1、从汶川地震看结构抗震设计的思考一、汶川地震原因由于印度板块向亚洲板块俯冲，造成青藏高原快速隆升。高原物质向东缓慢流动，在高原东缘沿龙门山构造带向东挤压，遇到四川盆地之下刚性地块的顽强阻挡，造成构造应力能量的长期积累，最终在龙门山北川映秀地区突然释放。汶川属于浅源地震。汶川地震不属于深板块边界的效应，发生在地壳脆韧性转换带，震源深度为 10 千米20千米，因此破坏性巨大。图 1 中国地处世界上两个最大地震集中发生地带图 2 图像显示汶川 512 大地震产生的变形图 3 龙门山断裂带构造位置图二、汶川地震实况照片2.1 山崩地裂图 4 山崩（分别为地震前后照片） 图 5 地裂 2.2 房屋倒塌图
2、6 往日繁华的北川县城变成废墟一片框架破坏特征：1）填充墙破坏严重；2）梁柱节点砖混结构破坏特征：交叉裂缝墙体破坏，墙体水平竖向机制破坏；门窗洞口上下的斜裂缝；整体水平剪断整体水平裂缝，丧失水抵抗力，存在竖向承载力不均匀沉降房屋倾斜。2.3 桥梁断裂，隧道垮塌图 7 桥梁断裂 图 8 109 隧道垮塌2.4 车毁人亡图 8 车辆（汽车、火车）被埋2.5 地下结构的破坏汶川地震没有地下结构相关照片，从其他文献中收集部分待补充。尤其是日本、台湾地区地震造成的影响。三、建筑结构抗震基本知识地震按其发生的原因，主要有火山地震、陷落地震、人工诱发地震以及构造地震。构造地震破坏作用大，影响范围广是房屋建筑
3、抗震研究的主要对象。3.1 基本概念 震级，代表一次地震的大小，或者说释放能量的大小。因为地震中心距离的远近不同和震源深浅不同，震级的大小不能直接说明地震可能造成的破坏程度。 烈度，代表一次地震的破坏程度。通常 6 度以下的地震烈度不会造成大的破坏，7 度以上则会造成破坏。设防烈度，代表一个建筑、一个城市、一个地区在一段时间内可能遭遇的概率比较大的地震烈度。重要建筑要提高设防烈度。 地震波，地震引起的振动以波的形式从震源向四周传播，这种波就称为地震波。建筑抗震设防分类 甲类 重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑乙类 地震时使用功能不能中断需尽快恢复的建筑丙类 除甲、乙、丁类以外的一般
4、建筑设防分类丁类 抗震次要建筑甲类 按地震安全性评价结果确定乙类 应符合本地区抗震设防烈度要求丙类 应符合本地区抗震设防烈度要求地震作用丁类 一般情况下仍应符合本地区抗震设防烈度的要求甲类 当抗震设防烈度为 68 度时，应符合本地区抗震设防烈度提高 1 度的要求，当为 9 度时，应符合比 9 度抗震设防更高的要求乙类一般情况下，当抗震设防烈度为 68 度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为 9 度时，应符合比 9 度抗震设防更高的要求，对较小的乙类建筑* ，当其结构改用抗震性能较好的结构类型时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震措施丙类 应符合本地区抗震设防烈度要求抗*震措
5、施 丁类 应允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低，但抗震设防烈度为 6 度时不应降低抗震规范规定以“三个水准”来表达抗震设防目标，即“小震不坏，中震可修，大震不倒” 。3.2 建筑结构抗震要求四、结构抗震对策设计施工监理1、材料控制：2、施工质量控制五、结束语对青溪县房屋灾后调查结论：框架结构一般为轻微损伤，主要是填充墙与框架连接的薄弱的材料之间出现裂缝。二层以上的砌体结构多数达到中等以上的破坏程度，离散性很大，开裂形式多样，：有 X 形裂缝、竖向裂缝、斜裂缝、预制板间开裂、窗四角（或二角）裂缝、悬挑构件端部墙体破坏。主要原因：没有设置钢筋混凝土构造柱、圈梁、纵横墙之间没有搭接砌筑、砌体灰缝
6、质量差、承重墙过薄，悬挑构件端部锚固不足、顶层墙过高、墙顶构件无拉结等。建筑工程百年大计、质量第一常言道：房屋建筑多牢靠，就看基础牢不牢基础工程质量控制：天然地基的基底验槽；桩基的质量验收；打桩设备选型、桩连接接头质量、桩顶标高、贯入度等；灌注桩的成孔质量、钢筋直径、绑扎、钢筋接头、长度、保护层厚度、混凝土强度等；加强材料的把关，按规范设计要求进行严格监控。主体工程质量控制：材料把关；钢筋断面、绑扎、接头、保护层厚度、结构断面和垂直度、模板尺寸刚度、商品砼浇捣、钢结构焊接安装等、结构变形缝质量；砌体工程：砌体和砌筑材料把关；施工中对其他的搭接、粘结率、与主体结构、构造柱的连接及垂直度的控制。规
7、范：强柱弱梁，强剪弱弯现场不少柱子先受损，规范可能需要调整；混凝土质量问题：夹杂砖块、石子为卵石；有些构件钢筋细如铁丝；监理思考：1、工程监理加大工程本身的使用安全力度；重视控制施工过程中的工程质量，杜绝工程隐患；2、服务于百姓，而并非业主、开发商本身或工程场所的筹建班子；3、严格把关材料、工序、规范要求，杜绝“豆腐渣” ；4、提高抗震技术和构造要求，及时提出设计中不满足抗震设计规范要求的问题。一般的框架结构首层柱的破坏是经常发生的（X 形裂缝）框架结构破坏形式：梁柱节点、楼梯破坏填充墙结构设计的基本规定高层建筑钢筋混凝土结构可采用框架、剪力墙、框架-剪力墙、筒体和板柱-剪力墙结构体系。 4.
8、1.2 高层建筑不应采用严重不规则的结构体系，并应符合下列要求：1 应具有必要的承载能力、刚度和变形能力；2 应避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载、风荷载和地震作用的能力；3 对可能出现的薄弱部位，应采取有效措施予以加强。 4.1.3 高层建筑的结构体系尚宜符合下列要求：1 结构的竖向和水平布置宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部突变和扭转效应而形成薄弱部位；2 宜具有多道抗震防线。随着城市地下空间的开发利用，地铁系统、盾构法隧道、地下商业街、地下停车场及共同沟等大量兴建。而这些地下结构基本上还未曾经历过大的地震，它们真正的抗震性能也未得到检验。因此并不能简单地认为地
9、下结构抗震性能好、地震中不易破坏。而这一点也在相继出现的地下结构震害中得到了证实。1952年美国加州克恩郡 7.6 级的地震造成南太平洋铁路的四座隧道损坏严重;1975 年，我国海城发生地震，处于较软弱地基上的营口市地下人防工程遭受到较严重的破坏;1978 年，日本伊豆尾岛发生 7.0 级地震，震后出现了横贯隧道的断层，隧道衬砌也出现一系列严重破坏叭 1995 年日本阪神发生大地震。这次地震不仅使城市生命线工程(地下给排水管道、天然气管道等)遭到严重破坏，地铁车站及区间隧道等大型地下结构也受到破坏，甚至产生了地铁车站完全倒塌而不能使用的先例。地铁的破坏，造成了极其严重的经济损失，给神户市的震后
10、恢复重建工作带来严重影响，其本身的维修也非常复杂。盾构隧道的震害可以分为两类:地层震动产生的震害和地层破坏产生的震害。地层震动使隧道承受纵向的拉、压力和弯矩，以及横向的剪切荷载;地层破坏使地层产生液化、滑坡和震陷，盾构隧道随之发生相应的变形。分析了螺栓相对刚度、土层抗力系数、螺栓分布、螺栓数目、衬砌半径、衬砌厚度等各因素对等效刚度系数的影响，得出一些对衬砌抗震设计有益的结论。长期以来，人们认为地下结构因为受到周围地层的约束，结构的振动幅度与地上结构相比较小，地下结构具有较强的抗震性能，因而没有对地下结构的抗震性能进行研究，更不可能对地下结构进行抗震设计，因此出现了很多隧道遭到地震破坏的实例2。
11、1923 年，日本关东发生 7.9 级地震，共有 150 条隧道遭到破坏，破坏形式主要是衬砌遭到损坏、出现裂纹和拱顶发生沉降;1952 年，美国加州克恩郡 7.6 级的地震造成南太平洋铁路的四座隧道严重损坏，破坏形式为表面出现裂缝、衬砌断裂剥落、边墙横向错动等一系列现象，甚至出现边墙混凝土被压碎的现象31;1964 年 6 月 16 日，日本新泻 7.5 级地震造成新泻市区及其周围发生大面积土体液化和液化流动，局部地面出现了较大位移，生命线系统破坏严重，许多埋地管线出现屈曲;1975 年，我国海城发生地震，处于较软弱地基上的营口市地下人防工程遭受到较严重的破坏;1978 年日本伊豆尾岛发生地震
12、，震级 7.0 级，地震后出现了横贯隧道的断层，隧道衬砌严重裂缝，混凝土拱顶剥落，钢筋被拉断，衬砌横断面变形等破坏现象;1983 年 5 月 19 日，震中距上海市 150km 以外的洋面上发生 6 级地震时，上海市打浦路管片隧道出现了 5 条可见裂缝，泥水挤入隧道与竖井的结合部，经及时堵塞，才未造成祸患4;1985 年 9 月 19 日，墨西哥市发生 8.1 级大地震，第二天又发生了 7.5 级余震，使震害进一步扩大。该次大地震中，一段地铁区间隧道和某建设中的下水管道用盾构隧道遭到破坏，地铁隧道在接头处产生了错位，正在建设中的盾构隧道的基本情况是:埋深 3Om，直径 6.lm，管片为钢筋混凝
13、土管片，地震发生时盾构机正推进到离竖井 22Om 处，地震使得隧道与竖井连接处的纵向螺栓被剪断，衬砌出现了纵向裂缝 l3。1995 年 1 月 17 日，日本兵库县南部地震，神户大开地铁车站受到极其严重的破坏，部分区域的中柱完全压碎，钢筋外露呈压曲状，顶板塌落。区间隧道的主要破坏形式是出现轴向弯曲裂缝5。1995 年日本兵库县南部地震中，以地铁车站、区间隧道为代表的大型地下结构遭受严重破坏，暴露出地下结构抗震的弱点，这引起众多地震学者的关注，使地下结构震害研究出现了前所未有的热潮。盾构隧道的震害可以分为两类 l7j:地层震动产生的震害和地层破坏产生的震害。地层震动主要使隧道产生位移，地层震动使
14、隧道产生位移的模式如图 1 一1，沿隧道轴线传播的纵波或者是与隧道轴线成一定角度传播的横波将使隧道产生轴线方向的拉伸和压缩;沿隧道轴线方向传播的横波将使隧道产生轴向弯曲 ;垂直于隧道轴线方向传播的横波将使隧道横断面发生椭圆化变形。如果地层震动使隧道产生过大的位移，那么隧道将会开裂，轴向拉伸、压缩和轴向弯曲将使隧道产生横向裂纹，横断面的椭圆化变形将使隧道产生纵向裂纹 l4，见图 1 一2。隧道的纵向拉伸和压缩隧道纵向弯曲隧道椭圆化变形地震产生的隧道裂纹环缝是隧道的薄弱环节，当最大拉、压力和最大弯矩发生在环缝位置时隧道处于最危险的状态。现场监督要点：地基基础：施工中是否依据勘察成果? 有液化土层的
15、地基,基础选型、埋深和布置是否合理? 是否按建筑抗震设防分类和地基的液化等级采取相应的措施? 液化地基的处理方案,处理深度和检测结果是否正确? 天然地基基础验算时,是否按抗震规范调整了地基承载力? 桩基验算时,是否按规范要求调整了单桩承载力? 液化土中的桩基承载力是否满足抗震要求? 倾斜场地液化的抗滑动验算,抗滑动措施和结构抗裂措施是否满足要求? 对可能发生地震滑移的边坡,是否按勘察成果进行处理? 液化土中桩基的配筋范围和构造是否满足抗震要求? 如:沉管灌注桩的主筋应全部伸入桩底。lv 检测方法和手段、数量和结果是否满足要求? lw 测结果和总体评价是否合理?多层砌体和底框砖房 砂浆试块留置、
16、数量、养护条件; 纵横墙交接处和转角处的留槎形式; 构造柱、圈梁的施工;构造柱防止“烂根”; 钢筋混凝土构造柱、芯柱和底框砖房砖抗震墙的施工,应先砌墙后浇构造柱、芯柱和框架梁柱。构造柱必须与圈梁连接,在柱与圈梁相交节点处,构造柱的纵筋应穿过圈梁,保证构造柱纵筋上下贯通。节点处柱箍筋应加密,加密范围在圈梁上下,取六分之一层高或 500mm 中的较大值 ,箍筋间距不宜大于 100mm。(5) 构造柱、圈梁的箍筋一般用 6 ,箍筋端部应做成 135弯钩,弯钩的平直长度不应小于 10 倍箍筋直径。构造柱、圈梁的纵向钢筋的锚固长度和搭接长度为 35 倍钢筋直径,采用级钢筋的钢筋末端应加弯钩。构造柱纵向钢
17、筋的搭接应从每层圈梁顶面开始,钢筋的保护层厚度为 25mm。钢筋混凝土结构检查主要受力钢筋和箍筋的级别、种类、直径、根数和间距; 混凝土试块留置、数量和养护条件; 砌体填充墙砂浆强度等级不应低于 M5 ,墙顶应与框架梁密切结合, 填充墙沿框架柱高每隔 500mm 设 2 6 拉筋,拉筋伸入墙内长度不应小于墙长的 1P5 且不小于 700mm ,乙类建筑宜沿墙全长贯通。墙长大于 5m ,墙顶与梁宜拉结,墙长超过层高 2 倍,宜设钢筋混凝土构造柱,墙高超过 4m ,墙体半高宜设与柱连接且沿墙长贯通的钢筋混凝土水平系梁。1995 年阪神地震中隧道震害污水盾构隧道直径为 3. 5m,埋深 914m,土
18、层为冲积砂和粘土沉积物,在第二衬砌中可观察到纵向和环向裂缝。隧道顶部裂纹 隧道竖井墙壁裂纹在地震中损坏的通信管线隧道框架的杆件主要靠混凝土受压，钢筋受拉平衡外力，但混凝土和钢筋的力学性能相差很大，混凝土从受压到压碎，变形量很小，属脆性破坏；钢筋受拉从屈服到拉断，变形过程很长，延性良好 “强柱弱梁，强剪弱弯”就是柱子不先于梁破坏，因为梁破坏属于构件破坏，是局部性的，柱子破坏将危及整个结构的安全-可能会整体倒塌，后果严重！所以我们要保证柱子更“相对”安全，故要“强柱弱梁” ；“弯曲破坏”是延性破坏，是有预兆的-如开裂或下挠等，而“剪切破坏”是一种脆性的破坏，没有预兆的，舜时发生，没有防范，所以我们
19、要避免发生剪切破坏！这就是我们设计时要结构达到“强柱弱梁，强剪弱弯”这个目标。人为的控制不利的、更危险的破坏发生！ 如果想满足这样的设计要求,也就是按国家规范和强制性标准,101 图籍什么的,按要求箍筋加密,按要求满足搭接长度,锚固长度,保证混凝土强度等等.框架结构抗震构造措施 6.3.1 梁的截面尺寸，宜符合下列各项要求：1 截面宽度不宜小于 200mm；2 截面高宽比不宜大于 4；3 净跨与截面高度之比不宜小于 4。梁的纵向钢筋配置，尚应符合下列各项要求：1 沿梁全长顶面和底面的配筋，一、二级不应少于 214 且分别不应少于梁两端顶面和底面纵向配筋中较大截面面积的 1/4，三、四级不应少于
20、212；2 一、二级框架梁内贯通中柱的每根纵向钢筋直径，对矩形截面柱，不宜大于柱在该方向截面尺寸的 1/20；对圆形截面柱，不宜大于纵向钢筋所在位置柱截面弦长的 1/20。6.3.5 梁端加密区的箍筋肢距，一级不宜大于 200mm 和 20 倍箍筋直径的较大值，二、三级不宜大于 250mm 和 20 倍箍筋直径的较大值，四级不宜大于 300mm。柱的截面尺寸，宜符合下列各项要求： 1 截面的宽度和高度均不宜小于 300mm；圆柱直径不宜小于350mm。2 剪跨比宜大于 2。3 截面长边与短边的边长比不宜大于 3。 6.3.7 柱轴压比不宜超过表 6.3.7 的规定；建造于类场地且较高的高层建筑
21、，柱轴压比限值应适当减小。震害调查与分析认为，房屋倒塌是造成此次地震人员伤亡和经济损失的主要原因，而房屋倒塌的主要原因是：(1)当地民房绝大多数是抗震能力极差的土木房屋，土柱细弱，梁柱尺寸比例严重失调，土坯用泥浆砌筑，粘结性差，属脆性结构，一遇地震，极易倒塌或裂缝；(2)即使是砖房也由于灰浆不合格而大大降低房屋的抗震能力：(3)地震灾区的村镇多沿河流的冲积平原分布，地基土以粉细砂为主，地下水位较高，仅承载力低，而且容易在地震时液化，失去承载能力，加重了房屋的破坏程度：(4)砖混结构房屋本应具备一定的抗震能力，但是当地的房屋施工质量普遍很差，特别是砂浆质量奇差，水泥用量少，不符合规范要求，不少用
22、手即可捻碎，毫无粘结能力，砌筑时也不饱满均匀，是造成砖混结构破坏的主要原因： (5)虽然有的公用建筑按照 7 度设防，但实际上没有严格按照规范要求施工，缺少圈梁和必要的构造柱。监理工程师在实施监理工作的过程中，可以从以下几方面发现查找违法违规行为：(1)业主的思想麻痹及利益驱使某些建设单位的领导，思想麻痹、主观臆断，对房屋抗震设防认识不足，片面认为本地区近几年没有发生过地震，舍不得资金投入，婉转地希望设计院降低标准，节省资金。某些房地产开发商，受经济利益驱使，公开地要求设计院尽量地“能省一点，是一点” ，追求以最小的投入获取最大的回报，以牺牲抗震安全底线为代价获取利润。(2)设计人员的心慈手软
23、及原则放宽某些设计人员在设计过程中，受到某些领导或业主的意向干扰，为了照顾业务关系，将原则放宽。安全系数取小值或打“擦边球”或降低标准，使房屋的某些部位形成薄弱环节，留下安全隐患。(3)设计审查人员的近亲繁殖及彼此照应设计审查本来是从工程技术安全的角度，对设计方案、设计图纸进行审查、把关，但某些审查人员，因为是熟人、是同门师兄弟，业务上需要彼此照应，而放宽了审查尺度，省略简化了审查程序，降低了标准和要求。在结构抗震设计方面存在小小的差错或疏漏没有被纠正，都会给日后的地震灾害留下隐患。(4)施工单位的精打细算及以小充大建筑施工承包单位，从追求经济利益角度考虑，为了降低成本，增加利润，在用工用料上
24、处处精打细算，这也不难理解。但某些施工单位，在施工过程中，趁现场监管人员不注意，偷工减料、以劣充优、以小充大等现象时有发生。特别是在隐蔽工程施工中，现场监理应加强旁站工作，将抗震防灾安全监理工作落实到实处，以确保房屋建筑抗震安全。框架-抗震墙结构抗震构造措施 6.5.1 抗震墙的厚度不应小于 160mm 且不应小于层高的 1/20，底部加强部位的抗震墙厚度不应小于 200mm 且不应小于层高的 1/16，抗震墙的周边应设置梁( 或暗梁 )和端柱组成的边框；端柱截面宜与同层框架柱相同，并应满足本章第 6.3 节对框架柱的要求;抗震墙底部加强部位的端柱和紧靠抗震墙洞口的端柱宜按柱箍筋加密区的要 求沿全高加密箍筋。 6.5.2 抗震墙的竖向和横向分布钢筋,配筋率均不应小于 0.25%,并应双排布置，拉筋间距不应大于 600mm，直径不应小于 6mm。6.5.3 框架-抗震墙结构的其他抗震构造措施，应符合本章第 6.3 节、6.4 节对框架和抗震墙的有关要求。
