘书等社会职务。完成复杂钢结构、装配式混凝土结构、大跨度胶合木空间结构等工程结构设计近10项，参加各级科研课题9项，参编省级标准4部，发表高水平论文10余篇，申请专利24项（已授权9项），软著4项，获得四川省优秀勘察设计一等奖1项。

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本文已刊登于《建筑结构》2023年第7期“四川省建筑设计研究院有限公司专辑”，题目为《四川泸定 6. 8 级地震震中区域建筑震害考察与思考》，作者：赵仕兴1,2,杨姝姮1,2,唐元旭1,郭 嘉3,朱 飞3,周巧玲1,2,尧 禹4,黄香春3；单位：1 四川省建筑设计研究院有限公司；2 四川省建筑设计研究院有限公司复杂结构设计研究中心；3 四川省川建勘察设计院有限公司；4 西南交通大学土木工程学院，欢迎订阅。

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