底部框架-抗震墙砌体震害调研及易损性分析

李思齐，张 明

1)东北林业大学土木工程学院,黑龙江哈尔滨 150040; 2)西南交通大学土木工程学院, 四川成都614202

汶川8.0级特大地震是一次严重的地震灾害，破坏性强、波及范围广，造成大量房屋及工程结构发生倒塌破坏.贾俊峰等[1]根据都江堰建筑震害调查结果，研究了建筑震害空间分布与成因，提出空间演进是影响震害空间分布的主要因素.李清洋等[2]对汶川地震中底部框架-抗震墙砌体房屋进行了调研分析，给出了不同建造年代房屋的震害特征及破坏状态.霍林生等[3]从地震中钢筋混凝土框架结构防震缝处的震害、竖向刚度和节点破坏等方面着手，分析了安全性措施.李碧雄等[4]对震后多层砌体结构进行震害调查，给出了窗间墙承载力不足是破坏的主要原因，但按现行规范设计施工的则具有良好的抗震性能，建议对抗震概念设计给予足够的重视.李宏男等[5]从工程地质震害、建筑结构震害和生命线工程震害方面着手，对汶川地震破坏情况进行了调查分析，提出在强震区应合理选取结构体系，加强桥梁结构与公路路基的抗震工作.谢启芳等[6]对四川地震灾区古建筑的震害调查进行了分析，得到木结构在此次强震中表现出良好的抗震性能，建议推广使用木结构建筑及隔震减震技术.雷涛等[7]对绵竹市中小学校舍震害调查，对比分析了砌体结构、木结构和框架结构的震害特征及原因.高小旺等[8]建议底层钢筋混凝土框架-抗震墙体系应合理设置，过渡层的抗剪和抗弯能力应给予增强.侯爽等[9]分析了汶川地震都江堰填充墙的震害情况，发现填充墙的震害明显高于主体结构.以上震害调查研究多对各类结构的个别典型破坏房屋进行调查与分析[10-17].但是，对于某一设防烈度区域全面震害调查取样分析的研究相对较少.本研究对某区域底部框架-抗震墙砌体结构全面震害结果进行调查，运用烈度标准对实际震害情况进行震害等级评定，结合不同烈度区分析结构震害指数，以期得到某一震区底部框架-抗震墙砌体结构的实际震害情况，为该类结构的抗震设计和地震烈度标准修订提供参考.

1 房屋类型及破坏情况

为研究不同结构类型在强震中的易损性情况，对近年来实际震害调查数据进行收集，发现存在调查点过于离散的现象，故选取中国地震局组织的对汶川地震结构震害(都江堰地区)整体调查样本为基础数据.都江堰市为成都市代管的县级市，距离震中21 km，房屋破坏严重，在整体汶川地震中属于近场强震，地跨烈度为Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ和Ⅺ区.都江堰市房屋结构大致可分为3类：老旧和自建房屋，均未作抗震设计；砖混砌体结构和底框结构，此类结构未考虑或未完善考虑抗震要求；经抗震设计的砌体结构、木结构、底框结构和钢筋混凝土框架结构[11-12].

调查发现，底部框架-抗震墙砌体房屋应用非常广泛且资料丰富，底层或底部两层框架大多是人们为了提高房屋使用功能而采用的，底部受力体系为框架结构；上部采用砌体结构作为住宅用，其受力体系为纵、横墙承重结构.对底部框架-抗震墙砌体房屋的研究大多围绕某栋典型房屋破坏展开，未能体现其破坏的一般性，因而有必要对一定区域范围内该结构类型的震害情况进行全面调查研究.都江堰市底部框架-抗震墙房屋在汶川地震中受到不同程度的震害，按照《建筑抗震设计规范》(GBJ 11—89)设计建设的大多数房屋并没有设置抗震墙，多数以横墙、纵墙为主，且为了满足商业的使用需求，纵墙还在临街处轴线设置少量的墙段[2].

本研究对都江堰市2 178栋底部框架-抗震墙砌体结构进行了震害调查分析.调查小组按照《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2001)和《中国地震烈度表》(GB/T 17742—1999)进行细致调查，发现20世纪80年代未按照抗震规范设计、施工的底部框架-抗震墙砌体房屋遭受了不同程度的破坏.除底部框架节点、柱脚、过渡层和底层被破坏，窗间墙及窗肚墙产生交叉斜裂缝外，大量的底部框架-抗震墙砌体房屋抗震墙破坏严重.

2 砌体震害分析

2.1 部分底层框架层间位移过大，底层楼板整体坍塌

底层框架因未设置或少量设置抗震墙，导致侧向刚度要比上层砌体结构小得多，地震作用下底层的层间位移比较突出，形成底层变形集中的现象[2].因底层框架预制楼板刚度与柱、梁刚度差异过大,且预制构件连接处锚固不足，材料强度偏低，施工质量未得到有效控制，导致底层楼板整体坍塌，如图1.大量震害调查表明，填充墙或抗震墙失效对结构整体有一定贡献，应合理增设抗震墙，进而提高底层的侧向刚度，控制底层框架和上部砌体之间的刚度，增强主要结构构件的整体变形协调.

图1 底层框架楼板严重坍塌

图2 过渡层严重破坏

2.2 过渡层破坏严重

底层框架与砌体结构交界处过渡层受力、传力不协调，底层设置抗震墙一定程度增大了底层刚度.对于未在底层设置抗震墙的结构，因底层分隔和维护需要设置了部分填充墙，在抵抗地震作用中一定程度上充当了抗震墙的作用，使得结构的软弱层向上转移，过渡层的破坏程度明显比其他层严重，如图2.甚至在平行于墙体方向的往复水平地震作用下出现过渡层局部墙体倒塌，底层框架受损较轻的现象.因此，应合理控制底层框架与过渡层的刚度比，设置构造柱和圈梁等，适当增强过渡层侧向刚度.

2.3 底层框架柱破坏严重

当竖向荷载过大而截面过小、混凝土强度不足时,纵筋压屈成灯笼状,柱内箍筋拉断或脱落,柱子失去承载力呈压屈破坏形式[3],如图3.节点柱顶受剪力和轴力复合作用，且箍筋配置不足或锚固不好，导致节点出现严重破坏.调查中发现，因底部框架-抗震墙砌体房屋具有“上刚下柔”的特点，该类结构破坏较严重的大部分未能合理设置抗震墙，纵横墙平面布置不协调，且墙体砌筑质量、砂浆、砖块和箍筋设置等都未能达到设计要求，使上部砌体结构与底层框架刚度比过大.因此，应严格按照抗震规范进行设计，并保证施工质量，从而提高结构整体性.

图3 底部框架柱严重损坏

2.4 抗震墙破坏严重

部分底部框架和上部砌体结构基本完好，但抗震墙破坏严重，甚至出现整体或局部倒塌的现象.由于钢筋混凝土梁柱组成的框架和砌体墙的力学性质不同，在水平和竖向地震作用下，框架梁柱、砌体墙以及楼屋盖不能很好地协同工作，部分构件可能受力集中，提前进入塑性状态或失效，如图4.但构件的倒塌在一定程度上起到了耗能减震的作用，对底层框架起到“第一道防线”的效果.因此，应考虑增强抗震墙与底层受力构件的联系，提高抗侧力能力，进而提高抗震性能.

图4 抗震墙倒塌

2.5 1999年以后经过抗震设计的底部框架-抗震墙砌体房屋基本完好

对都江堰市底部框架-抗震墙砌体房屋逐栋调查发现，1999年以后经过抗震设计的房屋底层顶板和过渡层底板一般采用现浇或装配整体式混凝土板，上部砌体结构采用装配式钢筋混凝土楼板的均在该层设置了圈梁，符合《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2001)要求，体现出良好的抗震性能，如图5.

图5 底框结构基本完好

3 砌体房屋分析

对都江堰市8 625栋房屋结构进行震害调查评定，按照规范GB/T 18208.3—2000，将房屋破坏划分为毁坏(5)、严重破坏(4)、中等破坏(3)、轻微破坏(2)和基本完好(1)等5个标准.根据实际震害调查现场，对震损等级分别用51、41、42、43、31、32、33、21和11来表示.为更准确描述实际震害情况，对严重破坏和中等破坏分别细分为(41，42，43)和(31，32，33).底部框架-抗震墙砌体结构有2 178栋，其中，倒塌80栋；严重破坏396栋(41为106栋，42为182栋，43为108栋)；中等破坏378栋(31为131栋，32为154栋，33为93栋)；轻微破坏227栋；基本完好1 097栋.

3.1 数据统计与数值分析

对都江堰市2 178栋底部框架-抗震墙砌体房屋的震害情况进行了统计与归纳.其中，50.3%基本完好；10.4%轻微破坏；13.1%中等破坏；18.2%严重破坏；8.0%毁坏[12-13].因数据样本离散性偏大，在选取拟合函数模型及拟合次数时存在方差过大、鲁棒性差和规律性差等现象，不能准确衡量该结构类型的震害特征.对大量数值进行polynomial三次拟合和Gaussian二次拟合[12]，所得非线性数值模型能连续逼近离散震损调查点，得到震损等级(RD)与震害调查数量(ND)之间的关系，如图6.

图6 震损等级与震害调查样本数量的非线性回归

运用Matlab数值分析软件分别对数据进行polynomial三次拟合和Gaussian二次拟合，并按照95%置信区间进行数值计算，分别得到震害调查数量NDP和NDG为

(1)

(2)

3.2 底部框架-抗震墙砌体房屋地震烈度评定

根据GB/T 17742—1999，对都江堰市2 178栋底部框架-抗震墙砌体房屋进行烈度评定及统计分析，表1为实际震害情况[12].选取多项式四次拟合模型(Ⅸ和Ⅺ区因回归因子异常，故降低一阶回归)和Interpolant-Shape preserving回归模型对该区域结构损伤离散点进行非线性回归，结果请扫描文末右下角二维码查看.在低烈度区与高烈度区，该类结构的震害损伤情况比较明显，轻微破坏、中等破坏过渡性比较好和拟合度较高.

3.3 不同烈度区震害评定与平均震害指数关系分析

震害指数是指将房屋震害程度用数字来表示，通常以“1.00”表示全部倒塌，以“0”表示无损，中间需要划分若干震害等级，用0～1.00之间的数字来表示.平均震害指数是指在一个建筑物群或一定地区范围内所有建筑物震害指数的平均值，即受各级震害建筑物所占的比率与其相应的震害指数的乘积之和[15].平均震害指数[16-17]为

(3)

其中，di为房屋破坏等级为i的震害指数；λi为破坏等级为i的房屋破坏比.

表1 实际震害情况[12]

表2为不同破坏等级与平均震害指数的上下限关系[15].结合都江堰各烈度区该类结构破坏数据及表2，运用回归分析原理进行模型拟合，结果如图7，得到了都江堰区域内该类结构的实际震害规律.拟合结果与GB/T 17742—1999烈度标准中所规定的震害指数基本吻合.

表2 不同破坏等级与平均震害指数的上下限关系[15]

图7 不同烈度区震害指数与烈度关系曲线

4 结 论

1)调查中发现，部分20世纪80年代的底部框架-抗震墙砌体结构因未在底层合理设置抗震墙或填充墙，导致底部位移过大，过渡层严重破坏，抗震墙或填充墙严重倒塌，但主体框架和上部砌体结构基本完好.大量1999年以后经过抗震设计施工的该类结构在大震中能够表现出较好的抗震性能.

2)通过对2 178栋底部框架-抗震墙砌体结构震害调查数据的分析与归纳，给出了震害调查样本与结构震损等级之间的关系.并结合实际震害调查的震损情况和该区域的平均震害指数，得到地震烈度等级与平均震害指数的一般关系.由于近场地震动、场地条件和断层破裂产生的地震动对底部框架-抗震墙砌体结构作用的方向效应十分复杂，应对场地进行进一步调查，结合地震动参数和强震观测记录等资料进行更为深入的研究.

致谢：文中运用的基础数据均来自中国地震局工程力学研究所都江堰震害调查小组及中国地震烈度标准研究课题组，在此表示衷心感谢！