瀘定6.8級(jí)地震城鎮(zhèn)居住建筑典型震害及啟示
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彭志楨，吳小賓，潘毅，陳齊
引言
近年來，四川省地震頻發(fā)。據(jù)中國地震局?jǐn)?shù)據(jù)，2009年至2022年底，四川省陸續(xù)發(fā)生了40余次5.0級(jí)及以上的地震。2008年以后的幾次6.0級(jí)以上地震均發(fā)生在四川省內(nèi)西部的山區(qū)及中小城市。受經(jīng)濟(jì)發(fā)展限制，這些地區(qū)農(nóng)村及城鎮(zhèn)建筑中依然還存在大量自建房，其缺乏正規(guī)的抗震設(shè)計(jì)和有效抗震構(gòu)造措施；幾次強(qiáng)震都引起村鎮(zhèn)建筑出現(xiàn)顯著的震害，也對(duì)城鎮(zhèn)建筑尤其是老舊房屋造成不同程度的破壞[1-2]。當(dāng)前全國各地十分重視城市更新，正有序的推進(jìn)城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造工作的背景下，調(diào)查城鎮(zhèn)居住建筑的震害十分必要。地震發(fā)生后，課題組第一時(shí)間趕赴地震現(xiàn)場(chǎng)參與應(yīng)急救援和災(zāi)損評(píng)定工作，詳細(xì)調(diào)查了瀘定6.8級(jí)地震災(zāi)區(qū)多棟城鎮(zhèn)居住建筑的震害情況，并分析了震害特征，提出了對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)建議，有助于給既有房屋改造或抗震加固提出行動(dòng)方向，并對(duì)韌性城鎮(zhèn)建設(shè)、減輕災(zāi)害等提供啟示。
震害調(diào)查概述
2022年9月5日12時(shí)52分，四川省甘孜州瀘定縣發(fā)生6.8級(jí)地震。震中位于瀘定縣磨西鎮(zhèn)（北緯29.59°，東經(jīng)102.08°），震源深度16km。根據(jù)中國地震局發(fā)布的“瀘定6.8級(jí)地震烈度圖”[3]，瀘定地震波及的遭遇烈度為6度及以上的地區(qū)面積達(dá)到19089平方公里，涉及四川省3個(gè)市州12個(gè)縣（市、區(qū)），82個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道），地震最高烈度為9度，包括甘孜藏族自治州瀘定縣和康定市等27個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）。位于震中的磨西鎮(zhèn)為9度設(shè)防烈度，本次地震遭遇烈度也為IX度，震害明顯，并出現(xiàn)較多的典型震害建筑，故以磨西鎮(zhèn)及周邊城鎮(zhèn)的居住類建筑為主要調(diào)查對(duì)象，調(diào)查范圍見圖1。這些建筑離震中距離約10~40km。
框架結(jié)構(gòu)典型震害 2.1 框架結(jié)構(gòu)震害特征
本次地震中，框架柱發(fā)生破壞較少。其主要震害集中在柱頂及柱腳。柱端出現(xiàn)典型的壓彎破壞，見圖3（a）和圖3（b），柱頂出現(xiàn)彎剪破壞，見圖3（c）。這是由于地震下框架柱端受力復(fù)雜，承受壓力、剪力和彎矩的共同作用，在薄弱部位先破壞。個(gè)別框架柱出現(xiàn)柱頂節(jié)點(diǎn)壓潰，節(jié)點(diǎn)處的柱縱筋外鼓，節(jié)點(diǎn)處混凝土大面積脫落的震害，形成“弱節(jié)點(diǎn)、弱柱”現(xiàn)象，見圖3（d）。這是由于框架角部節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜且柱節(jié)點(diǎn)處箍筋配置不足，無法對(duì)縱筋及混凝土形成有效約束，且梁板實(shí)際共同工作的整體剛度遠(yuǎn)大于柱剛度等因素造成。
歷次地震中，“強(qiáng)梁弱柱”現(xiàn)象[6-8]比較普遍；此次瀘定地震中，城市居住建筑中框梁破壞情況相對(duì)較少。主要震害表現(xiàn)為個(gè)別框梁的梁端上下均出現(xiàn)明顯斜裂縫，見圖4。圖中出現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的屈服機(jī)制，除了柱配筋可能進(jìn)行了設(shè)計(jì)加強(qiáng)外，還因?yàn)樵撝鶅蓚?cè)有完整緊密連接的填充墻間接增加了柱的整體剛度，在地震往返作用下，相對(duì)較弱的梁端出現(xiàn)反復(fù)的彎剪受力進(jìn)而出鉸破壞。這也間接說明，填充墻在結(jié)構(gòu)中的位置及連接方式不同，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也不同，因而通過乘以一個(gè)整體折減系數(shù)考慮填充墻剛度影響對(duì)梁柱進(jìn)行承載力設(shè)計(jì)可能不符合地震下的真實(shí)受力情況。
樓梯震害主要表現(xiàn)為梯板破壞、梯梁破壞，與汶川地震情況類似[9]。此次地震中。部分梯板出現(xiàn)水平裂縫，見圖5（a）；部分梯梁的梁中及梁端出現(xiàn)剪扭破壞，見圖5（b）。這主要是由于大部分受損居住建筑未執(zhí)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）（2016年版）[10]中關(guān)于框架結(jié)構(gòu)中的樓梯應(yīng)帶入結(jié)構(gòu)整體模型計(jì)算，或者采用可滑動(dòng)分離式的構(gòu)造連接的條文規(guī)定。相比于樓梯進(jìn)入整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中導(dǎo)致周邊構(gòu)件配筋及截面的加大，框架結(jié)構(gòu)中的樓梯設(shè)計(jì)時(shí)往往優(yōu)先采用滑動(dòng)分離式構(gòu)造措施。
▲ 圖5 樓梯典型破壞形態(tài)（磨西鎮(zhèn)，Ⅸ度）
瀘定地震框架結(jié)構(gòu)中填充墻破壞依然較為普遍，其中燒結(jié)普通磚，頁巖空心磚，加氣混凝土砌塊或混凝土空心砌塊等類型的填充墻材料均有震害。其主要震害特征表現(xiàn)為墻體坍塌，見圖6（a）；沿裂縫線的塊體垮塌或錯(cuò)位，見圖6（b）；填充墻由于剪切破壞產(chǎn)生X形裂縫見圖6（c）；填充墻未設(shè)置有效構(gòu)造措施如構(gòu)造柱或圈梁等產(chǎn)生的連接破壞，見圖6（d）。從上述現(xiàn)象可知，填充墻在地震中先行破壞，已成為第一道抗震防線。
地震中框架結(jié)構(gòu)屋架及女兒墻破壞總體較輕，如某斜屋架屋脊處出現(xiàn)掉瓦，見圖7（a），而其主體結(jié)構(gòu)破壞較為輕微；以及女兒墻的端部位置出現(xiàn)開裂，抹灰掉落，見圖7（b）。這是由于建筑端部墻體受力復(fù)雜以及局部位置缺失必要的構(gòu)造措施。
▲ 圖7 屋架及女兒墻典型破壞形態(tài)（磨西鎮(zhèn)，Ⅸ度）
2.2 某高層住宅震害分析
2.2.1 工程概況
金山花園作為典型的高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其震害特征較為完整，具有代表性。金山花園為拆遷安置小區(qū)，建造時(shí)間約為2016年，位于磨西鎮(zhèn)民俗風(fēng)情街與茶馬巷交匯處附近。該建筑地下1層，地上9層。其中，1~2層為商業(yè)，3~9層為住宅。建筑的商業(yè)層高大于5m，顯著高于住宅標(biāo)準(zhǔn)層高約3.2m，立面示意見圖8（a）。住宅平面短邊4跨，長邊約8跨，典型柱截面約800mm×800mm~700mm×700mm，框架梁梁高約600mm~800mm。該樓遭遇IX級(jí)地震烈度后的外觀實(shí)景見圖8(b)。
▲ 圖8 金山花園震后外觀（磨西鎮(zhèn)，Ⅸ度）
2.2.2 震害情況
該高層住宅框架結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)相對(duì)完好，未發(fā)現(xiàn)框架柱出現(xiàn)明顯屈服或破壞。其中，負(fù)一層地下室的震害較輕，主要震害為第2層的個(gè)別框架梁破壞，1~3層的填充墻、樓梯及樓梯隔墻破壞，且隨著樓層高度的增加逐漸減輕。 從負(fù)一層地下室往上過程中，可發(fā)現(xiàn)地下室梁柱未見明顯破壞，僅少量隔墻抹灰局部脫落，見圖9。地上框架柱未見明顯破壞，第2層的個(gè)別框架梁出現(xiàn)斜裂縫，見圖10。
填充墻在1~3層破壞較嚴(yán)重。底層層高較高，外圍隔墻由于內(nèi)外隔墻交界處未設(shè)置構(gòu)造柱，地震下隔墻出現(xiàn)拉裂并錯(cuò)位，見圖11（a）。也發(fā)現(xiàn)設(shè)置圈梁和連系梁的某內(nèi)隔墻在地震中并沒有垮塌甚至沒有出現(xiàn)貫通裂縫，僅抹灰出現(xiàn)掉落，見圖11（b）。該工程室內(nèi)填充墻主要為頁巖空心磚和大體積混凝土空心砌塊兩種。1~3層頂部與梁采用燒結(jié)普通磚斜砌壓頂?shù)捻搸r空心磚墻體出現(xiàn)大量斜裂縫，見圖11（c）。大體積混凝土空心砌塊主要用于戶內(nèi)隔墻，采用咬合砌筑。空心砌塊與框架梁柱留有水平豎向縫隙脫開，類似柔性連接，其墻體主要震害表現(xiàn)為墻體抹灰掉落，見圖11（d）。
▲ 圖11 填充墻典型震害
1~3層的樓梯震害較為顯著。地下室樓梯周邊隔墻雖沒有明顯破壞，樓梯通道堆滿了1~2層掉下來的抹灰及砌塊，增加通行的阻力，影響了人員疏散及安全逃離，見圖12（a）。1~2層之間樓梯震害最為嚴(yán)重，隔墻砌塊及抹灰出現(xiàn)大面積掉落，梯梁的梁端及中間部位破壞嚴(yán)重，梯板局部也出現(xiàn)混凝土脫落，見圖12（b）和圖12（c）。2~3層梯段堆積物減少，3層梯梁出端部出現(xiàn)局部破壞，見圖12（d）。
2.2.3 震害分析
該高層建筑位于9度區(qū)，為9層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，明顯超過現(xiàn)行規(guī)范[10]允許的框架結(jié)構(gòu)的24m高度限值，且其梁柱截面尺寸總體偏小，會(huì)引起地震下的結(jié)構(gòu)樓層位移及層間位移增大。因此，地震下建筑1~3層的相對(duì)變形較大，是1~3層填充墻及樓梯出現(xiàn)較大破壞的主要原因。地下室結(jié)構(gòu)受擋土墻及周邊土約束，地震下的水平位移小，各構(gòu)件水平受力也較小，因而震害較輕。 底層部分墻體未按規(guī)范要求設(shè)置構(gòu)造柱及水平連系梁以及頁巖空心磚的隔墻頂部采用類似剛性連接方式，吸收的大量地震力也是造成填充墻破壞的重要原因。相比之下，空心砌塊墻體震害相對(duì)較輕是因?yàn)槠渑c框架梁柱采用類似柔性連接，吸收地震力相對(duì)較小，且干砌咬合的空心砌塊之間可通過相互間的摩擦耗能。 1~3層樓梯及周邊隔墻破壞較為嚴(yán)重，這是由于該工程樓梯設(shè)計(jì)上存在明顯瑕疵。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，梯梁高約400mm，且配筋不大，可推測(cè)結(jié)構(gòu)模型計(jì)算時(shí)未反映樓梯作用，也未采用分離式樓梯構(gòu)造[10]；樓梯填充墻沒有采用鋼絲網(wǎng)砂漿面層加強(qiáng)及構(gòu)造柱加密等措施。 砌體結(jié)構(gòu)典型震害 3.1 砌體結(jié)構(gòu)震害特征 砌體結(jié)構(gòu)因其良好的經(jīng)濟(jì)性及成熟的建造經(jīng)驗(yàn)，在小城市（城鎮(zhèn)）得到廣泛運(yùn)用。本次地震中砌體房屋主要震害特征為少量建筑整體垮塌及明顯傾斜，部分建筑中的縱橫墻裂縫包括構(gòu)造柱破壞，尤其是窗間墻破壞較為普遍。 調(diào)查發(fā)現(xiàn)，少量未嚴(yán)格按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)的砌體結(jié)構(gòu)自建房出現(xiàn)整體破壞，且均在底層首先垮塌。單棟砌體房屋整體垮塌，見圖13（a）；這是由于砌體結(jié)構(gòu)樓層數(shù)量達(dá)到5~6層超出規(guī)范限值，地震下的縱橫承重墻體受力急劇加大，出現(xiàn)大面積破壞，無法繼續(xù)支撐上部結(jié)構(gòu)，引起結(jié)構(gòu)整體垮塌。個(gè)別砌體房屋還產(chǎn)生傾斜式倒塌，見圖13（b）；這是由于砌體結(jié)構(gòu)在平面上的薄弱環(huán)節(jié)或者角部位置首先出現(xiàn)破壞，導(dǎo)致整體傾覆。
本次地震中，出現(xiàn)震害的砌體結(jié)構(gòu)的墻體普遍采用燒結(jié)普通磚，破壞形態(tài)各異。砌體結(jié)構(gòu)外墻破壞位置主要集中在窗間墻，見圖14；內(nèi)墻破壞主要集中門洞周邊的位置，見圖15，其震害特征主要表現(xiàn)為剪切斜向交叉裂縫，同以往震害特征類似[1-2，6]。位于外圍的樓梯砌體墻體也出現(xiàn)不同程度破壞，主要表現(xiàn)為墻體外鼓和接近坍塌破壞，見圖16（a）；這由于墻體未設(shè)置構(gòu)造柱約束墻體；而墻體端部設(shè)置的構(gòu)造柱在中部出現(xiàn)拉彎破壞，見圖16（b）；這是因?yàn)闃翘萃鈬瞬课恢玫膲w在地震作用下受力復(fù)雜。
3.2 某多層員工宿舍
3.2.1 工程概況
某多層員工宿舍為典型的砌體結(jié)構(gòu)，其地理位置特殊，震害特征較為新穎。該建筑位于磨西鎮(zhèn)海螺溝冰川森林公園(東門)附近，主要包括3層的員工宿舍兼做辦公樓，2層的實(shí)驗(yàn)樓及1層的輔助用房。該項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)位置位于磨西鎮(zhèn)冰水堆積臺(tái)地岸坡，員工宿舍背面及側(cè)面距離岸坡懸崖較近，其下是河谷及高陡的坡地，高差達(dá)到120m，項(xiàng)目的建筑布局，見圖17。員工宿舍樓約1993年啟用，2003年加固改造增加了一層，共有3層，采用坡屋蓋，平面呈長方形，長約32.4m，寬約11.4m，承重墻采用燒結(jié)普通磚，厚度為240mm，鋼筋混凝土構(gòu)造柱尺寸為240mm×240mm，墻體平面及構(gòu)造柱結(jié)構(gòu)布置見圖18（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況估計(jì)）。員工宿舍樓正門入口有門廳，圍繞2層樓面位置設(shè)置有一圈突出建筑的鋼筋混凝土圈梁。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該結(jié)構(gòu)進(jìn)行過改造，在主體結(jié)構(gòu)右側(cè)旁增設(shè)了鋼結(jié)構(gòu)樓梯，通道連接屋頂右側(cè)的大會(huì)議室。
▲ 圖18 員工宿舍樓結(jié)構(gòu)一層平面圖
3.2.2 震害情況
震害調(diào)查表明員工宿舍樓的周邊未發(fā)現(xiàn)地震引起的土層松動(dòng)，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)局部不均勻沉降及地基基礎(chǔ)破壞的跡象。員工宿舍樓發(fā)生底層垮塌，主要破壞發(fā)生在底層的承重砌體墻。 本次地震中，宿舍樓整個(gè)上部結(jié)構(gòu)向左前方偏離，整體破壞形態(tài)見圖19（a）；右側(cè)鋼樓梯支承屋面的頂部鋼柱被壓彎，屋面下的鋼樓梯框架沒有明顯的損傷，見圖19（b）。大部分構(gòu)造柱被壓潰或折斷錯(cuò)位，見圖20（a）~（d），室內(nèi)3個(gè)構(gòu)造柱將樓板沖切破壞，見圖20（e）。門廳柱上部節(jié)點(diǎn)區(qū)域混凝土被拉脫，而門廳柱腳沒有破壞，見圖21。主要因?yàn)殚T廳梁相連的構(gòu)造柱被壓潰后，門廳樓蓋梁及樓板翹起，對(duì)前排門廳柱產(chǎn)生一個(gè)顯著拉力及局部彎矩，而柱鋼筋錨固不足，造成柱上節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土及鋼筋拉脫。
員工宿舍樓1至2層的梯段破壞嚴(yán)重，見圖22（a），2層及以上的墻體未見倒塌，僅出現(xiàn)一些裂縫，見圖22（b）~（d）；靠近鋼樓梯的山墻與屋蓋拉脫，山墻左右側(cè)洞口間的墻體出現(xiàn)明顯的水平裂縫，見圖22（e）。
辦公樓右側(cè)的輔助用房更靠近懸崖，在地震作用下，其木屋蓋垮塌且砌體承重墻體出現(xiàn)水平裂縫，見圖23。距離宿舍樓對(duì)面約60m的2層實(shí)驗(yàn)樓，主體較為完好，室內(nèi)梁柱未發(fā)現(xiàn)顯著破壞，見圖24。
3.2.3 震害分析
3棟建筑相隔不遠(yuǎn)，其破壞程度不同，除房屋施工質(zhì)量及使用狀況等因素外的另一個(gè)重要因素是受場(chǎng)地效應(yīng)的影響。受場(chǎng)地限制，住宿樓及輔助用房建在兩面臨邊坡較近的角部位置，屬于抗震不利地段[10]。從宿舍樓底層整層壓垮，輔助用房墻體出現(xiàn)水平裂縫及木屋面整體垮塌等震害分析可知，該場(chǎng)地中的地震作用尤其豎向地震顯著增大。在放大的地震作用及顯著的豎向地震反復(fù)作用下，底層承重墻及構(gòu)造柱拉裂，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的水平變形，加速了底層豎向構(gòu)件的傾斜或折斷，使得底層豎向構(gòu)件無法承擔(dān)或傳遞豎向重力荷載，造成底層承重墻體及構(gòu)造柱整體錯(cuò)位壓垮。這表明傳統(tǒng)無筋砌體結(jié)構(gòu)抵抗向上的豎向地震作用能力不足，也反映了建設(shè)工程場(chǎng)地選址的重要性和復(fù)雜性。 結(jié)論及建議 瀘定地震發(fā)生在地形、地貌復(fù)雜的山區(qū)，通過分析震中附近的典型居住建筑的震害特征，得到以下結(jié)論及建議： （1）城鎮(zhèn)居住建筑震害主要集中于未嚴(yán)格按規(guī)范設(shè)計(jì)的老舊居住建筑底部1~2層，再次驗(yàn)證現(xiàn)行規(guī)范[10-11]按結(jié)構(gòu)類型控制結(jié)構(gòu)高度及樓層數(shù)量、加強(qiáng)底部薄弱層設(shè)計(jì)、框架采用滑動(dòng)分離式樓梯的構(gòu)造措施等規(guī)定的必要性。建議城市更新或老舊小區(qū)改造時(shí)加強(qiáng)相關(guān)建筑按現(xiàn)行規(guī)范執(zhí)行情況的排查，并進(jìn)行相應(yīng)改造。 （2）在此次地震中，框架結(jié)構(gòu)中隔墻采用剛性連接方式相較于柔性連接方式的震害更嚴(yán)重。建議框架結(jié)構(gòu)隔墻采用柔性連接方式或采用便于替換改造的輕質(zhì)墻板隔墻，以減輕其震害。 （3）在此次地震中，發(fā)生了少量砌體結(jié)構(gòu)倒塌。這暴露出砌體結(jié)構(gòu)抵抗豎向地震作用能力不足，而現(xiàn)行規(guī)范對(duì)砌體結(jié)構(gòu)豎向地震作用的規(guī)定較少。建議嚴(yán)格控制砌體結(jié)構(gòu)高度及樓層數(shù)，并復(fù)核罕遇地震下砌體墻體及構(gòu)造柱等豎向構(gòu)件的抗拉承載能力，而9度區(qū)的砌體結(jié)構(gòu)宜優(yōu)先采用配筋砌塊砌體墻。 （4）在此次地震中，位于河岸和邊坡、邊緣等抗震不利地段的建筑震害明顯大于有利地段的建筑。建議場(chǎng)地選址時(shí)，盡量避免抗震不利以及容易引起次生災(zāi)害的地段。若不可避免時(shí)，對(duì)重要的建筑宜進(jìn)行工程場(chǎng)地的地震安評(píng)來確定地震作用。 （5）在此次地震中，居住建筑的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞非常普遍，給災(zāi)后恢復(fù)帶來了困難，建議災(zāi)區(qū)重建體現(xiàn)韌性城市設(shè)計(jì)理念，按合適的抗震韌性目標(biāo)值進(jìn)行規(guī)劃或設(shè)計(jì)。建議地震頻發(fā)區(qū)的砌體結(jié)構(gòu)可采用造價(jià)低廉、構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便的隔震磚[12]來提高砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能；而框架結(jié)構(gòu)可引入減震技術(shù)，采用具有消能減震作用的墻板[13]替代部分填充墻，減小地震作用，并保護(hù)其他填充墻。 致謝：感謝四川省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳、四川省應(yīng)急廳、四川省減災(zāi)專家委員會(huì)、四川省地震局、甘孜州應(yīng)急管理局、瀘定縣住建局、瀘定縣應(yīng)急管理局等單位和同志提供的幫助，感謝在本次震害調(diào)查過程中給予支持的各個(gè)單位！ 參考文獻(xiàn)
來源：公眾號(hào) 建筑結(jié)構(gòu)
