泸定6.8级地震结构震害调查与分析

罗若帆，金显廷，郭 迅，董 策，董孝曜，张钦哲，张 俊

（1.中国地震局工程力学研究所中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080；
2.嘉应学院土木工程学院，广东 梅州 514015；
3.松原市应急管理局，吉林 松原 138001；
4.防灾科技学院中国地震局建筑物破坏机理与防御重点实验室，河北 三河 065201）

震害调查分析是提升抗震设计水平的重要手段。2008年汶川地震后，李钢等［1］对村镇建筑进行了调查，发现未经抗震设计的土木结构、砌体结构破坏严重。叶列平等［2］调查了大量框架结构，发现框架结构的破坏形式较多，震害严重，“强柱弱梁”屈服机制未能实现。2013年芦山地震后，公茂盛等［3］对框架结构进行了调查，发现框架结构的破坏主要表现为框架柱及填充墙的破坏；
曲哲等［4］对砌体结构进行了调查，发现非约束砌体结构破坏较严重，而不少约束砌体结构则基本完好。2017年九寨沟地震后，张令心等［5］对房屋震害进行了调查，发现框架结构虽然发生不同程度的破坏，但大都可以维修。从震害调查情况来看，不同结构体系的房屋建筑在历次地震中均有不同的表现，在超强地震作用下，结构体系的优劣似乎并不明确。2019年长宁地震后，王波等［6］从新的视角分析了建筑震害的原因，为探讨震害机理提供了一种可靠的方法。2021年漾濞地震后，罗若帆等［7］对比分析了同一场地相同规模破坏与完好的框架结构，从机理上揭示了结构发生破坏的原因。郭迅［8］对结构地震破坏倒塌机理进行了总结，提出了“变形饱和”致灾机理，较好地解释了多层建筑结构破坏或倒塌的原因。实际震害是对理论和假说最好的检验，完善抗震理论必须重视震害调查结果。

2022年9月5日12时52分，四川省甘孜藏族自治州泸定县发生6.8级地震，震中位于磨西镇（29.59°N，102.08°E），震源深度16km。震中附近磨西镇、燕子沟镇、得妥镇等地房屋受损严重。当地房屋以多层建筑为主，自建房居多，结构体系以砌体结构、木结构和框架结构为主。因磨西镇海螺沟景区为国家5A级景区，当地存在较多酒店、民宿及底层商铺建筑，其结构形式主要是框架-砌体混杂式结构及底框架结构。针对此次地震，对震中附近地区的砌体结构和框架结构，包含底框架结构和框架-砌体混杂式结构进行了详细调查，分析了典型的震害特征和破坏原因，通过“好”与“坏”的对比，对多层建筑的抗震能力进行了探讨，以期为新建建筑抗震设计和震后建筑加固改造提供参考。

砌体结构和框架结构是多层建筑最常见的结构体系，此次调查主要关注这两类结构的表现。因村镇自建房居多，结构形式复杂，具体调查对象包括传统砌体结构、普通框架结构、底框架结构和框架-砌体混杂式结构。

1.1 砌体结构

1.1.1 整体缺乏约束圈梁和构造柱是提高结构空间刚度和整体性的重要措施。历次地震震害现象均表明，无圈梁、构造柱的砌体结构震害严重，倒塌率极高。有完善圈梁、构造柱的砌体结构则有很好的表现。图1a为磨西镇某民居，结构体系为无约束的砌体结构，发生了严重破坏，整体垮塌。图1b为磨西镇共和村单层无约束砌体结构民居，纵横墙交接处无构造柱连接，整体发生分离。

图1 砌体结构整体破坏Fig.1 Photos of seismic damages of masonry structures

1.1.2 局部缺乏约束

许多村镇自建房没有严格按照规范设计施工，一些砌体结构虽设置了圈梁、构造柱，但并不完善。图2a为得妥镇某底商多层民宿，属于框架-砌体混杂式结构。可以看出，框架柱基本完好，而内部墙体破坏严重。这是由于墙体缺乏合理约束，在水平力作用下，开裂即解体，形成独立块体，在惯性力作用下不断分离，呈现出极其严重的破坏后果。图2b为磨西镇共和村某自建民宿，为砌体结构。承受地震剪力最大的首层完好无损，但三层发生了严重破坏（图2c），原因是三层没有设置构造柱。图2d是磨西镇某宾馆，屋顶女儿墙因缺乏合理约束，外闪掉落到地面。

图2 砌体结构局部破坏Fig.2 Photos of partially seismic damages of masonry structures

1.2 框架结构

框架结构是梁板柱体系，但填充墙的分布模式会对结构的破坏产生影响。根据结构形式和墙体分布方式，结合震害调查情况，分为单跨框架、外廊式框架和底商用途的框架。

1.2.1 单跨框架图3a为原磨西中学一栋4层单跨框架结构教学楼。2008年汶川地震后，单跨框架因冗余度不够，在2010版抗震设计规范中已经不推荐使用［9］。可以看出，这栋建筑破坏非常严重，建筑纵向前侧设置开门窗洞口的填充墙，后侧设置窗下连续填充墙。纵向门与门之间无墙体约束的柱出现上下端塑性铰，上端破坏较下端更严重。受窗下墙约束的柱主要出现柱上端塑性铰，且比门间柱的破坏更严重，这可能是由于填充墙的约束改变了柱的计算长度，使得该柱的实际位移角更大（图3b）。横向为满砌填充墙，出现典型的角部压碎破坏（图3c）。

图3 磨西中学教学楼震害Fig.3 Photos of seismic damages of Moxi middle school teaching building

1.2.2 外廊式框架

图4a为磨西镇一栋外廊式教学楼，建筑平面为L型，设计时为了避免平面不规则，结构进行了分缝处理。但连接措施不够合理，如外走廊的转角处与右侧教学楼墙体直接连接造成了受拉破坏，与左侧另一栋教学楼外走廊墙体缝间用木方填充，同样造成了严重的挤压破坏（图4b）。两个方向的建筑均出现了小剪跨比墙体的剪切破坏。门窗间小短墙因剪跨比小基本都发生了剪切破坏（图4c）。

图4 原贡嘎山寄宿制学校震害Fig.4 Photos of seismic damages of the for mer Minya Konka school teaching building

1.2.3 底商用途框架

图5a为一栋底层商用的民用住宅。因底层为商铺，需要较大空间，纵向两道轴线均无墙体，仅在背面设置了填充墙（图5b）。由于墙体对刚度贡献较大，这种填充墙偏置的情况会造成地震剪力分配的差异较大，带填充墙一侧的构件因承受较大的剪力而发生破坏。可以看出，填充墙和柱的组合效应明显，产生了不同形式的破坏，如图5c所示柱受窗下墙约束发生柱上端剪切破坏，图5d所示角柱发生柱端和节点区的破坏。

图5 磨西镇底层商铺的民用住宅震害Fig.5 Photos of seismic damages of a pr ivate residential building with store on the ground floor in Moxi town

1.3 底框架结构

图6为磨西镇一栋酒店建筑，共五层，属于底框架结构，上部三层为砌体结构，基本完好，地下一层的框架柱严重破坏。墙体对各个位置的框架柱产生了不同程度的约束，造成了各不相同的破坏模式。图6b为建筑纵向前侧相邻的两个框架柱，右侧柱受到浇筑混凝土填缝的约束，形成短柱，发生剪切破坏。左侧柱无约束，没有发生破坏。因前侧柱受较大的约束，导致该侧轴线上的刚度较大，建筑纵向的后侧轴线总刚度则相对较小，发生较大的变形，造成结构整体的扭转。图6c为受窗下矮墙约束的柱，可以看出窗下墙的约束明显改变了柱的计算长度，下端塑性铰出现在窗下墙中部。图6d为受楼梯间墙和梁约束的柱，也形成了短柱并发生剪切破坏。部分柱的变形量已经达到失效的状态，纵筋保护层完全剥落（图6e）。该建筑内部填充墙完全破坏（图6f）。

图6 磨西镇底层餐厅用途的酒店震害Fig.6 Photos of seismic damages of a hotel with restaurant on the ground floor in Moxi town

图7为磨西镇一栋位于街角的酒店。位于街角的建筑两个邻边面向街道，通常开较大门洞。由此形成了临街两面无填充墙，而另外两个邻面则砌筑填充墙的墙体分布模式。因刚度偏置，偏心距较大，扭转效应显著。同时因填充墙偏置，无法约束另外两个面上刚度小的框架柱构件沿两个方向的运动，形成了整体的扭转（图7a）。右侧填充墙无明显的平面内破坏，L型开洞最右侧的柱却发生了显著的破坏，变形方向垂直于填充墙平面（图7b）。L型开洞最左侧柱则明显向前侧倾斜（图7c），结构最终发生扭转破坏。

图7 磨西镇位于街角的酒店震害Fig.7 Photos of seismic damages of a hotel on the corner in Moxi town

1.4 混杂式结构

图8为得妥镇一栋民宿，共四层半，底层因使用需要，前侧和中间轴线采用框架柱承重，后侧仍然采用墙体承重，形成了框架-砌体混杂式结构。汶川地震后，调查发现有大量这种形式的结构发生了严重破坏［10-11］。前侧和中间的框架柱破坏相对较轻，而后侧的墙体出现典型的剪切破坏（图8b）。这是因为后侧轴线的墙体和前侧及中间轴线的柱力学行为差异很大，小剪跨比的墙体在小变形下就会发生破坏，而柱的变形能力较强，但承载力较低，在后侧构件破坏后，引起承重失衡，从而被动发生较大侧移形成新的平衡（图8c）。但该建筑接近垮塌，不能认为其实现了内力重分布。

图8 得妥镇底层餐厅用途的酒店震害Fig.8 Photos of seismic damages of a hotel with restaurant on the ground floor in Detuo Town

2.1 “散”和“整”

“散”主要体现在建筑物缺乏合理的约束，如缺乏圈梁构造柱等，导致整体性差，在地震作用下极易开裂、破坏，引起结构倒塌。“整”说明建筑物有合理的约束，整体性好，可以最大化发挥构件的承载力贡献。图9a为两个多层建筑的顶层女儿墙破坏情况，左侧建筑的女儿墙有合理的约束，未发生破坏，这是“整”的表现。右侧建筑则因缺乏约束，墙段失稳外闪掉落到地面，这是“散”的表现。图9b的酒店左侧缺乏构造柱，在地震作用下，极易开裂破坏，因结构极为松散，在惯性力作用下裂缝不断张开，形成独立块体被甩出，这是“散”的表现。图9c为该酒店内部墙体，同样发生剪切破坏，但因构造柱的约束，始终保持着较好的整体性，没有发生极其严重的破坏，这是“整”的表现。此次震害调查结果再次证明：无约束的砌体结构基本都发生了严重的破坏和倒塌；
有合理约束的砌体结构都表现较好；
约束合理且无其他结构缺陷的砌体结构表现特别好，大多完好无损。实现整而不散，则极大地提高了建筑的抗震能力。

图9 “散”和“整”的对比Fig.9 Contrast of buildings lacking reasonable constraints and buildings with reasonable constraints

2.2 “偏”和“匀”

“偏”主要体现在不同力学行为的构件混搭。刚度大、变形能力小的构件因承受较大的地震剪力，在小变形下率先破坏，引起承重失效，结构倒塌；
变形能力强的构件则尚未贡献其最大承载力和延性，就发生了被动的破坏。“匀”主要体现为各构件的力学行为接近，刚度均衡，能够均匀分担地震剪力，总承载力高或整体变形能力强。图10a为磨西镇底层商用民宿，横向多道满砌横墙，刚度很大，纵向共3个轴线，A轴和B轴为柱，C轴为承重墙（图10c）。承重墙刚度较大，分配较大地震剪力，在小变形时就率先发生剪切破坏（图10b）。图10d为磨西镇一栋砌体民宿，纵向共两道轴线，均为带构造柱的承重墙，两个轴线上的构件刚度较为均衡，承载力较高，且可均匀分担地震剪力，因此没有发生破坏。脆性构件还有一个特点，一旦开裂可能面临破坏，但只要不破坏，则可能完好无损。从图10d和图10e可以看出，这个建筑没有任何破坏。调查发现：底层平面布置与图10c平面图类似的建筑，均发生了不同程度的破坏；
平面布置与图10f类似的，基本上都处于完好的状态。

图10 “偏”和“匀”的对比Fig.10 Contrast of buildings with mix components with different mechanical behaviors“which called eccentricity”and buildings with similar mechanical behavior of each component“which called balance”

因横向刚度较大，各轴线上构件刚度均衡，承载力较高，纵向较为薄弱，可将结构沿纵向平动时各轴线上典型特征构件本构关系示意图在同一坐标系下表达。图11a为图10c中底商民宿三个轴线构件的本构关系曲线示意图，后侧轴线上带构造柱的承重墙具有大刚度、高承载力和小变形能力，结构沿纵向运动时，C轴构件分配较大的地震剪力，率先破坏，而A轴和B轴构件在小位移下仅贡献了极限承载力的一部分。C轴构件破坏后，结构基本失效，其余构件的延性尚未发挥出来就被动破坏了。这是具有“偏”缺陷的建筑破坏原因。图11b为图10f中砌体结构民宿两个轴线构件的本构关系曲线示意图。A、B轴均为带构造柱的承重墙，刚度均衡，承载力高，虽然变形能力小，但这些构件的本构关系较匹配，均匀分担地震剪力，结构总承载力较高，依靠承载力“硬抗”而使结构保持基本完好。这是“匀”的建筑具有较强抗震能力的原因。

图11 “偏”和“匀”的构件本构关系示意图Fig.11 Schematic diagram of constitutive relation of the components of“eccentricity”and“balance”

2.3 扭转和平动

结构抗力的合力经过刚心，作用力的合力经过质心，刚心和质心不在同一位置时，会产生力矩。偏心距越大，矩越大。但结构是否发生扭转破坏，还取决于抗扭转的刚度和承载力。图12a为磨西镇位于街角的酒店，其外墙呈L型布置，有两个邻边仅有框架柱。刚度大的墙柱组合构件基本没有发生平面内的破坏，刚度小的框架柱则出现大位移破坏。图12b为此类建筑的扭转破坏机制，因外侧L型布墙，刚心靠近刚度大的L型墙交点处，质心则靠近中心。上侧构件受墙体约束平面内刚度较大，下侧构件如A、B柱则不受约束可产生较大X方向位移，左侧墙体无法约束A柱平面外的位移。同理，左侧构件平面内刚度较大，右侧构件如B、C则不受约束可产生较大Y方向位移，上侧墙体也无法约束C柱平面外的位移，由此而导致扭转的发生。这是街角酒店发生扭转破坏的原因。而更多的临街建筑表现出来的是沿纵向的平动（图12c中X 方向），并没有出现扭转的现象，这是因为邻街建筑通常横墙较多，横向（Y方向）均匀设置的墙体带来刚度和承载力贡献。如图12c所示，刚心靠近纵墙所在的轴线，质心靠近中心，同样存在力矩，但要使结构发生扭转，A柱和B柱要产生反方向的Y方向位移，而左右两道横墙约束了Y方向的位移，即横向不破坏，扭转就难以发生，结构会首先沿着薄弱的纵向平动。因此部分街角建筑，可能会出现扭转的破坏，即弱的构件先破坏，沿街道布置的建筑，破坏则是平动所致，即强的构件先破坏。

图12 扭转和平动的机制Fig.12 Mechanisms of torsional motion and translational motion

2.4 框架结构和砌体结构

砌体结构是更为传统的结构体系，虽然经过技术的不断革新，在规范中对高度和层数仍有非常严格的限制［9］。框架结构是更为先进的结构体系，得到更广泛的研究和应用。然而历次地震震害表明，框架结构性能并没有我们认为的那么优越，“强柱弱梁”的梁铰机制基本没有在建筑震害中出现。即便主体结构没有破坏，填充墙通常也会破坏（图12a），一旦墙体破坏，即代表正常使用功能受损，建筑将面临大规模修复或拆除重建。没有设计缺陷的砌体结构，在地震中有非常好的表现（图12b），原因在于砌体结构墙体在圈梁构造柱的约束下，具有较好的整体性，墙柱的可靠连接，使承载力较高。克服了“散”和“偏”的缺陷，砌体结构在地震中的表现均很好。而框架结构的填充墙与主体构件连接相对较弱，承载力不高，整体性较差，是造成填充墙大面积破坏的原因之一。有学者对两种不同的砌筑方式进行了对比［12］，见图13c。砌体结构和框架结构的抗震性能，仍是一个值得探讨的课题。

图13 框架结构和砌体结构的对比Fig.13 Contrast of buildings with frame structure and masonry structure

（1）在此次泸定地震中，无抗震设防的砌体结构破坏严重，倒塌房屋数量众多。缺乏合理约束，存在“散”的缺陷，构件一旦开裂，在动力作用下严重破坏，迅速丧失承重能力导致结构倒塌。部分建筑局部缺乏合理约束，导致局部的破坏。合理的约束能够极大地提高结构的抗震性能。

（2）因使用功能要求，较多建筑底层需要大开间，临街一侧需要开大门洞，通常设计为底框架结构或底层框架-砌体混杂式结构，即前侧为框架柱，后侧为承重墙，二者混搭的体系。这就导致了首层薄弱，且存在“偏”的缺陷，刚度较大的承重墙因分担较大地震剪力而率先破坏，导致结构失效。存在“偏”的建筑均发生了不同程度的破坏，避免了“偏”的建筑均基本完好。

（3）较多临街建筑因设置了多道满砌横墙，横向刚度大，承载力高，且刚度分布均匀，约束了横向的变形，同时约束了扭转的发生，结构破坏由纵向平动所致。部分街角建筑因L型设置外墙，偏心距大且无法约束扭转，导致结构发生整体的扭转破坏。墙体的平面分布对结构的破坏模式有很大的影响。

（4）具有合理约束，避免了“偏”的缺陷的砌体结构，在地震中表现很好，基本没有发生破坏。相比之下，框架结构虽然倒塌率不高，但破坏率很高，以框架柱和填充墙的破坏为主，尤其是填充墙的破坏非常普遍，面临大规模修复和拆除重建。

（5）泸定地震震害中展示出来的结构抗震缺陷，如散、脆、偏、单等在既有建筑中还大量存在，这种现象实际上是地震风险的表现。应认真从震害中吸取教训，仔细对照，分析城乡建筑面临的地震风险。

猜你喜欢砌体框架结构墙体高层建筑结构设计中框架结构问题和对策建材发展导向(2022年14期)2022-08-19无黏结预应力框架结构的拆改加固设计结构工程师(2022年2期)2022-07-15模块化蓄热墙体日光温室研究进展农业工程技术(2022年1期)2022-04-19砌体墙上安装摩擦型阻尼器施工技术探讨建材发展导向(2022年5期)2022-04-18农村保温墙体的热湿性能分析煤气与热力(2022年2期)2022-03-09房屋建筑中砖砌体施工技术分析建材发展导向(2021年22期)2022-01-18竖向开槽砌体墙燃气爆炸动力响应及加固煤气与热力(2021年11期)2021-12-21混凝土框架结构抗震加固方法简述建材发展导向(2021年14期)2021-08-23浅谈UHPC在异形曲面墙体中的应用建材发展导向(2021年11期)2021-07-28浅析建筑垃圾在节能复合墙体中的应用建材发展导向(2021年11期)2021-07-28