从长宁地震反思韧性城乡建设

郭 迅

(防灾科技学院，河北 三河 065201)

0 引言

2019年6月17日22时55分，四川省长宁县发生M6.0地震，震中位于长宁县双河镇，地理坐标为北纬28.34度，东经104.90度，震源深度16km。地震造成13人死亡，199人受伤，房屋倒塌3198间，严重损坏47466间。地震烈度分布如图1所示。这次地震震级并不高，但造成的生命和财产损失却很大。仅仅一天之后日本本州西海岸发生M6.8级地震，震中附近的新潟、山形两县交界处人口较密集，地震烈度为6+，相当于我国的10度，然而并未造成人员死亡。我国抗御地震灾害的能力不容乐观，需要深刻反思，采取切实措施，改变这种被动局面。

地震灾害主要表现是生命和财产损失，而房屋倒塌或损伤是最直接的原因。与以往震害[1-13]相比，长宁地震震害有一些独特的方面需要深刻总结。本文拟结合长宁地震灾害分析，重点阐述如下几个关键问题：哪些建筑最容易破坏，最大的地震灾害风险点在哪里，既往的地震是否暴露了相似的问题，有什么教训可以吸取，应该采取哪些改进措施。

1 学校建筑震害

因教学功能需要，学校的建筑结构主要有四种形式：空旷的多层砌体、多层单跨框架结构、多层内廊框架结构和多层单面外廊框架结构。空旷是学校建筑的共同特点，因为空旷，建筑墙体截面面积占比低，结构抗侧(抗震)能力差。空旷的多层砌体如果没有完善的圈梁和构造柱约束，开洞比很大的纵墙各墙段很容易因地震剪力发生破坏，纵横墙容易分离导致结构局部或整体倒塌，这是结构“散”[14]的表现。比如本次地震中长宁县富兴乡合家小学教学楼(图2和图3)、珙县一中教学楼(图4)，花篮梁下墙段因没有构造柱，出现贯穿性X形裂缝而丧失承重能力；双河中学博志楼填充墙及脆性抹灰因缺少约束粉碎性破坏(图5)。所谓完善是指圈梁要层层设置，并且无论纵、横墙还是内、外墙，在楼屋盖的标高处都要设置；而构造柱不仅在房屋四角、楼梯间四角，所有纵横墙相交处及门窗洞口边缘都要设置。2008年汶川地震中，因设置完善的圈梁和构造柱，紧邻发震断层但没有任何破坏的白鹿中学教学楼(图6)表现十分“坚强”。

图1 长宁地震烈度分布图Fig.1 Intensity map of Changning Earthquake

图2 合家小学教学楼前面Fig.2 Front view of the teaching building of Hejia Primary School

图3 合家小学教学楼后面Fig.3 Back view of the teaching building of Hejia Primary School

图5 双河中学博志楼填充墙严重破坏Fig.5 Serious damage of infilled wall in the teaching building of Shuanghe Middle School

图6 白鹿中学因有完善的圈梁和构造柱，紧邻发震断层而没有任何破坏Fig.6 Good performance of Bailu Middle School close to seismogenic fault because of sufficient tie beams and columns

多层单跨框架和多层内廊框架也存在纵向开洞比大的问题，还存在纵向各轴线开洞不一致的问题。比如有的轴线只开窗洞，有的轴线开门洞加上窗洞。开洞不同会导致构件或轴线抗侧刚度有较大差异进而产生内力集中，这是结构“偏”[14]的表现。这类结构还普遍存在门洞与窗洞之间的墙段很短，而且由于构造措施不足，即便遭遇并不强烈的地震，破坏的显示度也很高(图7)。

图7 双河中学实验楼门洞和窗洞之间的“短柱”严重破坏Fig.7 Serious damage of the “short column” caused by adjacent door opening and window opening in laboratory building of Shuanghe Middle School

图8 普遍用于教学楼的单面外廊多层框架结构Fig.8 Multi-story frame structure with one-sided porch commonly used in teaching buildings

普遍用于教学楼的单面外廊多层框架结构(图8)危险性更高，底层构造上有如下特点：纵向第一道轴线—走廊外侧柱是自由的，柱身变形不受约束；纵向第二道轴线用块体砌筑并开门洞和窗洞；第三道轴线有半高连续填充墙约束柱下半段不变形(图9)；满砌的横墙约束结构横向变形和扭转，结构整体上沿纵向平动(图10)。第二道轴线的砌体受门洞和窗洞分割，连续性不好导致先破坏，使该轴线上的柱也可自由变形。受约束的窗间柱刚度陡然增大，分担的地震剪力因若干倍增加而先于其他柱破坏，丧失承重能力并导致结构整体倒塌。这是结构最典型的“偏”导致的“凝震聚力，个个击破”。2008年汶川地震中，漩口中学共有三栋外廊五层框架教学楼，均倒塌，而内廊式办公楼以及多层砌体结构的教师公寓均未倒塌，阐述的就是这个道理[9]。

图9 单面外廊框架背面窗间柱受半高连续填充墙约束抗侧刚度显著增大Fig.9 The lateral stiffness of columns between window openings of frame structure with one-sided porch constrained by continuous half height infilled walls is significantly increased

图10 单面外廊多层框架各层楼板纵向平动Fig.10 Floor slab sway of frame structure with one-sided porch in longitudinal direction during earthquake

2 底商多层砌体房屋震害

底商多层砌体房屋在我国长江以南广大中小城镇应用十分普遍，这种房屋一般3～7层，沿街道两侧展布，底层为商铺，上面各层居住(图11)。底层结构形式有砌体、框架、内框架或混合结构。相比于一般多层砌体，底商多层砌体破坏或倒塌比例高得多，而且破坏或倒塌限于底层。

图11 底商多层砌体结构Fig.11 Multi-storey masonry structure of shops in the first floor

因商用功能需要，底商多层砌体的底层临街一侧纵轴线采用混凝土柱、梁，非临街的内、外侧纵墙则为加构造柱的普通砖墙；横墙一般采用“砖砌抗震墙”来承重及分隔，横墙一般不开洞，平面内抗侧刚度大、承载力高。就底层力学特性而言，既不同于混凝土框架，也不同于普通砌体。临街一侧纵向侧刚度明显小于非临街侧，造成前柔后刚，平面上看，偏心明显。但是由于各道满砌横墙的约束，结构并不扭转。三道纵墙都要开设大小不等的洞口，所以纵向相对薄弱，楼板仅沿纵向往复运动，与图10类似。底层墙顶标高处，纵向地震剪力按照构件刚度比例分配，二层到顶层的地震惯性力总和在三道纵墙上分配的结果是一大半由开小门洞的内纵墙承担，次之是背面外纵墙，临街一侧开大门洞的纵墙仅分担很少的剪力，这就造成剪力在内纵墙上凝聚，所以实际震害中，内纵墙破坏非常显著，外表看似完整，但内部损伤严重，形成所谓的“站立废墟”(图12)。

图12 底商结构内纵墙率先破坏Fig.12 Severely damages appear in the inner longitudinal walls of shops in the first floor

3 高层建筑震害

和以往地震不同，长宁地震中，距震中12km的珙泉镇及距震中22km的珙县县城(巡场镇)有大量的民用高层建筑，层数介于18层到31层。珙泉镇有20余栋，巡场镇有40余栋。设置在巡场镇的强震仪记录到0.6g的强地面运动(图13)，而这些高层建筑的抗震设防为6度(0.05g)。这对于考察高层建筑地震响应规律、探讨其极限抗震能力是一个十分难得的机遇。

图13 距震中22km的珙县台记录的长宁地震南北向地面加速度Fig.13 North-South ground acceleration of Changning Earthquake recorded by Gongxian Station with 22 km from the epicenter

图14 巡场镇遭遇破坏的高层建筑Fig.14 Typical high-rise building suffered from 0.6g PGA in Xunchang Country

图15 典型高层建筑平面图Fig.15 Plan view of the typical high-rise building

在巡场镇选取两个有高层建筑的小区(外观如图14，平面图如图15)，对采用同一图纸的建筑随机考察。总体看，主体结构构件，如剪力墙、柱、梁等基本完好。对于按6度设防，而遭遇的地震动超过9度(仅按照PGA折算)还有这样的表现是非常难得的，这将极大地增强了我们对高层建筑抗震安全的自信。另一方面，填充墙、连梁却发生程度不等的破坏(图16、图17)，而且破坏分布很广，从上到下、从外到内都能见到。对具有图15所示典型平面图的31层受损建筑进行了精细的模态测试，结果显示，该建筑纵向一阶频率为0.525Hz，横向一阶频率为0.625Hz，扭转频率为0.575Hz。尽管主体结构依然安全，但是填充墙裂缝造成的表观损伤影响较大，严重影响居住功能，维修起来比多层建筑困难得多，成本高昂。如果能开发某种替代填充材料，弹模低、韧性好，作为填充墙既不改变构件的内力分配、又不易出现表观裂缝，高层建筑以及多层框架建筑的地震表现会得到很大改善。

图16 高层建筑填充墙破坏普遍Fig.16 The widespread damages in the infilled walls of the typical high-rise building

图17 高层建筑门洞上方的连梁破坏普遍Fig.17 The widespread damages of coupling beams above doors of the typical high-rise building

4 对韧性城乡建设的启示

长宁地震发生在我国即将全面建成小康社会的关键时刻，灾害促进我们反思、给予我们启示。事实表明我国总体抗御地震灾害的能力有待提高，形势依然严峻，化解和防范地震灾害风险的任务十分紧迫。长宁地震灾害反映出的主要问题有如下几个方面：

(1)农村房屋和城镇自建房因缺少抗震设计，结构整体性差，地震灾害风险高。

(2)中小学教学楼因普遍存在的结构构造缺陷，潜在危险很大。

(3)学生的防灾意识和能力相对较弱，容易造成群死群伤。

(4)高层建筑尽管主体结构有较高的安全冗余度，但填充墙等非结构构件损伤造成的经济损失不容忽视。

和以往地震类似，长宁地震暴露房屋结构抗震设计的期望值与真实表现反差巨大，无论表现方式还是极限抗震能力。这说明现行设计理论并不能对结构地震响应和抗震能力有可靠的把握。城乡地震韧性评价及风险评估需要依据震害实际，突破既有方法的局限。