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地震房屋建筑震害分析與對策研究報告

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:46:58 [收藏]

    2008年5月12日14時28分，四川省汶川縣境內發生了里氏8.0級特大地震，地震造成重大人員傷亡和經濟損失。地震發生后，在國家建設部等有關部委支持下，在四川省委、省政府的統一部署下，四川省建設系統和地震系統等迅速組織相關專家和工程技術人員前后共計2500余人次，持續時間達2個多月，深入災區開展地震震害調查、房屋安全應急評估、專項房屋結構技術鑒定和技術人員培訓等工作，掌握了較豐富的房屋震害第一手調查評估資料。

    　　根據國務院《汶川地震災后恢復重建條例》第22條的規定：縣級以上人民政府應當依據各自職責分工組織有關部門和專家開展地震活動對相關建設工程破壞機理的調查評估，為改進建設工程抗震設計規范和工程建設標準，采取抗震設防措施提供科學依據。按照省委、省政府的指示要求，省建設廳、省地震局組織成立了專家組，在已掌握的第一手調查評估資料的基礎上，針對本次地震對房屋建筑的震害情況進行了較深入的分析研究，得出了如下初步結論和建議。

    　　一、震害分析

    　　(一)對導致房屋破壞的本次特大地震特點研究表明：

    　　1、此次地震能量巨大、烈度超強。

    　　本次8.0級特大地震發生在青藏高原東邊緣的龍門山斷裂帶上，是該斷裂帶千年不遇的特大地震。8級地震釋放的能量為7級地震的32倍。據有關資料介紹，在汶川臥龍獲取的峰值加速度記錄達0.9g(地震烈度10度強)，在江油獲取的峰值加速度記錄達0.7g(地震烈度接近10度)。此次地震所產生的峰值加速度大于0.4g(地震烈度9度)的區域尺度達到350公里，震中烈度高達到11度。如此巨大的地震造成地面大量工程建筑倒塌，引發了數以萬計的山體崩塌、滑坡、泥石流等次生災害，形成了眾多堰塞湖，造成巨大的人員傷亡和經濟損失。

    　　2、此次地震震源深度淺、破裂長度大、震害范圍廣。

    　　本次地震震源發生在地表以下19千米處，所產生的地面運動十分劇烈，地震破裂面從震中汶川開始向北偏東49度方向傳播，破裂長度達240千米，破裂過程可明顯分成相互連貫的若干個破裂事件，每個破裂事件相當于一次7.2～7.6級的地震，造成的地震震害面積達44萬平方公里，涉及四川、甘肅和陜西3省237個縣、市。我國絕大部分省、市均有不同程度震感，甚至泰國、越南、菲律賓和日本也有震感。

    　　3、發震方式特殊、震動持續時間長

    　　本次地震為逆沖、右旋、擠壓型斷層地震，發震構造為龍門山中央斷裂帶，在擠壓應力作用下，由南向北東逆沖運動;在斷裂帶區域造成地面最大垂直位移達9米，縱向破壞力巨大，而且地震烈度沿斷裂帶短軸方向變化很快，在20千米距離內烈度值從7度陡然上升至11度，對處于高烈度區的建筑物瞬間造成嚴重破壞或倒塌;地震強烈波動時間長達100秒(地震史上少見)，持續的強烈振動對各種房屋結構造成持續疊加型破壞。如此特殊的地震對地面建筑物的破壞特別巨大，造成的破壞程度歷史上罕見。

    　　(二)對不同地質構造及場地條件下的房屋震害研究表明：

    　　1、地質構造差異對房屋震害影響明顯。由于地震波在不同地質構造中傳播速度和方式的差異，使得處于不同地質構造區域內的房屋建筑的震害情況明顯不同。處于斷裂構造或褶皺構造區域內的房屋建筑比處于單斜或水平巖層構造區域內的破壞嚴重。其中，以斷裂構造區域內的房屋建筑震害最重，水平巖層構造區域內的震害較輕。沿龍門山中央斷裂帶兩側20千米范圍內為斷裂或褶皺構造發育區，房屋震害異常嚴重。

    　　2、場地條件差異對房屋震害影響明顯。在比較密實穩定的土層或基巖場地，地震破壞小;在比較松散沒有膠結的洪積層、河流沖積層或土層中富含水分的場地，地震破壞大，且震害隨土層厚度增加而加強。房屋建筑總是依具體的場地條件來考慮布局和朝向，當房屋的抗震薄弱朝向(一般為橫向)與地震波的振動方向一致時，就會加劇房屋的震害;當場地的卓越周期與房屋的自振頻率、地震的振動傳播頻率相近時會引起一定的共振效應，也會加劇房屋的震害。由于不同的場地條件及相鄰建筑下不同的場地土的差異，加上地震波傳播中峰值的影響，即：地震縱波與橫波傳播中波峰的疊加增強，造成了地震波的局部放大，因此，在低烈度區也有造成房屋嚴重破壞或倒塌的現象;在同一區域內，相鄰的同類房屋建筑也產生了截然不同的破壞結果：有的倒塌、有的破壞輕微。

    　　3、次生災害對房屋震害影響明顯。這次特大地震引發了大量山體滑坡、泥石流、堰塞湖、地基液化、崩塌、震陷等地質災害，加劇了山區部分房屋的倒塌及破壞。修建在滑坡地帶或斷裂帶附近的房屋在此次地震中破壞嚴重。在本次遭遇地震低烈度區域，發生了因房屋建設在滑坡地帶，而對房屋造成了嚴重破壞或垮塌的現象。

    　　(三)對不同類型房屋和結構的震害研究表明：

    　　1、磚混結構中，以大開間、大開窗、外走廊等建筑形式的震害最為嚴重。

    　　不少地方在九十年代以前的磚混結構中較多地使用了大開間、大開窗、外走廊等建筑形式，當時的抗震規范沒有從圈梁和構造柱的設置上提出更多的要求，加上大量使用與墻體連接錨固不充分的預制空心樓板使磚混結構的整體性也受到了影響，這些結構形式的建筑在重災區普遍發生了嚴重的破壞或整體倒塌，如磚混結構形式的圖書館、衛生院、醫院、中小學教學樓、培訓機構用房等。

    　　2、框架-砌體混合結構形式，在重災區普遍受到重創。

    　　無論是底部框架上部磚混的豎向混合結構還是部分框架部分磚混的水平混合結構，由于剛度突變、傳力途徑復雜和變形能力不協調等因素，大量此類建筑破壞嚴重，如使用混合結構的商場、辦公、醫療、學校等公共建筑。

    　　3、框架結構中，出現了框架柱先于框架梁破壞的現象。

    　　震害調查顯示，此次災區一些框架結構的破壞體現為框架柱先于框架梁破壞。規范中考慮框架的抗震作用主要是抵抗水平振動、水平荷載的作用，但此次地震的豎向作用十分強大，震中區域的框架柱出現了(水平、豎向疊加作用的)粉碎性壓縮破壞，導致房屋嚴重破壞甚至垮塌。

    　　4、用于廠房(或倉儲)的排架結構災害嚴重。

    　　震害調查中發現，災區的不少廠房及倉儲用房的排架結構由于跨度大、屋架重、柱間連接弱，加上一些年久失修等原因在此次地震中破壞嚴重，跨塌較多，其中單跨比雙跨震害重，重屋架比輕屋架震害重。

    　　5、農村自建房在重災區震害十分嚴重、倒塌普遍。

    　　九十年代前，在農村自建房中大量使用簡易的磚石、磚木、土木等結構形式，由于沒有必要的構造措施，砌筑墻體的粘結材料強度差，一般情況也沒有進行專門的抗震設計，在此次地震重災區震害十分嚴重，倒塌普遍。

    　　6、木結構房屋和輕鋼結構房屋在此次地震中震害較輕。

    　　重災區的木結構房屋在這次地震中震害較輕。木結構采用榫卯連接，榫頭在榫卯節點處可輕微轉動，具有“柔性”連接的特點;柱根直接放在柱基石上，水平震動時柱根可在柱基石上輕微滑動;厚重的屋蓋通過穿斗或斗拱的連接方式與內柱、檐柱體系連成一體，保證了木結構房屋的整體性。木結構的這些特點使得重災區的木結構房屋除有不少屋面瓦脫落外，多數木結構房屋震害較輕。

    　　在災區還有少量的輕鋼結構形式的輕工業廠房，由于其質量輕、連接可靠、結構整體延性好，加上與之配套的屋蓋和墻板均采用輕質材料，使其具有較好的抗震性能。這次地震中震害主要表現為柱間支撐連接被拉斷、鋼構件防火涂料剝落等，震害較輕。

    　　(四)對不同年代抗震設防標準下的房屋震害研究表明：

    　　1、隨著社會年代的發展進步，我國抗震設防標準也在不斷發展完善

    　　我國共頒布了四個版本建筑抗震設計規范，即：

    　　1974年版規范，《工業與民用建筑抗震設計規范》(TJ11-74)(試行)》，實施年代為1974～1979年，它是我國第一本初級的、反映當時技術和經濟水平的低設防水平的規范，僅有一些簡單的基本規定。

    　　1978年版規范，《工業與民用建筑抗震設計規范》(TJ11-78),實施年代為

    　　1979年8月1日至1992年6月30日，第一次提出了適用于設防烈度7～9度工業與民用建筑的抗震設計要求，但6度區仍為非設防區，也未提出“大震不倒”的設防標準。

    　　1989年版規范，《建筑抗震設計規范》(GBJ11-89)，實施年代為1990年1月1日至2002年12月31日，增加了對6度區的抗震設防要求，提出了強度驗算和變形驗算的兩階段設計要求，增加了砌塊房屋、鋼結構單層廠房和土、木、石房屋抗震設計內容。此次“5?12”地震的極重災區，當時的最高設防烈度為7度。

    　　現行的2001規范，《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)(2008年汶川地震后作了局部修訂)，從2002年1月1日實施，89和2001規范引入了彈塑性分析法和時程分析法抗震計算，提出了“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設防原則。

    　　抗震設計規范是為實現工程抗震設防目標而制定的工程技術標準。任何一個國家的抗震設計規范都與其當時的工程、材料技術水平和經濟發展水平密切相關。抗震規范版本的升級換代反映了一個國家技術、經濟的發展和進步。

    　　2、本次特大地震的實際烈度遠高于房屋抗震設防烈度。

    　　根據《中國地震動參數區劃圖》，此次地震的極重災區和重災區房屋建筑的最大設防烈度為7度(松潘、石棉、九寨溝縣除外),而汶川地震實際影響烈度達到了8～11度,地震實際影響烈度普遍超過極重災區建筑設防烈度的1.5～4度，根據抗震規范對大震(罕遇地震)進行超越概率計算的結果，當實際影響烈度超過設防烈度的1.5度時，房屋結構主要受力構件的強度和變形無法承受，倒塌在所難免。據初步統計，倒塌的房屋中按當年74和78規范設計的比例達到了80%以上，所以，重災區房屋建筑的抗震設防很難抵御此次特大地震的破壞，重災區房屋的倒塌是不可抗拒的。

    　　3、不同年代按不同抗震設防標準修建的房屋，震害明顯不同。

    　　震害顯示，1990年以后修建的房屋震害情況有顯著減輕的趨勢。在89規范以前，框架結構抗震設計主要基于安全系數法，從89規范開始，采用了基于以概率理論為基礎的極限狀態設計方法，提出了強度驗算和變形驗算這一更高的要求;在磚混結構方面，人們對圈梁和構造柱重要性認識也是逐步提高的，78及以前的規范，對6度區磚房沒有圈梁和構造柱的設置要求，對7～9度設防的磚房在3～6層內也沒有要求設置構造柱，89和2001規范在圈梁和構造柱的設置上提出更高的要求，符合這些要求的房屋建筑，震害明顯減輕;而1990年以前修建的房屋，74規范和78規范中沒有提出這些要求，房屋的震害明顯加重。

    　　(五)對使用不同建材及制品的房屋震害影響研究表明：

    　　1、九十年代中期以前大量使用冷拔低碳鋼絲構件的房屋抗震性能差

    　　震害調查可見，災區倒塌或嚴重破壞的房屋建筑中有不少樓板是預應力空心板，絕大部分破壞的預應力空心板中使用的鋼材均為冷拔低碳鋼絲，由于冷拔低碳鋼絲直徑小(4毫米)且表面光滑，鋼絲與混凝土的粘結錨固性能(握裹力)差，在較大外力下鋼絲與混凝土容易脫開，降低了空心板的延性，最終導致空心板脆性破壞。國家已出臺《冷軋帶肋鋼筋混凝土結構技術規程》(JGJ95─95)行業標準，于1995年7月1日起開始實行,

    　　用冷軋帶肋鋼筋取代冷拔低碳鋼絲(也可取代直徑12毫米以內的I級光圓鋼筋)。由于冷軋帶肋鋼筋表面具有三面或兩面月牙形橫肋，其與混凝土的粘結錨固性能是冷拔低碳鋼絲的3～6倍。

    　　2、水泥、混凝土標準改變后，房屋震害減輕

    　　九十年代以來，國家對水泥和混凝土的標準進行了重大調整：一是淘汰了舊標準中廣泛使用的275號和325號兩個低標號水泥，新標準規定的水泥強度最低等級為32.5(2008年又被淘汰)，相當于舊標準的425號水泥，大大提高了水泥強度等級;二是水泥膠砂強度檢驗方法作了很大改變，消除了舊方法中水泥標號平均偏高約7.6MPa(兆帕)的虛假部分;三是混凝土標號改為混凝土強度等級與國際接軌，強度有所提高，如：新標準C20等級混凝土比原200號混凝土強度提高了11%。材料標準上的不斷改進，有助于水泥砂漿和混凝土強度的提高，有助于結構抗震性能的提高，這次災區倒塌的房屋中，2000年以后修建的極少。

    　　3、不同的墻體材料，房屋震害差異較大

    　　由鋼筋混凝土構筑的剪力墻結構房屋(主要在都江堰市，汶川縣城也有少量)，普遍震害較輕，起到了很好的抗震作用。

    　　由各種燒結磚、混凝土砌塊、輕質墻體材料等組成的框架填充墻，因墻體材料與框架梁、柱連接的構造措施不完善等因素，震害都比較嚴重，但也有大致的規律：空心砌塊墻震害大于實心砌體墻;無筋墻體震害大于有筋墻;加氣混凝土輕質墻震害大于普通燒結磚墻體。

    　　大量由普通燒結磚(粘土磚、頁巖磚)建成的磚混結構的墻體，其震害情況比較復雜，決定震害程度的因素較多：房屋本身的圈梁、構造柱設置情況;縱墻承重還是橫墻承重情況;磚塊之間粘結劑(砂漿)的強度情況;房屋朝向與地震波的傳播方向情況等，進一步的規律性有待深入研究。

    　　大量使用傳統的農村建房墻體材料的房屋，震害十分嚴重。由于種種原因，農村自建房墻體大量使用不規則石塊堆砌和土筑墻等的“干打壘”形式，粘結材料以泥、砂或糯米漿為主，構造措施為“竹筋”，沒有抗震設計，粘結材料強度低，房屋整體性和抗震能力差，這類房屋在重災區震害嚴重，倒塌普遍。

    　　二、對策建議

    　　(一)牢固確立防震減災工作“以預防為主”的指導方針

    　　由于地震地質的復雜性、人類認識的局限性等因素，要進一步加強地震危險性和地震預測預報科學研究，以及房屋結構震害機理的分析研究，不斷完善和推動地震工程的發展和進步。要堅持把震災預防放在預測預報、應急救援、過渡性安置、恢復重建等各項工作的首位，確立“防范勝于救災”的指導思想，從提高城鎮綜合抗震防災能力這一根本點入手，在“軟措施”和“硬措施”上下功夫。“軟措施”即規劃及應急措施：如：城鎮發展用地、規模、密度、防災區域劃分、場地選擇、應急疏散通道、應急避難場地、應急反應和救援預案等內容;“硬措施”即單體工程抗震：確保工程設施的抗震能力，使原有工程得到抗震加固、新建工程抗震設防達到設防標準等。

    　　(二)統籌兼顧，嚴格規劃選址，避免場地對房屋的不利影響

    　　在城鎮恢復重建規劃選址中，要貫徹落實科學發展觀，堅持以人為本、尊重自然、統籌兼顧、科學重建，體現科學性、前瞻性和指導性。要考慮進行必要的工程地質、水文條件及自然災害影響評估，要避開地震斷裂帶、滑坡、泥石流、山洪、河洪等自然災害危險地段，預防和減輕地震可能引發的次生災害。

    　　工程項目選址要考慮從地形地貌上盡可能避開非巖質的陡坡、高聳的山丘、河岸和邊坡的邊緣等不利地段;從場地條件上要盡量避開飽和砂層、軟弱土層、液化土、軟弱不均土層等;如無法避開，則應采取工程措施處理。工程項目的選址還要同時符合當地的總體規劃和防災專項規劃的要求，不擠占應急疏散、避難場所用地。

    　　農房恢復重建選址，要繼續嚴格執行四川省政府印發的《四川汶川地震災后農村房屋恢復重建選址技術導則》(川辦發[2008]36號)和有關技術法規的要求。

    　　(三)嚴格執行現行抗震技術規范，堅持抗震審查制度

    　　汶川地震后，國家修訂頒布了《中國地震動參數區劃圖》GB18306-2001國家標準第1號修改單、《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)(2008局部修訂版)和《建筑工程抗震設防分類標準》(GB50223-2008)，提高了汶川地震災區地震動參數區劃和部分工程抗震設防標準。在城鎮恢復重建工作中應切實貫徹執行這些技術法規。要真正把抗震設防貫穿于工程選址、規劃、勘察、設計、審查、施工、監理、驗收、使用、管理的全過程。必須加強施工圖審查中的抗震專題審查，實行抗震審查一票否決制度。

    　　四川省政府出臺了《關于加強地震災后恢復重建建筑市場監管工作的通知》(川府發[2008]36號)等文件，文中特別強調，要嚴格執行抗震設防標準，堅持抗震審查制度，要切實貫徹執行。

    　　(四)加強房屋抗震設計，注重房屋結構選型，增強房屋結構的整體穩定性

    　　要加強抗震設計。良好的抗震設計是房屋抗震的基礎和關鍵，要協調好建筑創作與結構抗震的關系,房屋設計體型力求簡單、規則、對稱、質量和剛度變化均勻;要力求結構體系明確，傳力途徑簡捷，剛度和強度分布合理;薄弱部位加強;構件要考慮具有必要的強度和變形能力(或延性)，并具有可靠的連接，支撐系統穩定;非結構構件(圍護墻、隔墻、填充墻)要合理設置。

    　　要注重房屋結構選型。要優先采用抗震性能好的結構形式。要堅持選用已被地震實踐證明且廣泛適用的框架、框剪、剪力墻結構形式，適當鼓勵選用鋼結構、木結構、鋼管混凝土結構等抗震性能好的建筑結構形式。要限制使用石木結構、土石結構等。

    　　學校、醫院、圖書館等人員密集的公共建筑要選用抗震性能優的結構形式，要嚴格執行國務院《汶川地震災后恢復重建條例》及抗震設防新標準。

    　　要加強農房建設抗震設防的技術指導和服務。四川省政府已經出臺了《四川省“5?12”汶川地震災后農房重建工作方案的通知》(川府發電[2008]96號)、《四川省“5?12”汶川地震損壞農房維修加固工作方案的通知》(川府發電[2008]124號)，省建設廳出臺了《四川省農村居住建筑抗震設計技術導則》(2008修訂版)、《四川省農村居住建筑抗震構造圖集》等相關抗震設防標準，四川省建設廳還配套出臺了200余套適合不同地區、各具風貌特色的農房設計方案，這些都要繼續認真貫徹執行。要加大對農房建設抗震設防的技術指導和服務力度，以確保提高廣大農村建筑的抗震防災能力。

    　　房屋設計要設置多道抗震防線，提高房屋整體穩定性。適當增加柱間支撐、剪力墻及加大受力構件的延性等措施，房屋抵抗地震作用的整體穩定性會明顯加強，房屋不會因部分結構或構件破壞而導致整個結構喪失抗震能力而倒塌。

    　　(五)未達到現行抗震設防標準的既有建筑要制定抗震加固計劃

    　　抗震加固是提高現有建筑抗震防災能力的有效措施。四川省政府出臺的第226號省長令《汶川地震災區城鎮受損房屋建筑安全鑒定及修復加固拆除實施意見》、四川省建設廳、財政廳、物價局出臺的《關于貫徹執行省人民政府令第226號〈汶川地震災區城鎮受損房屋建筑安全鑒定及修復加固拆除實施意見〉的通知》(川建發[2008]52號)和四川省地方標準《四川省建筑抗震鑒定與加固技術規程》(DB51/T5059-2008)等是抗震鑒定加固工作的重要法規、政策性文件，應繼續深入貫徹落實。對達不到抗震設防要求的既有建筑，結合城市規劃，制定分類、分期抗震加固計劃，區分輕重緩急逐步加以實施。

    　　(六)積極推動抗震防災新技術、新材料的應用

    　　應繼續嚴格貫徹四川省政府《關于加強汶川地震災后恢復重建建材產品質量監督管理工作的通知》(川府辦發電[2008]136號)和省建設廳《關于進一步加強地震災后重建進入施工現場建材產品質量監管的通知》(川建質安發[2008]438號)精神，加大對建材質量的監管力度，嚴格按照國家和行業標準組織生產。應加大執法力度，防止不合格建材流入市場。鼓勵和引導使用抗震性能較好的新型墻體材料(如混凝土輕質高強墻板、加氣混凝土砌塊、煤矸石空心磚等)，替代部分傳統墻體材料的使用。

    　　應積極推動抗震防災新技術、新工藝、新材料、新產品的開發和應用，提高重建工程科技含量，加快技術進步，提高工程抗震防災能力。重點推廣運用隔震消能體系、輕鋼結構、鋼結構等技術。

    　　三、結語

    　　大地震是破壞力極強的自然現象，給人類帶來了巨大的災難。人類目前雖然還不能阻止和準確預測地震的發生，但可以依靠自身的智慧從鮮血和生命的代價中不斷總結、研究和提高，從而指導災后恢復重建、最大限度減輕未來地震災害造成的損失，以上是我們通過調查研究總結的初步結論和建議。一方面我們欣慰地看到，經歷地震災害磨練而發展起來的《建筑抗震設計規范》等抗震減災理論在減輕地震災害中已經發揮了重要作用;另一方面我們也必須看到，人們對地震造成重大災害的機理還缺乏足夠的研究和科學的知識，有必要從地震特點、場地條件、建筑結構、設防標準和建筑材料等方面開展進一步的深入研究，完善和發展防災減災理論。為此，從事地震科學研究、工程建設行業的廣大科技人員和管理人員肩負著重大歷史責任。
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