汶川大地震带给建筑防震设计的思考

陈晓敏

摘要：5·12汶川大地震是1949年新中国建国以来最严重的灾难之一。道路、桥梁、隧涵、城镇、学校、房屋、通信等基础设施损毁严重。估计直接经济损失可迭1500亿元人民币。震后政府管理部门、科研单位，设计单位和施工单位迅速组织抗震防灾专家组进行震后调查。本文对此洗地震造成灾难性后果的原因进行了分析，并建议汲取日本具有丰富抗震经验国家的做法，推动我国抗震建筑结构规范的修订和完善工作。

关键词：汶川地震抗震设计建筑结构

2008年8月28至29日，“汶川地震建筑震害分析与重建研讨会”在北京举行，会议总结汶川地震中的建筑结构震害，为地震灾区重建的建筑结构抗震设计、抗震鉴定和抗震加固提供参考，并对我国建筑抗震技术标准的修订提出建议。

汶川大地震造成了重大的人员伤亡及财物损失，房屋损毁严重，汶川县八个镇被夷为平地，大多数人也是因为房屋倒塌而遇难。这次重大灾难，再次引起人们对房屋结构安全、抗震性能等问题的广泛关注。

一、房屋倒塌因设防度太低

汶川地震中倒塌的房屋数量之多，超过了想象。2009年5月7日，在四川省举行的“5·12”抗震救灾周年新闻发布会第一场会议上，四川省建设厅厅长杨洪波谈到，地震后，四川省组织了相关专家和工程技术人员前后共计2500余人次，持续时间达两个多月，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。专家组的结论是本次地震的实际烈度远远高于房屋抗震设防烈度，这是包括学校校舍等在内的公共建筑倒塌的主要原因。

震级代表一次地震释放能量的大小。裂度是反映地震破坏度的参数，通常6度以下的地震裂度不会造成大的破坏，7度以上则会造成破坏。地震的最高裂度数据是12度。一般来说，震级越强，裂度越大。中国曾先后在1989年、2001年、2003年颁布过建筑抗震规划条例，各地建筑抗震的设防标准有所不同。

汶川当地的设防裂度是七度，7．8级地震在当地相当于裂度9度到10度，已经远远超过当地设防的裂度了。按照7度设计的房屋，面对9度以上的毁灭性地震，很多房屋倒塌是无法避免的。当地教学楼、医院这类公共建筑的抗震标准也都没有达到抗震8级，即设防度超过9。四川大地震倒塌房屋众多的主要原因是因为设防度太低。据了解，虽然中国大部分城市是按照7度设防烈度进行建筑结构设计，但对于政府机构、医院、学校、电站、车站等重要公共建筑、生命线工程都要提高1-2度设防。

二、房屋本身结构类型和建筑形式的原因

不同的房屋结构类型和建筑形式，在这次地震中体现出震害明显不同。砖混结构的建筑震害最为严重，抗震性能弱，还有九十年代中期以前预制空心楼板中大量使用冷拔低碳钢丝构件的房屋，以及在农村建房中大量使用“干打垒”等土筑墙形式，用泥、砂或糯米浆为主要粘结材料的房屋，其整体性和抗震性均差，在这次地震中震害严重，倒塌较多。另外，学校也存在抗震方面的几个先天缺陷：一是房间大。躲到卫生间等场所是地震发生时的一条逃生原则，原因就在于空间狭小、有墙面支撑，墙的面积大抗震能力就强。但学校教室、活动室等场所空间都比较大，相对而言墙的面积就小。二是窗户大。教学需要良好的光线，采光使用大面积的窗户设计，相应地使得墙的面积大大缩减。三是走廊设计。一般学校都采用单面、外廊的走廊设计，多由柱子支撑，如果教室两边都是走廊，在纵向上一间教室就只有前后的两面墙抗震，两边柱子的作用则很弱。

三、对非承重结构构件隔墙抗震性能的忽视

从地震造成的几种破坏形式来分析。一是建筑平面质量中心和刚度中心不重合，没在同一竖线上，建筑在地震作用下，整体扭转破坏，甚至倒塌。抗震要求建筑隔墙平面布置均匀对称(成为规则建筑)，质量中心和刚度重合，且处于同一竖线上。但建筑功能和需求和抗震要求经常会发生矛盾，建筑隔墙平面布置不均匀、不对称(形成不规则建筑)。二是震害发生原因是建筑刚性隔墙上下布置不连续，出现薄弱层导致刚度突变。在地震作用下建筑薄弱层柱子承受了较大的竖向荷载，出现塑性变形后产生较大位移，从而加速柱子的破坏，造成整栋房屋倒塌。抗震要求建筑刚性隔墙应上下均匀，避免出现薄弱层。三是局部的墙体与柱子的刚性连接，对柱子形成约束，地震时，支撑楼层的柱子发生脆性短柱破坏，会造成楼层突然倒塌，短柱破坏部分通常在门窗洞口处。四是砌块类隔墙刚度大，变形能力差，无法与主体结构层间变形协调。抗震要求墙体与主体结构应有可靠地拉结，应能适应主体结构不同方向的层间位移。此外，砖墙、砌块填充墙还会对结构本身造成损害。因为砖墙、砌体填充墙的刚度大，在地震时会对梁柱结构产生挤压作用，承重结构的混凝土破裂，就可能导致房屋倒塌。解决这些问题，可以采用结构自重轻、柔性好的，可迅速吸收和消散地震产生的能量的轻质材料作为隔墙。

四、可借鉴地震防灾减灾具有丰富经验国家的做法

日本是地震多发国家，人口密度高，防灾已经成了日本人日常生活的一部分，他们对于地震防灾减灾具有丰富的经验。从阪神地震后，日本从地震中汲取教训，在建筑抗震规范和建筑抗震设计上都取得了新的进展。

日本强制执行的建筑结构设计标准包括下面几类：建筑法、建筑令、建筑规准、官方备忘录。此外，还有大批与建筑结构设计和施工相关的标准和指南。《建筑基准法》(BSL)是建筑结构设计和施工相关的最基本的法律。

1950年，日本推出二战后的第一部《建筑基准法》。其间被数次修订，1981年进行了较大的修改，规定了两阶段抗震设计方法。第一阶段设计，建筑结构在小震与中震作用下应保持弹性；第二阶段设计，在大震作用下建筑结构的某些构件可以屈服进入弹塑性。第一阶段设计符合“没有或只有非常有限的破坏”以确保继续使用，第二阶段设计符合“防倒塌”以确保生命安全。2000年，日本修订了《建筑基本法》，使其更基于性能，它给出了破坏极限与生命安全两种极限状态。前者的目标是在中震(50年重现期)作用下结构只发生有限的破坏，从而使结构整体在地震作用下不会丧失其最初设计的性能：后者的目标是防止结构在预期的大震(500年重现期)作用下发生局部或完全倒塌以保护生命。

两种极限状态与1981的BSL中的两阶段设计一致，但仍有两个明显不同的特征：第一，工程基岩上给出的加速度反应谱明确考虑了场地土的特性与土——结构的相互作用。第二，明确地考虑了承载力与变形。依照这两个特征，2000的BSL有利于推动灵活的结构设计，鼓励新型建筑材料、结构部件与建筑技术的发展。

其一，对钢筋混凝土结构建筑的影响。在阪神地震中，许多钢筋混凝土建筑在首层或是中间层发生了薄弱层破坏。承载力沿高度分布不合理，节点设计较差，都被认为是造成破坏的原因。1981的BSL明确地考虑了侧向刚度沿高度的分布，对于刚度较小的层，要求在原来刚度的基础上多加50％。有薄弱层的新建筑物的破坏暴露了规范的不足。为回应这种严重破坏，相关的规范条款于震后一年内就作出了修订，而且此类建筑物底层柱的承载力增加了一倍。

其二，对钢结构建筑的影Ⅱ自。在日本，钢是一种应用十分广泛的建筑材料。由于新旧钢结构使用的抗震规范与建筑技术不同，在阪神地震中两者破坏的严重性形成鲜明的对比。许多倒塌的建筑都是2-5层的老式钢结构建筑物，而新式钢结构建筑物却没有发生倒塌。这些破坏包括梁柱抗弯连接点焊接处的脆性断裂、斜撑的严重屈曲与破坏以及螺栓的破坏。日本则重视材料韧性与连接节点来减小连接处的应力集中，如采用无焊检查孔连接。

其三，对钢骨混凝土结构建筑的影响。从20世纪50年代中期开始，钢骨混凝土SRC结构在日本的大型建筑物中得到广泛的使用。阪神地震中，相当多的建于上世纪60年代与70年代的建筑物的中间层倒塌破坏。在很多情况下，倒塌层由sRC柱变成RC柱。柱的承载力突变是中间层倒塌的主要原因。SRC的强度由钢筋混凝土部分与钢结构部分分别计算相加而成，叠加强度原理已在SRC建筑物的设计中使用了数十年。

其四，采用隔震技术。日本于20世纪80年代开始采用此技术。在日本广泛采用的隔震装置有天然橡胶隔震垫，高阻尼橡胶隔震垫，石墨橡胶隔震垫以及滑动隔震垫。各种不同类型的隔震装置经常联合使用以取得满意的效果。阻尼器也附加隔震系统中以减小上部分结构的相对位移。隔震结构的设计应采用非线性时程分析法。根据当地情况采用相应的位移输入。

其五。引入抗震结构被动控制的概念。在当时日本第一座高层建筑东京霞关大厦采用开缝钢筋混凝土墙作为吸能装置。随着更加有效的阻尼器，如金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、黏弹性阻尼器及粘滞阻尼器的使用，结构控制得到了进一步发展。20世纪8d年代中期到90年代初，研究与开发达到了繁荣期，其时日本的经济也在高速增长，采用阻尼器的设计与建造也始于那个时期。大多数都用在了高层建筑中。这些装置的最主要的优点就是大变形后具有稳定的滞回性能，对强度与刚性有灵活的适应性。并且有合理的价位，所需维护较小且不受温度影响。