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地震房屋建筑震害分析与对策研究报告

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:46:58 [收藏]

    2008年5月12日14时28分，四川省汶川县境内发生了里氏8.0级特大地震，地震造成重大人员伤亡和经济损失。地震发生后，在国家建设部等有关部委支持下，在四川省委、省政府的统一部署下，四川省建设系统和地震系统等迅速组织相关专家和工程技术人员前后共计2500余人次，持续时间达2个多月，深入灾区开展地震震害调查、房屋安全应急评估、专项房屋结构技术鉴定和技术人员培训等工作，掌握了较丰富的房屋震害第一手调查评估资料。

    　　根据国务院《汶川地震灾后恢复重建条例》第22条的规定：县级以上人民政府应当依据各自职责分工组织有关部门和专家开展地震活动对相关建设工程破坏机理的调查评估，为改进建设工程抗震设计规范和工程建设标准，采取抗震设防措施提供科学依据。按照省委、省政府的指示要求，省建设厅、省地震局组织成立了专家组，在已掌握的第一手调查评估资料的基础上，针对本次地震对房屋建筑的震害情况进行了较深入的分析研究，得出了如下初步结论和建议。

    　　一、震害分析

    　　(一)对导致房屋破坏的本次特大地震特点研究表明：

    　　1、此次地震能量巨大、烈度超强。

    　　本次8.0级特大地震发生在青藏高原东边缘的龙门山断裂带上，是该断裂带千年不遇的特大地震。8级地震释放的能量为7级地震的32倍。据有关资料介绍，在汶川卧龙获取的峰值加速度记录达0.9g(地震烈度10度强)，在江油获取的峰值加速度记录达0.7g(地震烈度接近10度)。此次地震所产生的峰值加速度大于0.4g(地震烈度9度)的区域尺度达到350公里，震中烈度高达到11度。如此巨大的地震造成地面大量工程建筑倒塌，引发了数以万计的山体崩塌、滑坡、泥石流等次生灾害，形成了众多堰塞湖，造成巨大的人员伤亡和经济损失。

    　　2、此次地震震源深度浅、破裂长度大、震害范围广。

    　　本次地震震源发生在地表以下19千米处，所产生的地面运动十分剧烈，地震破裂面从震中汶川开始向北偏东49度方向传播，破裂长度达240千米，破裂过程可明显分成相互连贯的若干个破裂事件，每个破裂事件相当于一次7.2～7.6级的地震，造成的地震震害面积达44万平方公里，涉及四川、甘肃和陕西3省237个县、市。我国绝大部分省、市均有不同程度震感，甚至泰国、越南、菲律宾和日本也有震感。

    　　3、发震方式特殊、震动持续时间长

    　　本次地震为逆冲、右旋、挤压型断层地震，发震构造为龙门山中央断裂带，在挤压应力作用下，由南向北东逆冲运动;在断裂带区域造成地面最大垂直位移达9米，纵向破坏力巨大，而且地震烈度沿断裂带短轴方向变化很快，在20千米距离内烈度值从7度陡然上升至11度，对处于高烈度区的建筑物瞬间造成严重破坏或倒塌;地震强烈波动时间长达100秒(地震史上少见)，持续的强烈振动对各种房屋结构造成持续叠加型破坏。如此特殊的地震对地面建筑物的破坏特别巨大，造成的破坏程度历史上罕见。

    　　(二)对不同地质构造及场地条件下的房屋震害研究表明：

    　　1、地质构造差异对房屋震害影响明显。由于地震波在不同地质构造中传播速度和方式的差异，使得处于不同地质构造区域内的房屋建筑的震害情况明显不同。处于断裂构造或褶皱构造区域内的房屋建筑比处于单斜或水平岩层构造区域内的破坏严重。其中，以断裂构造区域内的房屋建筑震害最重，水平岩层构造区域内的震害较轻。沿龙门山中央断裂带两侧20千米范围内为断裂或褶皱构造发育区，房屋震害异常严重。

    　　2、场地条件差异对房屋震害影响明显。在比较密实稳定的土层或基岩场地，地震破坏小;在比较松散没有胶结的洪积层、河流冲积层或土层中富含水分的场地，地震破坏大，且震害随土层厚度增加而加强。房屋建筑总是依具体的场地条件来考虑布局和朝向，当房屋的抗震薄弱朝向(一般为横向)与地震波的振动方向一致时，就会加剧房屋的震害;当场地的卓越周期与房屋的自振频率、地震的振动传播频率相近时会引起一定的共振效应，也会加剧房屋的震害。由于不同的场地条件及相邻建筑下不同的场地土的差异，加上地震波传播中峰值的影响，即：地震纵波与横波传播中波峰的叠加增强，造成了地震波的局部放大，因此，在低烈度区也有造成房屋严重破坏或倒塌的现象;在同一区域内，相邻的同类房屋建筑也产生了截然不同的破坏结果：有的倒塌、有的破坏轻微。

    　　3、次生灾害对房屋震害影响明显。这次特大地震引发了大量山体滑坡、泥石流、堰塞湖、地基液化、崩塌、震陷等地质灾害，加剧了山区部分房屋的倒塌及破坏。修建在滑坡地带或断裂带附近的房屋在此次地震中破坏严重。在本次遭遇地震低烈度区域，发生了因房屋建设在滑坡地带，而对房屋造成了严重破坏或垮塌的现象。

    　　(三)对不同类型房屋和结构的震害研究表明：

    　　1、砖混结构中，以大开间、大开窗、外走廊等建筑形式的震害最为严重。

    　　不少地方在九十年代以前的砖混结构中较多地使用了大开间、大开窗、外走廊等建筑形式，当时的抗震规范没有从圈梁和构造柱的设置上提出更多的要求，加上大量使用与墙体连接锚固不充分的预制空心楼板使砖混结构的整体性也受到了影响，这些结构形式的建筑在重灾区普遍发生了严重的破坏或整体倒塌，如砖混结构形式的图书馆、卫生院、医院、中小学教学楼、培训机构用房等。

    　　2、框架-砌体混合结构形式，在重灾区普遍受到重创。

    　　无论是底部框架上部砖混的竖向混合结构还是部分框架部分砖混的水平混合结构，由于刚度突变、传力途径复杂和变形能力不协调等因素，大量此类建筑破坏严重，如使用混合结构的商场、办公、医疗、学校等公共建筑。

    　　3、框架结构中，出现了框架柱先于框架梁破坏的现象。

    　　震害调查显示，此次灾区一些框架结构的破坏体现为框架柱先于框架梁破坏。规范中考虑框架的抗震作用主要是抵抗水平振动、水平荷载的作用，但此次地震的竖向作用十分强大，震中区域的框架柱出现了(水平、竖向叠加作用的)粉碎性压缩破坏，导致房屋严重破坏甚至垮塌。

    　　4、用于厂房(或仓储)的排架结构灾害严重。

    　　震害调查中发现，灾区的不少厂房及仓储用房的排架结构由于跨度大、屋架重、柱间连接弱，加上一些年久失修等原因在此次地震中破坏严重，跨塌较多，其中单跨比双跨震害重，重屋架比轻屋架震害重。

    　　5、农村自建房在重灾区震害十分严重、倒塌普遍。

    　　九十年代前，在农村自建房中大量使用简易的砖石、砖木、土木等结构形式，由于没有必要的构造措施，砌筑墙体的粘结材料强度差，一般情况也没有进行专门的抗震设计，在此次地震重灾区震害十分严重，倒塌普遍。

    　　6、木结构房屋和轻钢结构房屋在此次地震中震害较轻。

    　　重灾区的木结构房屋在这次地震中震害较轻。木结构采用榫卯连接，榫头在榫卯节点处可轻微转动，具有“柔性”连接的特点;柱根直接放在柱基石上，水平震动时柱根可在柱基石上轻微滑动;厚重的屋盖通过穿斗或斗拱的连接方式与内柱、檐柱体系连成一体，保证了木结构房屋的整体性。木结构的这些特点使得重灾区的木结构房屋除有不少屋面瓦脱落外，多数木结构房屋震害较轻。

    　　在灾区还有少量的轻钢结构形式的轻工业厂房，由于其质量轻、连接可靠、结构整体延性好，加上与之配套的屋盖和墙板均采用轻质材料，使其具有较好的抗震性能。这次地震中震害主要表现为柱间支撑连接被拉断、钢构件防火涂料剥落等，震害较轻。

    　　(四)对不同年代抗震设防标准下的房屋震害研究表明：

    　　1、随着社会年代的发展进步，我国抗震设防标准也在不断发展完善

    　　我国共颁布了四个版本建筑抗震设计规范，即：

    　　1974年版规范，《工业与民用建筑抗震设计规范》(TJ11-74)(试行)》，实施年代为1974～1979年，它是我国第一本初级的、反映当时技术和经济水平的低设防水平的规范，仅有一些简单的基本规定。

    　　1978年版规范，《工业与民用建筑抗震设计规范》(TJ11-78),实施年代为

    　　1979年8月1日至1992年6月30日，第一次提出了适用于设防烈度7～9度工业与民用建筑的抗震设计要求，但6度区仍为非设防区，也未提出“大震不倒”的设防标准。

    　　1989年版规范，《建筑抗震设计规范》(GBJ11-89)，实施年代为1990年1月1日至2002年12月31日，增加了对6度区的抗震设防要求，提出了强度验算和变形验算的两阶段设计要求，增加了砌块房屋、钢结构单层厂房和土、木、石房屋抗震设计内容。此次“5?12”地震的极重灾区，当时的最高设防烈度为7度。

    　　现行的2001规范，《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)(2008年汶川地震后作了局部修订)，从2002年1月1日实施，89和2001规范引入了弹塑性分析法和时程分析法抗震计算，提出了“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防原则。

    　　抗震设计规范是为实现工程抗震设防目标而制定的工程技术标准。任何一个国家的抗震设计规范都与其当时的工程、材料技术水平和经济发展水平密切相关。抗震规范版本的升级换代反映了一个国家技术、经济的发展和进步。

    　　2、本次特大地震的实际烈度远高于房屋抗震设防烈度。

    　　根据《中国地震动参数区划图》，此次地震的极重灾区和重灾区房屋建筑的最大设防烈度为7度(松潘、石棉、九寨沟县除外),而汶川地震实际影响烈度达到了8～11度,地震实际影响烈度普遍超过极重灾区建筑设防烈度的1.5～4度，根据抗震规范对大震(罕遇地震)进行超越概率计算的结果，当实际影响烈度超过设防烈度的1.5度时，房屋结构主要受力构件的强度和变形无法承受，倒塌在所难免。据初步统计，倒塌的房屋中按当年74和78规范设计的比例达到了80%以上，所以，重灾区房屋建筑的抗震设防很难抵御此次特大地震的破坏，重灾区房屋的倒塌是不可抗拒的。

    　　3、不同年代按不同抗震设防标准修建的房屋，震害明显不同。

    　　震害显示，1990年以后修建的房屋震害情况有显著减轻的趋势。在89规范以前，框架结构抗震设计主要基于安全系数法，从89规范开始，采用了基于以概率理论为基础的极限状态设计方法，提出了强度验算和变形验算这一更高的要求;在砖混结构方面，人们对圈梁和构造柱重要性认识也是逐步提高的，78及以前的规范，对6度区砖房没有圈梁和构造柱的设置要求，对7～9度设防的砖房在3～6层内也没有要求设置构造柱，89和2001规范在圈梁和构造柱的设置上提出更高的要求，符合这些要求的房屋建筑，震害明显减轻;而1990年以前修建的房屋，74规范和78规范中没有提出这些要求，房屋的震害明显加重。

    　　(五)对使用不同建材及制品的房屋震害影响研究表明：

    　　1、九十年代中期以前大量使用冷拔低碳钢丝构件的房屋抗震性能差

    　　震害调查可见，灾区倒塌或严重破坏的房屋建筑中有不少楼板是预应力空心板，绝大部分破坏的预应力空心板中使用的钢材均为冷拔低碳钢丝，由于冷拔低碳钢丝直径小(4毫米)且表面光滑，钢丝与混凝土的粘结锚固性能(握裹力)差，在较大外力下钢丝与混凝土容易脱开，降低了空心板的延性，最终导致空心板脆性破坏。国家已出台《冷轧带肋钢筋混凝土结构技术规程》(JGJ95─95)行业标准，于1995年7月1日起开始实行,

    　　用冷轧带肋钢筋取代冷拔低碳钢丝(也可取代直径12毫米以内的I级光圆钢筋)。由于冷轧带肋钢筋表面具有三面或两面月牙形横肋，其与混凝土的粘结锚固性能是冷拔低碳钢丝的3～6倍。

    　　2、水泥、混凝土标准改变后，房屋震害减轻

    　　九十年代以来，国家对水泥和混凝土的标准进行了重大调整：一是淘汰了旧标准中广泛使用的275号和325号两个低标号水泥，新标准规定的水泥强度最低等级为32.5(2008年又被淘汰)，相当于旧标准的425号水泥，大大提高了水泥强度等级;二是水泥胶砂强度检验方法作了很大改变，消除了旧方法中水泥标号平均偏高约7.6MPa(兆帕)的虚假部分;三是混凝土标号改为混凝土强度等级与国际接轨，强度有所提高，如：新标准C20等级混凝土比原200号混凝土强度提高了11%。材料标准上的不断改进，有助于水泥砂浆和混凝土强度的提高，有助于结构抗震性能的提高，这次灾区倒塌的房屋中，2000年以后修建的极少。

    　　3、不同的墙体材料，房屋震害差异较大

    　　由钢筋混凝土构筑的剪力墙结构房屋(主要在都江堰市，汶川县城也有少量)，普遍震害较轻，起到了很好的抗震作用。

    　　由各种烧结砖、混凝土砌块、轻质墙体材料等组成的框架填充墙，因墙体材料与框架梁、柱连接的构造措施不完善等因素，震害都比较严重，但也有大致的规律：空心砌块墙震害大于实心砌体墙;无筋墙体震害大于有筋墙;加气混凝土轻质墙震害大于普通烧结砖墙体。

    　　大量由普通烧结砖(粘土砖、页岩砖)建成的砖混结构的墙体，其震害情况比较复杂，决定震害程度的因素较多：房屋本身的圈梁、构造柱设置情况;纵墙承重还是横墙承重情况;砖块之间粘结剂(砂浆)的强度情况;房屋朝向与地震波的传播方向情况等，进一步的规律性有待深入研究。

    　　大量使用传统的农村建房墙体材料的房屋，震害十分严重。由于种种原因，农村自建房墙体大量使用不规则石块堆砌和土筑墙等的“干打垒”形式，粘结材料以泥、砂或糯米浆为主，构造措施为“竹筋”，没有抗震设计，粘结材料强度低，房屋整体性和抗震能力差，这类房屋在重灾区震害严重，倒塌普遍。

    　　二、对策建议

    　　(一)牢固确立防震减灾工作“以预防为主”的指导方针

    　　由于地震地质的复杂性、人类认识的局限性等因素，要进一步加强地震危险性和地震预测预报科学研究，以及房屋结构震害机理的分析研究，不断完善和推动地震工程的发展和进步。要坚持把震灾预防放在预测预报、应急救援、过渡性安置、恢复重建等各项工作的首位，确立“防范胜于救灾”的指导思想，从提高城镇综合抗震防灾能力这一根本点入手，在“软措施”和“硬措施”上下功夫。“软措施”即规划及应急措施：如：城镇发展用地、规模、密度、防灾区域划分、场地选择、应急疏散通道、应急避难场地、应急反应和救援预案等内容;“硬措施”即单体工程抗震：确保工程设施的抗震能力，使原有工程得到抗震加固、新建工程抗震设防达到设防标准等。

    　　(二)统筹兼顾，严格规划选址，避免场地对房屋的不利影响

    　　在城镇恢复重建规划选址中，要贯彻落实科学发展观，坚持以人为本、尊重自然、统筹兼顾、科学重建，体现科学性、前瞻性和指导性。要考虑进行必要的工程地质、水文条件及自然灾害影响评估，要避开地震断裂带、滑坡、泥石流、山洪、河洪等自然灾害危险地段，预防和减轻地震可能引发的次生灾害。

    　　工程项目选址要考虑从地形地貌上尽可能避开非岩质的陡坡、高耸的山丘、河岸和边坡的边缘等不利地段;从场地条件上要尽量避开饱和砂层、软弱土层、液化土、软弱不均土层等;如无法避开，则应采取工程措施处理。工程项目的选址还要同时符合当地的总体规划和防灾专项规划的要求，不挤占应急疏散、避难场所用地。

    　　农房恢复重建选址，要继续严格执行四川省政府印发的《四川汶川地震灾后农村房屋恢复重建选址技术导则》(川办发[2008]36号)和有关技术法规的要求。

    　　(三)严格执行现行抗震技术规范，坚持抗震审查制度

    　　汶川地震后，国家修订颁布了《中国地震动参数区划图》GB18306-2001国家标准第1号修改单、《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)(2008局部修订版)和《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50223-2008)，提高了汶川地震灾区地震动参数区划和部分工程抗震设防标准。在城镇恢复重建工作中应切实贯彻执行这些技术法规。要真正把抗震设防贯穿于工程选址、规划、勘察、设计、审查、施工、监理、验收、使用、管理的全过程。必须加强施工图审查中的抗震专题审查，实行抗震审查一票否决制度。

    　　四川省政府出台了《关于加强地震灾后恢复重建建筑市场监管工作的通知》(川府发[2008]36号)等文件，文中特别强调，要严格执行抗震设防标准，坚持抗震审查制度，要切实贯彻执行。

    　　(四)加强房屋抗震设计，注重房屋结构选型，增强房屋结构的整体稳定性

    　　要加强抗震设计。良好的抗震设计是房屋抗震的基础和关键，要协调好建筑创作与结构抗震的关系,房屋设计体型力求简单、规则、对称、质量和刚度变化均匀;要力求结构体系明确，传力途径简捷，刚度和强度分布合理;薄弱部位加强;构件要考虑具有必要的强度和变形能力(或延性)，并具有可靠的连接，支撑系统稳定;非结构构件(围护墙、隔墙、填充墙)要合理设置。

    　　要注重房屋结构选型。要优先采用抗震性能好的结构形式。要坚持选用已被地震实践证明且广泛适用的框架、框剪、剪力墙结构形式，适当鼓励选用钢结构、木结构、钢管混凝土结构等抗震性能好的建筑结构形式。要限制使用石木结构、土石结构等。

    　　学校、医院、图书馆等人员密集的公共建筑要选用抗震性能优的结构形式，要严格执行国务院《汶川地震灾后恢复重建条例》及抗震设防新标准。

    　　要加强农房建设抗震设防的技术指导和服务。四川省政府已经出台了《四川省“5?12”汶川地震灾后农房重建工作方案的通知》(川府发电[2008]96号)、《四川省“5?12”汶川地震损坏农房维修加固工作方案的通知》(川府发电[2008]124号)，省建设厅出台了《四川省农村居住建筑抗震设计技术导则》(2008修订版)、《四川省农村居住建筑抗震构造图集》等相关抗震设防标准，四川省建设厅还配套出台了200余套适合不同地区、各具风貌特色的农房设计方案，这些都要继续认真贯彻执行。要加大对农房建设抗震设防的技术指导和服务力度，以确保提高广大农村建筑的抗震防灾能力。

    　　房屋设计要设置多道抗震防线，提高房屋整体稳定性。适当增加柱间支撑、剪力墙及加大受力构件的延性等措施，房屋抵抗地震作用的整体稳定性会明显加强，房屋不会因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力而倒塌。

    　　(五)未达到现行抗震设防标准的既有建筑要制定抗震加固计划

    　　抗震加固是提高现有建筑抗震防灾能力的有效措施。四川省政府出台的第226号省长令《汶川地震灾区城镇受损房屋建筑安全鉴定及修复加固拆除实施意见》、四川省建设厅、财政厅、物价局出台的《关于贯彻执行省人民政府令第226号〈汶川地震灾区城镇受损房屋建筑安全鉴定及修复加固拆除实施意见〉的通知》(川建发[2008]52号)和四川省地方标准《四川省建筑抗震鉴定与加固技术规程》(DB51/T5059-2008)等是抗震鉴定加固工作的重要法规、政策性文件，应继续深入贯彻落实。对达不到抗震设防要求的既有建筑，结合城市规划，制定分类、分期抗震加固计划，区分轻重缓急逐步加以实施。

    　　(六)积极推动抗震防灾新技术、新材料的应用

    　　应继续严格贯彻四川省政府《关于加强汶川地震灾后恢复重建建材产品质量监督管理工作的通知》(川府办发电[2008]136号)和省建设厅《关于进一步加强地震灾后重建进入施工现场建材产品质量监管的通知》(川建质安发[2008]438号)精神，加大对建材质量的监管力度，严格按照国家和行业标准组织生产。应加大执法力度，防止不合格建材流入市场。鼓励和引导使用抗震性能较好的新型墙体材料(如混凝土轻质高强墙板、加气混凝土砌块、煤矸石空心砖等)，替代部分传统墙体材料的使用。

    　　应积极推动抗震防灾新技术、新工艺、新材料、新产品的开发和应用，提高重建工程科技含量，加快技术进步，提高工程抗震防灾能力。重点推广运用隔震消能体系、轻钢结构、钢结构等技术。

    　　三、结语

    　　大地震是破坏力极强的自然现象，给人类带来了巨大的灾难。人类目前虽然还不能阻止和准确预测地震的发生，但可以依靠自身的智慧从鲜血和生命的代价中不断总结、研究和提高，从而指导灾后恢复重建、最大限度减轻未来地震灾害造成的损失，以上是我们通过调查研究总结的初步结论和建议。一方面我们欣慰地看到，经历地震灾害磨练而发展起来的《建筑抗震设计规范》等抗震减灾理论在减轻地震灾害中已经发挥了重要作用;另一方面我们也必须看到，人们对地震造成重大灾害的机理还缺乏足够的研究和科学的知识，有必要从地震特点、场地条件、建筑结构、设防标准和建筑材料等方面开展进一步的深入研究，完善和发展防灾减灾理论。为此，从事地震科学研究、工程建设行业的广大科技人员和管理人员肩负着重大历史责任。
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