多层建筑结构地震破坏倒塌机理新认识

罗若帆，郭迅，董孝曜，张钦哲

（1.中国地震局工程力学研究所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.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）

引言

虽然关于填充墙的研究开展较早，研究成果也较多，但较少系统地从实际震害的角度对结构整体进行探讨。汶川地震中，大量现代多层建筑破坏倒塌［2］。此后我国发生的多次破坏性地震，如2010年玉树地震［13］，2013年芦山地震［3］，2014年鲁甸地震［14］，2017年九寨沟地震［15］，2019年的长宁地震［16］，2021年漾濞地震［17］以及泸县地震中［18］，均有不少旧建筑和新建建筑发生极其严重的破坏。然而在历次破坏性地震的极震区均存在同类设防的部分多层建筑保存完好或仅发生轻微破坏。这表明现阶段对结构倒塌机理与抗倒塌能力的认识仍不够充分。文中选取多层建筑结构地震破坏的典型案例进行研究，依据对震害现象的调查和分析，提出结构地震破坏倒塌的“变形饱和”假说。根据我国典型多层建筑的结构形式及施工方式，设计了3组拟静力试验，验证多层建筑结构“变形饱和”破坏倒塌机理。

1 震害现象分析

为深入剖析结构及构件破坏原因，选取汶川地震、芦山地震、鲁甸地震及漾濞地震典型多层建筑为例，以地震剪力最大，破坏最严重的首层为研究对象，分析结构及各构件的震害现象及其原因。

1.1 “强柱弱梁”与“弱柱强梁”模式

汶川地震后北川新城防保中心通廊，梁由于上部空旷，无填充墙约束，仅单侧有楼板，最终梁端出现塑性铰，为“强柱弱梁”式的破坏［19］（图1（a））。在房屋建筑的实际震害中，由于填充墙、楼板等约束作用，极少出现“强柱弱梁”的破坏模式［20］。汶川地震后都江堰的一座临湖别墅，由于底层架空，2层以上存在大量填充墙，刚度突变导致首层成为软弱层，最终出现大量柱端塑性铰，2层以上基本不坏，形成“弱柱强梁”式的层屈服破坏［21］。该建筑首层因无填充墙约束，所有柱都具有较好的延性，结构整体运动位移并未达到倒塌极限位移，因此并未倒塌（图1（b））。北川禹荷花园酒店，地震发生时该建筑尚未砌筑填充墙，最终破坏程度较轻。由于楼板的约束作用，也未出现梁端破坏的情况，仅部分柱端形成塑性铰，梁柱节点区出现局部损伤（图1（c））。

图1 “强柱弱梁”和“弱柱强梁”机制Fig.1 Mechanism of strong column weak beam and weak column strong beam

1.2 脆性破坏模式

无论是“强柱弱梁”的破坏模式，还是“弱柱强梁”的层屈服破坏模式，构件的延性都能得到充分利用。然而在实际震害中，大量建筑的主要受力构件发生了脆性破坏。芦山地震后一座底商多层建筑，沿结构纵向的外侧第1道轴线上无填充墙的柱未发生破坏，第2道轴线上填充墙与柱组合体则出现脆性性质明显的剪切破坏（图2（a））。鲁甸地震后龙头山中学教学楼，走廊内侧的框架柱因半高填充墙的约束形成短柱，发生明显的剪切破坏（图2（b））。汶川地震后北川种子站，梁没有发生破坏，充分配筋的底层柱也未出现端部塑性铰，而是与填充墙组合后，发生严重的剪切破坏（图2（c））。

图2 结构构件的脆性破坏Fig.2 Brittle failure of structural compoments

1.3 表现好与表现差的结构对比

在历次地震的极震区，均同时存在发生严重破坏甚至倒塌的建筑和破坏轻微甚至完好无损的建筑。北川电信局宿舍相邻的一栋底商多层建筑，首层的纵向第1道轴线无墙体，其余轴线上则存在大量开洞填充墙，该建筑首层发生沿街道方向的倒塌（图3（a））。北川电信局宿舍是典型的砌体结构，纵向第1道轴线因增加了翼墙，3道轴线的墙柱分布较为接近，震后近乎完好（图3（b））。映秀镇漩口中学教学楼，纵向第1道轴线由空旷的外廊柱组成，第2、3道轴线由带填充墙的框架柱组成，发生了叠瓦式的倒塌（图3（c））。漩口中学教学楼之间的连廊建筑，底层无填充墙，出现柱端塑性铰，因充分发挥了柱的延性，并未倒塌（图3（d））。漾濞地震后花椒园小学教学楼，其建筑形式与漩口中学相似，部分构件发生了不同程度的破坏（图3（e））。与花椒园小学教学楼平行的一栋宿舍楼，填充墙在纵向3个轴上的分布比较均匀，震后完好无损（图3（f））。

图3 表现好与表现差的结构Fig.3 Structures performed well and badly

同一建筑中，不同特征的构件也存在严重破坏和基本完好的情况。鲁甸龙头山中学教学楼纵向第1道轴线上无填充墙的框架柱几乎完好，仅部分柱的装饰层发生脱落，而第2道轴线上的墙柱组合体则出现了严重的脆性破坏（图4（a））。芦山县的一栋底商建筑，纵向第1道轴线的柱完好无损，第2道轴线的墙柱组合体则出现了严重的脆性破坏（图4（b））。

图4 表现好与表现差的构件Fig.4 Components performed well and badly

对未倒塌的建筑震害调查发现，大多数建筑横向多道满砌填充墙均未破坏，或因结构整体的纵向运动而发生出平面的破坏。纵向不带墙体的柱均未发生破坏，而墙柱组合构件则发生明显的脆性破坏。选取2021年5月21日漾濞地震后的花椒园小学教学楼和宿舍楼为代表进行剖析（图3（e）、（f））。

全面贯彻落实“三条红线”，编制完成《太湖流域水量分配方案》并通过了水利部审查，启动新安江水量分配方案编制工作,认真做好最严格水资源管理制度考核、评估各项准备工作；完成水资源监控能力年度建设任务，部分站点已投入运用；积极推进上海迪士尼等重点项目取水许可管理，加强水资源论证，许可项目水量平均核减15%左右,组织完成节水型社会建设试点中期评估和验收有关工作；《太湖流域水功能区管理办法》经水利部印发实施，有力促进了太湖流域的水功能区监督管理工作。

花椒园小学3层钢筋混凝土框架结构教学楼和宿舍楼的首层3维示意图如图5（a）、（b）所示。由图5可知，2栋建筑横向分别有5片和6片不开洞横墙，刚度和承载力均较高，且各轴构件刚度和承载力较接近，地震作用下各轴构件内力分配均匀，并未发生破坏。因多道横墙的约束，结构的扭转效应也很小。而纵向仅3道轴线，因使用功能需要，需大量开洞，刚度与承载力大大降低，在楼板的带动下，结构发生较明显的纵向平动。由于楼板和梁没有破坏，各竖向构件的顶点位移基本相同。因此可将各特征构件的本构关系示意曲线在同一坐标系下进行对比，如图6（a）所示。以教学楼的纵轴为例，第2道轴线门窗间墙因承载力低、极限位移小而先行破坏（图3（e））。带填充墙的混凝土柱，因刚度大，变形能力小，率先达到开裂位移而出现墙柱整体的剪切裂缝（图3（e））。第1道轴线和第3道轴线的构件均尚未达到其开裂所需位移。宿舍3个轴的构件均带填充墙，刚度和承载力较均匀，各轴构件均匀分担地震剪力，结构运动位移并未达到构件开裂所需位移，因此宿舍完好无损。

图5 花椒园小学教学楼和宿舍3D示意图Fig.5 3D views of teaching building and dormitory of Huajiaoyuan elementary school

图6 剪力－位移关系示意图Fig.6 Schematic diagram of shear force-displacement relationship

将2个建筑各轴线上主要特征构件的本构关系示意曲线绘制在同一坐标系下，如图6（b）所示。可知，教学楼第2道轴线均为脆性性质明显的构件，在小位移下已经出现斜裂缝，而第1和第3道轴线上的构件承载力低、延性好，尚处于承载力和位移的初始阶段。若承受更大的地震力，第2道轴线的大量构件将首先发生严重的脆性破坏，进而可能直接导致结构倒塌，因脆性构件的极限位移极小，此时其余各轴构件的延性无法得到发挥，同时也未能贡献出最大的承载力。而宿舍楼3个轴线刚度和承载力较为接近，各轴构件可较为均匀地发挥其承载力贡献，结构总承载力较大。与教学楼相比，更不容易发生破坏和倒塌。

2 “变形饱和”假说

基于对多层建筑的震害调查与分析，发现大多数建筑因使用功能的要求，具有相似的墙体分布模式。因分隔空间需要，横向存在数量较多的不开洞填充墙，而纵向轴线填充墙较少，且大面积开洞，开洞程度和位置各不相同。由于横向各轴构件的刚度及承载力非常均匀，通常不会首先破坏。笔者对未倒塌的建筑进行了实际震害的调查，调查结果显示纵向墙柱发生不同程度破坏的同时，横墙均未发生破坏［17］。在多道不开洞横墙的约束下，扭转效应也很小。王波等［22］开展了振动台试验，监测了结构沿长边方向两侧的横向位移，监测结果显示两端位移计的信号基本重合，表明结构未发生实际的扭转。因此承载力薄弱的纵向将首先发生破坏，刚度大、变形小的构件成为结构破坏和倒塌的触发点，重力作用成为结构倒塌的最终条件。据此提出结构地震破坏倒塌的“变形饱和”假说。

“变形饱和”定义为结构中部分构件达到其变形极限时，将首先发生破坏，一定数量的构件破坏后，竖向受力构件将因无法承受结构整体的重力作用而发生倒塌，其余高延性构件的延性无法得到发挥，也不能贡献其最大承载力。图7（a）所示为纵向各轴存在承载力高、变形小的强脆构件及承载力较低、延性较好的弱延构件混搭的结构。强脆构件因刚度大，内力高倍凝聚，当达到其变形极限时，发生小变形的脆性破坏。一定数量的脆性构件破坏后，容易直接引起结构的倒塌。此时延性较好的构件仅贡献了极限承载力的一部分，良好的延性更是无法发挥出来。由于填充墙的存在及其相似的分布规律，此类结构数量较多，在较强地震作用下非常容易发生破坏和倒塌。典型的学校外廊式教学楼、底商多层建筑均属于这种类型。图7（b）所示为纵向各轴大部分构件均为弱延构件的结构，所有构件的延性均能得到发展，饱和点可定义为位移极限点，结构运动位移易达屈服点，但难以到达极限位移，不易倒塌。底层架空的结构则属于这种类型。图7（c）所示为大部分构件均为强脆构件的结构，因刚度和承载力分布均匀，总承载力极高，通常也较难达到饱和点。学校内廊式教学楼、纵向第一道轴线带翼墙或翼柱的底商建筑及其他墙体在各轴线上分布均匀的建筑则属于这种类型。

图7 变形饱和机制示意图Fig.7 Schematic diagram of deformation saturation mechanism

图1～图4所展示的实例中，电信局宿舍相邻底商建筑（图3（a））、漩口中学教学楼（图3（c））、漾濞花椒园小学教学楼（图3（e））、鲁甸龙头山中学教学楼（图4（a））及芦山底商建筑（图4（b）），均存在刚度不一致的竖向构件。此类建筑属于图7（a）所示的类型。

都江堰临湖别墅（图1（b））、北川禹荷花园酒店（图1（c））及映秀漩口中学连廊建筑（图3（d））均为首层无填充墙的建筑，所有柱子都能发挥其延性，柱端出现塑性铰，但均未倒塌。其中禹荷花园酒店因尚未完工，全楼均无填充墙，自重较轻，破坏程度也相对较轻。此类建筑属于图7（b）所示的类型。

北川电信局宿舍在外侧轴线的柱上设置了翼墙，从而各轴构件刚度相近，地震力分配较为均匀，在巨大的地震力下，相邻建筑已经倒塌，此建筑近乎完好（图3（b））。花椒园小学宿舍也因各轴墙体分布较为均匀，刚度和承载力相近，震后完好无损（图3（f））。此类建筑属于图7（c）所示的类型。

3 实验验证

3.1 实验设计

震害调查发现，破坏严重及保存完好的大量多层建筑中，主要存在3种不同特征的竖向受力构件。第1种是无填充墙的钢筋混凝土柱构件，主要存在于外廊式教学楼的外廊柱、底层商铺建筑外侧大开间形成无填充墙的柱及存在架空层的底层框架柱。第2种是先施工钢筋混凝土柱后砌筑墙体的构件，主要存在于框架结构中因开门窗洞口所形成带填充墙的框架柱。第3种是先砌墙体留马牙槎再施工钢筋混凝土柱的构件，主要存在于砌体结构及采用这种施工工艺的框架结构和混合式结构。

考虑结构形式及施工方式，设计了3组比例为1：4的平面框架模型，分别为无墙框架模型（PF）、后砌墙框架模型（LW）和先砌墙框架模型（FW）。模型详细尺寸和配筋方式如图8所示。为满足缩尺构件合理配筋率和粘结强度的要求，柱钢筋采用AQ100GJC型低屈服点钢，实测屈服强度为154.2 MPa，混凝土抗压强度为15.6 MPa。墙体采用50 mm厚小型灌浆砌块砌筑，实测砌块抗压强度为8.3 MPa，砌筑砂浆抗压强度为6.1 MPa。设计梁尺寸大于柱尺寸，以模拟梁－梁上填充墙－楼板组合体所形成的大刚度，以确保梁不发生破坏。实际工程结构在同一轴线上具有多个构件经由楼板和梁并联而成，为更准确模拟构件的受力情况，在平面内设置了3个相同特征构件组成两跨，LW模型和FW模型的边缘设置窗下墙和钢筋混凝土短柱来模拟边界条件。根据典型多层建筑首层竖向构件实际受力情况，设计轴压比为0.3。为保证轴向荷载的稳定性，制作了两榀相同的平面模型，通过盖板连接在一起，盖板上通过配重铁块进行堆载。这种方式可无需考虑千斤顶的摩擦力误差，同时可保证竖向荷载始终保证恒定不变。3组实验模型如图9所示。

图8 实验模型尺寸和钢筋布置（单位：mm）Fig.8 Test model frame dimensions and reinforcement arrangement（Unit：mm）

图9 拟静力试验模型Fig.9 Pseudo static test models

3.2 破坏模态

无填充墙的框架模型由于没有填充墙的约束，呈现典型的双曲变形，最终形成柱上下端塑性铰的延性破坏，破坏模态如图10（a）所示。带后砌墙的框架模型由于窗下具有大刚度的连续填充墙，窗下墙构成上半部分窗间墙柱的嵌固端，窗间墙柱组合体首先出现剪切裂缝，随着荷载的增大，墙柱之间有分离趋势，最终钢筋和混凝土之间发生粘结破坏，破坏模态如图10（b）所示。带先砌墙的框架模型由于马牙槎的咬合作用，窗间墙柱结合效果较好，构件变形更小。达到峰值荷载时，交叉斜裂缝不断开展，墙柱组合体发生剪切破坏，模型毫无预兆直接倒塌，倒塌前破坏模态如图10（c）所示。

图10 破坏模态Fig.10 Failure modes

3.3 荷载位移关系

3个模型的滞回曲线如图11所示。无填充墙的框架模型滞回性能表现为承载力较低，但延性和耗能能力较高（图11（a））。带后砌墙的框架模型承载力较高，延性较差，除填充墙与柱组合体水平方向的承载力贡献外，结构沿水平方向运动时，梁的位置也同时不断下降，填充墙提供的竖向支撑阻碍梁的下沉。位移增大的过程中曲线有明显的上扬，即后半段刚度不断增大，这是墙体对梁的反作用力不断增大的体现。这也是滞回曲线显著捏缩，且捏缩程度远大于无填充墙框架模型的主要原因（图11（b））。带先砌填充墙的框架模型因通过马牙槎与混凝土柱紧密结合，组合效应最大。从滞回曲线可以看出，因墙柱始终紧密结合，后期未出现明显分离趋势，构件刚度下降较慢，承载力最高，极限位移最小（图11（c））。

图11 滞回曲线Fig.11 Hysteretic curves

为体现同一结构中不同特征构件组合的情况，将3个模型的骨架曲线绘制于同一坐标系下，如图12所示。以这3个实验模型作为结构中3种特征构件的代表进行组合。根据图1～图4所代表的大量实际工程案例，分别考虑3个PF构件组合、3个FW构件组合、2个PF构件和1个FW构件组合、2个PF构件和1个LW构件组合4种工况。PF构件由于具有较好的延性，取承载力下降到85%时的位移为极限位移，FW和LW构件脆性性质明显，以承载力最大值所对应位移作为极限位移。不同特征构件组合后，以最小位移为该结构的极限位移，以最小位移所对应的各构件荷载之和作为结构的极限承载力。对组合后的最大承载力和最大位移为基准进行归一化。组合数据见表1，归一化承载力和位移对比见图13。

表1 特征构件组合Table 1 Combination of characteristic components

图12 骨架曲线Fig.12 Skeleton curves

图13 归一化承载力和位移Fig.13 Normalized capacity and displacement

工况1代表所有构件均为弱延构件的结构，组合后的归一化承载力最低，仅为0.26，但极限位移极大，为1.0。这类型的结构虽然承载力不高，在大震下容易屈服，但延性能得到较大程度的发挥，难以达到结构倒塌所需的位移，不容易发生倒塌。都江堰临湖别墅（图1（b））、北川禹荷花园酒店（图1（c））和漩口中学连廊建筑（图3（d））即为此类型建筑。

工况2为绝大部分构件均为强脆构件的结构，组合后的归一化承载力最高，为1.0，但极限位移最小，为0.25。这类型的结构各构件刚度和承载力分布均匀，总承载力高，虽极限位移小，但因承载力极高而不易发生破坏。北川电信局宿舍（图3（b））即为此类型建筑。

工况3代表部分构件为弱延构件，部分构件为先砌墙后浇柱的强脆构件混搭的结构，承载力为0.47，极限位移为0.25，结构极限位移受到一定数量的强脆构件控制，且因存在一定数量的弱延构件，结构总承载力不高。这类型的结构在大震下容易发生破坏甚至倒塌。芦山底商建筑（图2（a））、北川种子站大楼（图2（c））和北川电信局宿舍相邻底商（图3（a））均为此类型建筑。

工况4代表部分构件为弱延构件，部分构件为先浇柱后砌墙的强脆构件混搭的结构，承载力为0.32，极限位移为0.44，与工况3类似，因存在混搭的情况，结构总承载力不高，极限位移也不大。这类型的结构在大震下同样易发生破坏甚至倒塌。鲁甸龙头山中学教学楼（图2（b））、映秀漩口中学教学楼（图3（c））和花椒园小学教学楼（图3（e））即为此类型建筑。

4 结论

（1）多层建筑结构实际震害中，由于填充墙和楼板的组合作用，“强柱弱梁”的破坏模式难以实现，部分建筑发生“弱柱强梁”的层屈服破坏模式，但引起倒塌的实例也相对较少。震害严重的建筑中，大多数均存在纵向各轴构件刚度差异较大的情况，刚度大的构件分配内力大，因变形能力小而率先发生脆性破坏。而保存完好的建筑中，各轴构件刚度较为接近，可均匀分配内力，且结构总承载力较高。

（2）基于震害调查和分析，发现大部分多层建筑的横向刚度及承载力均高于纵向，且横向各轴构件刚度和承载力较为接近，不会首先发生破坏。多道横墙的约束下，结构难以扭转。破坏将首先发生于各轴构件刚度不均匀的纵向。由此提出结构地震破坏倒塌的“变形饱和”假说，部分构件因刚度大、变形能力小而率先破坏，成为结构破坏和倒塌的触发点。由此可解释实际震害中结构各构件破坏的先后顺序，以及结构倒与不倒的原因。

（3）根据实际工程中主要存在的3种特征构件，设计验证性实验。无墙框架柱构件的承载力低，但变形能力极高，耗能能力强；后砌墙柱组合构件因墙体水平向和竖向的刚度及承载力贡献，刚度较大、承载力较高，但变形能力较差；先砌墙柱组合构件因墙柱紧密结合，大大地提高了刚度和承载力，同时变形能力则更差。

（4）通过3种特征构件的组合验证“变形饱和”的破坏倒塌机理。刚度小、延性较好的构件组合，承载力虽然较低，但具有良好的延性，可依靠延性耗能；刚度大、承载力高的构件组合，延性虽差，但承载力极高，可依靠承载力硬抗；不同刚度和延性的构件混搭，承载力不高，变形能力较小，容易发生破坏及倒塌。