泸定6.8级地震城镇居住建筑典型震害及启示*

彭志桢, 吴小宾, 潘 毅, 陈 齐

(1 中国建筑西南设计研究院有限公司，成都 610042；2 西南交通大学土木工程学院，成都 610031；3 西南交通大学抗震工程技术四川省重点实验室，成都 610031)

0 引言

近年来,四川省地震频发。据中国地震局数据,2009年至2022年底,四川省陆续发生了40余次5.0级及以上的地震。2008年以后的几次6.0级以上地震均发生在四川省内西部的山区及中小城市。受经济发展限制,这些地区农村及城镇建筑中依然还存在大量自建房,其缺乏正规的抗震设计和有效抗震构造措施,几次强震都引起村镇建筑出现显著的震害,也对城镇建筑尤其是老旧房屋造成了不同程度的破坏[1-2]。在当前全国各地十分重视城市更新,正有序地推进城镇老旧小区改造工作的背景下,调查城镇居住建筑的震害十分必要。地震发生后,课题组第一时间赶赴地震现场参与应急救援和灾损评定工作,详细调查了泸定6.8级地震灾区多栋城镇居住建筑的震害情况,并分析了震害特征,提出了对应的设计建议,有助于给既有房屋改造或抗震加固提出行动方向,并对韧性城镇建设、减轻灾害等提供启示。

1 震害调查概述

2022年9月5日12时52分,四川省甘孜州泸定县发生6.8级地震。震中位于泸定县磨西镇(北纬29.59°,东经102.08°),震源深度16km。根据中国地震局发布的“泸定6.8级地震烈度图”[3],泸定地震波及的遭遇烈度为6度及以上的地区面积达到19 089平方千米,涉及四川省3个市州12个县(市、区),82个乡镇(街道),最高遭遇烈度为9度,包括甘孜藏族自治州泸定县和康定市等27个乡镇(街道)。位于震中的磨西镇为9度设防烈度,本次地震遭遇烈度也为9度,震害明显,并出现较多的典型震害建筑,故以磨西镇及周边城镇的居住类建筑为主要调查对象,调查范围见图1。这些建筑离震中距离10～40km。

图1 泸定6.8级地震烈度图及城镇居住建筑调查分布

根据现场调查,这些城镇居住建筑的主要结构类型为多层框架结构和砌体结构,还包括少量底层框架砌体结构、框架-剪力墙结构和剪力墙结构。现场调查表明新建的居住建筑,无论是框架还是砌体结构都经受住了地震的考验。出现震害的居住建筑多为2～6层砌体结构及6～10层的框架结构。这些框架结构震害中,未发现倒塌,主体结构的梁、柱及节点震害较少,但楼梯、填充墙及非结构构件的震害较为普遍,且受损程度总体上自下而上降低。本次地震中,砌体结构震害较框架结构普遍严重,少量建筑整体垮塌及明显倾斜,部分建筑中的砌体墙破坏较为显著。本次地震中的城镇居住建筑的震害与历次地震有类似之处[4-7],但个别位于特殊地理位置上的建筑出现构造柱错位折断、冲破楼板等新的震害特点。

2 框架结构典型震害

2.1 框架结构震害特征

钢筋混凝土框架结构具有结构形式简单、建筑平面布置灵活等特点,在四川省多层城镇建筑中应用广泛。本次地震中,框架结构房屋主要震害特征为个别建筑整体倾斜,少量建筑底层梁柱出铰、梁柱节点损伤,低区楼梯及隔墙破坏较为普遍,少量屋顶非结构构件破坏等。

框架结构未发现整体倒塌,但个别结构出现整体倾斜。如磨西镇海管局宿舍楼用防震缝脱开,形成了3栋框架结构。3栋框架结构的底部框架在地震作用下均出现明显震害,且中间1栋底层向右倾斜明显,见图2。这是因为该类建筑底层一般为商业,层高较高,2层及以上为住宅;这种建筑布局导致底层与相邻上层层高差异较大,在地震下易形成软弱层,使底层框架柱上柱端出铰,引起结构整体发生明显的倾斜变形。

图2 海管局宿舍楼6层框架结构底层倾斜

本次地震中,框架柱发生破坏较少,其主要震害集中在柱顶及柱脚。柱端出现典型的压弯破坏,见图3(a)和图3(b),柱顶出现弯剪破坏,见图3(c)。这是由于地震下框架柱端受力复杂,承受压力、剪力和弯矩的共同作用,在薄弱部位先破坏。个别框架柱出现顶节点压溃,节点处的柱纵筋外鼓,节点处混凝土大面积脱落的震害,形成“弱节点、弱柱”现象,见图3(d)。这是由于框架角部节点受力复杂且柱节点处箍筋配置不足,无法对纵筋及混凝土形成有效约束,且梁板实际共同工作的整体刚度远大于柱刚度等因素造成。

图3 框架柱端的典型破坏形态

历次地震中,“强梁弱柱”现象[6-8]比较普遍;此次泸定地震中,城市居住建筑中框梁破坏情况相对较少。主要震害表现为个别框梁的梁端上下均出现明显斜裂缝,见图4。图中出现“强柱弱梁”的屈服机制,除了柱配筋可能进行了设计加强外,还可能是该柱两侧有完整紧密连接的填充墙间接增加了柱的整体刚度,在地震往复作用下,相对较弱的梁端出现反复的弯剪受力进而出铰破坏。这也间接说明,填充墙在结构中的位置及连接方式不同,对结构的影响也不同,因而通过乘以一个整体折减系数考虑填充墙刚度影响对梁柱进行承载力设计可能不符合地震下的真实受力情况。

图4 框架梁端的典型破坏形态

楼梯震害主要表现为梯板破坏、梯梁破坏,与汶川地震情况类似[9]。此次地震中,部分梯板出现水平裂缝,见图5(a);部分梯梁的梁中及梁端出现剪扭破坏,见图5(b)。这主要是由于大部分受损居住建筑未严格执行《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[10]中关于框架结构中的楼梯应带入结构整体模型计算,或者采用可滑动分离式的构造连接的条文规定导致的。相比于楼梯带入整体结构计算模型中导致周边构件配筋及截面的加大,设计框架结构中的楼梯时往往优先采用滑动分离式构造措施。

图5 楼梯典型破坏形态

泸定地震框架结构中填充墙破坏依然较为普遍,其中烧结普通砖、页岩空心砖、加气混凝土砌块或混凝土空心砌块等类型的填充墙材料均有震害,其主要震害特征表现为底层墙体坍塌,见图6(a);沿裂缝线的块体垮塌或错位,见6(b);填充墙由于剪切破坏产生X形裂缝,见图6(c);填充墙未设置有效构造措施如构造柱或圈梁等产生的连接破坏,见图6(d)。由此可知,填充墙在地震中先行破坏,已成为第一道抗震防线。

图6 填充墙典型破坏形态

地震中框架结构屋架及女儿墙破坏总体较轻,如某斜屋架屋脊处出现掉瓦,见图7(a),而其主体结构破坏较为轻微;女儿墙的端部位置出现开裂,抹灰掉落,见图7(b)。这是由于建筑端部墙体受力复杂以及局部位置缺失必要的构造措施。

图7 屋架及女儿墙典型破坏形态

2.2 某高层住宅震害分析

2.2.1 工程概况

金山花园作为典型的高层钢筋混凝土框架结构,其震害特征较为完整,具有代表性。金山花园为拆迁安置小区,建造时间约为2016年,位于磨西镇民俗风情街与茶马巷交汇处附近。该建筑地下1层,地上9层。其中,1～2层为商业,3～9层为住宅。建筑的商业层高大于5m,显著高于住宅标准层层高(约3.2m),立面示意见图8(a)。住宅平面短边4跨,长边约8跨,典型柱截面尺寸约800×800～700×700,框架梁梁高约600～800mm。该楼遭遇9度烈度后的外观实景见图8(b)。

图8 金山花园立面示意及震后外观

2.2.2 震害情况

该高层住宅框架结构主体结构相对完好,未发现框架柱出现明显屈服或破坏。其中,地下1层即地下室的震害较轻,主要震害为2层的个别框架梁破坏,1～3层的填充墙、楼梯及楼梯隔墙破坏随着楼层高度的增加逐渐减轻。

从地下1层往上调查发现地下室梁柱未见明显破坏,仅少量隔墙抹灰局部脱落,见图9。地上框架柱未见明显破坏,2层的个别框架梁出现斜裂缝,见图10。

图9 地下室梁柱震害

图10 2层框架梁端出现斜裂缝

填充墙在1～3层破坏较严重。因底层层高较高,外围隔墙由于内外隔墙交界处未设置构造柱,导致地震下隔墙出现拉裂并错位,见图11(a)。也发现设置圈梁和连系梁的某内隔墙在地震中并没有垮塌甚至没有出现贯通裂缝,仅抹灰出现掉落,见图11(b)。该工程室内填充墙主要为页岩空心砖和大体积混凝土空心砌块两种。1～3层顶部与梁采用烧结普通砖斜砌压顶的页岩空心砖墙体出现大量斜裂缝,见图11(c)。大体积混凝土空心砌块主要用于户内隔墙,采用咬合砌筑。空心砌块与框架梁柱留有水平竖向缝隙脱开,类似柔性连接,其墙体主要震害表现为墙体抹灰掉落,见图11(d)。

图11 填充墙典型震害

1～3层的楼梯震害较为显著。地下室楼梯周边隔墙虽没有明显破坏,而地下1层楼梯通道堆满了1～2层掉下来的抹灰及砌块,增加了通行的阻力,影响了人员疏散及安全逃离,见图12(a)。1～2层之间楼梯震害最为严重,隔墙砌块及抹灰出现大面积掉落,梯梁的梁端及中间部位破坏严重,梯板局部也出现混凝土脱落,见图12(b)和图12(c)。2～3层梯段堆积物减少,3层梯梁出端部出现局部破坏,见图12(d)。

图12 楼梯典型震害

2.2.3 震害分析

该高层建筑位于9度区,为9层的钢筋混凝土框架结构,明显超过现行规范[10]允许的框架结构的24m高度限值,且其梁柱截面尺寸总体偏小,会引起地震下的结构楼层位移及层间位移增大。因此,地震下建筑1～3层的相对变形较大,是1～3层填充墙及楼梯出现较大破坏的主要原因。地下室结构受挡土墙及周边土约束,地震下的水平位移小,各构件水平受力也较小,因而震害较轻。

底层部分墙体未按规范要求设置构造柱及水平连系梁以及页岩空心砖的隔墙顶部采用类似刚性连接方式,吸收的大量地震力也是造成填充墙破坏的重要原因。相比之下,空心砌块墙体震害相对较轻是因为其与框架梁柱采用类似柔性连接,吸收地震力相对较小,且干砌咬合的空心砌块之间可通过相互间的摩擦耗能。

1～3层楼梯及周边隔墙破坏较为严重,这是由于该工程楼梯设计上存在明显瑕疵。现场调查表明,梯梁高约400mm,且配筋不大,可推测结构模型计算时未反映楼梯作用,也未采用分离式楼梯构造[10];楼梯填充墙没有采用钢丝网砂浆面层加强及构造柱加密等措施。

3 砌体结构典型震害

3.1 砌体结构震害特征

砌体结构因其良好的经济性及成熟的建造经验,在小城市(城镇)得到广泛运用。本次地震中砌体房屋主要震害特征为少量建筑整体垮塌及明显倾斜,部分建筑中的纵横墙裂缝包括构造柱破坏,尤其是窗间墙破坏较为普遍。

调查发现,少量未严格按现行规范设计的砌体结构自建房出现整体破坏,且均在底层首先垮塌。单栋砌体房屋整体垮塌,见图13(a),这是由于砌体结构楼层数量达到5～6层,超出规范限值,地震下的纵横承重墙体受力急剧加大,出现大面积破坏,无法继续支承上部结构,引起结构整体垮塌。个别砌体房屋还产生倾斜式倒塌,见图13(b),这是由于砌体结构在平面上的薄弱环节或者角部位置首先出现破坏,导致整体倾覆。

图13 砌体结构倒塌的破坏形态

本次地震中,出现震害的砌体结构的墙体普遍采用烧结普通砖,破坏形态各异。砌体结构外墙破坏位置主要集中在窗间墙,见图14;内墙破坏主要集中门洞周边的位置,见图15,其震害特征主要表现为剪切斜向交叉裂缝,同以往震害特征类似[1-2,6]。位于外围的楼梯砌体墙体也出现了不同程度破坏,主要表现为墙体外鼓和接近坍塌破坏,见图16(a),这由于墙体未设置构造柱约束墙体;而墙体端部设置的构造柱在中部出现拉弯破坏,见图16(b),这是因为楼梯外围端部位置的墙体在地震作用下受力复杂。

图15 砌体内墙典型震害形态

图16 楼梯砌体墙震害

3.2 某多层员工宿舍

3.2.1 工程概况

某多层员工宿舍为典型的砌体结构,其地理位置特殊,震害特征较为新颖。该建筑位于磨西镇海螺沟冰川森林公园(东门)附近,主要包括3层的员工宿舍兼作办公楼,2层的实验楼及1层的辅助用房。该项目建设地点位置位于磨西镇冰水堆积台地岸坡,员工宿舍背面及侧面距离岸坡悬崖较近,其下是河谷及高陡的坡地,高差达到120m,项目的建筑布局,见图17。员工宿舍楼约1993年启用,2003年加固改造增加了一层,共有3层,采用坡屋盖,平面呈长方形,长约32.4m,宽约11.4m,承重墙采用烧结普通砖,厚度为240mm,钢筋混凝土构造柱尺寸为240mm×240mm,墙体平面及构造柱结构布置见图18(根据现场情况估计)。员工宿舍楼正门入口有门厅,围绕2层楼面位置设置有一圈突出建筑的钢筋混凝土圈梁。根据现场调查,该结构进行过改造,在主体结构右侧旁增设了钢结构楼梯,通道连接屋顶右侧的大会议室。

图17 员工宿舍楼建筑布局

图18 员工宿舍楼结构1层平面图

3.2.2 震害情况

震害调查表明员工宿舍楼的周边未发现地震引起的土层松动,结构未出现局部不均匀沉降及地基基础破坏的迹象。员工宿舍楼发生底层垮塌,主要破坏发生在底层的承重砌体墙。

本次地震中,宿舍楼整个上部结构向左前方偏离,整体破坏形态见图19(a);右侧钢楼梯支承屋面的顶部钢柱被压弯,屋面下的钢楼梯框架没有明显的损伤,见图19(b)。大部分构造柱被压溃或折断错位,见图20(a)～(d),室内3个构造柱将楼板冲切破坏,见图20(e)。门厅柱上部节点区域混凝土被拉脱,而门厅柱脚没有破坏,见图21。主要因为门厅梁相连的构造柱被压溃后,门厅楼盖梁及楼板翘起,对前排门厅柱产生一个显著拉力及局部弯矩,而柱钢筋锚固不足,造成柱上节点区混凝土及钢筋拉脱。

图19 员工宿舍楼整体破坏形态

图20 底层构造柱破坏形态

图21 门厅破坏形态

员工宿舍楼1～2层的楼梯破坏严重,见图22(a),2层及以上的墙体未见倒塌,仅出现一些裂缝,见图22(b)～(d);靠近钢楼梯的山墙与屋盖拉脱,山墙左右侧洞口间的墙体出现明显的水平裂缝,见图22(e)。

图22 员工宿舍楼室内破坏形态

办公楼右侧的辅助用房更靠近悬崖,在地震作用下,其木屋盖垮塌且砌体承重墙体出现水平裂缝,见图23。距离宿舍楼对面约60m的2层实验楼,主体较为完好,室内梁柱未发现显著破坏,见图24。

图23 辅助用房屋盖垮塌及墙体出现水平裂缝

图24 实验楼梁柱未见破坏

3.2.3 震害分析

3栋建筑相隔不远,其破坏程度不同,除房屋施工质量及使用状况等因素外的另一个重要因素是受场地效应的影响。受场地限制,住宿楼及辅助用房建在两面临边坡较近的角部位置,属于抗震不利地段[10]。从宿舍楼底层整层压垮,辅助用房墙体出现水平裂缝及木屋面整体垮塌等震害分析可知,该场地中的地震作用尤其竖向地震显著增大。在放大的地震作用及显著的竖向地震反复作用下,底层承重墙及构造柱拉裂,导致结构产生显著的水平变形,加速了底层竖向构件的倾斜或折断,使得底层竖向构件无法承担或传递竖向重力荷载,造成底层承重墙体及构造柱整体错位压垮。这表明传统无筋砌体结构抵抗向上的竖向地震作用能力不足,也反映了建设工程场地选址的重要性和复杂性。

4 结论及建议

泸定地震发生在地形、地貌复杂的山区,通过分析震中附近的典型居住建筑的震害特征,得到以下结论及建议:

(1)城镇居住建筑震害主要集中于未严格按规范设计的老旧居住建筑底部1～2层,再次验证现行规范[10-11]按结构类型控制结构高度及楼层数量、加强底部薄弱层设计、框架采用滑动分离式楼梯的构造措施等规定的必要性。建议城市更新或老旧小区改造时加强相关建筑按现行规范执行情况的排查,并进行相应改造。

(2)在此次地震中,框架结构中隔墙采用刚性连接方式相较于柔性连接方式的震害更严重。建议框架结构隔墙采用柔性连接方式或采用便于替换改造的轻质墙板隔墙,以减轻其震害。

(3)在此次地震中,发生了少量砌体结构倒塌。这暴露出砌体结构抵抗竖向地震作用能力不足,而现行规范对砌体结构竖向地震作用的规定较少。建议严格控制砌体结构高度及楼层数,并复核罕遇地震下砌体墙体及构造柱等竖向构件的抗拉承载能力,而9度区的砌体结构宜优先采用配筋砌块砌体墙。

(4)在此次地震中,位于河岸和边坡、边缘等抗震不利地段的建筑震害明显大于有利地段的建筑。建议场地选址时,尽量避免抗震不利以及容易引起次生灾害的地段。若不可避免时,对重要的建筑宜进行工程场地的地震安评来确定地震作用。

(5)在此次地震中,居住建筑的非结构构件破坏非常普遍,给灾后恢复带来了困难,建议灾区重建体现韧性城市设计理念,按合适的抗震韧性目标值进行规划或设计。建议地震频发区的砌体结构可采用造价低廉、构造简单、施工方便的隔震砖[12]来提高砌体结构的抗震性能;而框架结构可引入减震技术,采用具有消能减震作用的墙板[13]替代部分填充墙,减小地震作用,并保护其他填充墙。

致谢：感谢四川省住房和城乡建设厅、四川省应急厅、四川省减灾专家委员会、四川省地震局、甘孜州应急管理局、泸定县住建局、泸定县应急管理局等单位和同志提供的帮助,感谢在本次震害调查过程中给予支持的各个单位!