瀘定6.8級地震城鎮居住建筑典型震害及啟示
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彭志楨，吳小賓，潘毅，陳齊
引言
近年來，四川省地震頻發。據中國地震局數據，2009年至2022年底，四川省陸續發生了40余次5.0級及以上的地震。2008年以后的幾次6.0級以上地震均發生在四川省內西部的山區及中小城市。受經濟發展限制，這些地區農村及城鎮建筑中依然還存在大量自建房，其缺乏正規的抗震設計和有效抗震構造措施；幾次強震都引起村鎮建筑出現顯著的震害，也對城鎮建筑尤其是老舊房屋造成不同程度的破壞[1-2]。當前全國各地十分重視城市更新，正有序的推進城鎮老舊小區改造工作的背景下，調查城鎮居住建筑的震害十分必要。地震發生后，課題組第一時間趕赴地震現場參與應急救援和災損評定工作，詳細調查了瀘定6.8級地震災區多棟城鎮居住建筑的震害情況，并分析了震害特征，提出了對應的設計建議，有助于給既有房屋改造或抗震加固提出行動方向，并對韌性城鎮建設、減輕災害等提供啟示。
震害調查概述
2022年9月5日12時52分，四川省甘孜州瀘定縣發生6.8級地震。震中位于瀘定縣磨西鎮（北緯29.59°，東經102.08°），震源深度16km。根據中國地震局發布的“瀘定6.8級地震烈度圖”[3]，瀘定地震波及的遭遇烈度為6度及以上的地區面積達到19089平方公里，涉及四川省3個市州12個縣（市、區），82個鄉鎮（街道），地震最高烈度為9度，包括甘孜藏族自治州瀘定縣和康定市等27個鄉鎮（街道）。位于震中的磨西鎮為9度設防烈度，本次地震遭遇烈度也為IX度，震害明顯，并出現較多的典型震害建筑，故以磨西鎮及周邊城鎮的居住類建筑為主要調查對象，調查范圍見圖1。這些建筑離震中距離約10~40km。
框架結構典型震害 2.1 框架結構震害特征
本次地震中，框架柱發生破壞較少。其主要震害集中在柱頂及柱腳。柱端出現典型的壓彎破壞，見圖3（a）和圖3（b），柱頂出現彎剪破壞，見圖3（c）。這是由于地震下框架柱端受力復雜，承受壓力、剪力和彎矩的共同作用，在薄弱部位先破壞。個別框架柱出現柱頂節點壓潰，節點處的柱縱筋外鼓，節點處混凝土大面積脫落的震害，形成“弱節點、弱柱”現象，見圖3（d）。這是由于框架角部節點受力復雜且柱節點處箍筋配置不足，無法對縱筋及混凝土形成有效約束，且梁板實際共同工作的整體剛度遠大于柱剛度等因素造成。
歷次地震中，“強梁弱柱”現象[6-8]比較普遍；此次瀘定地震中，城市居住建筑中框梁破壞情況相對較少。主要震害表現為個別框梁的梁端上下均出現明顯斜裂縫，見圖4。圖中出現“強柱弱梁”的屈服機制，除了柱配筋可能進行了設計加強外，還因為該柱兩側有完整緊密連接的填充墻間接增加了柱的整體剛度，在地震往返作用下，相對較弱的梁端出現反復的彎剪受力進而出鉸破壞。這也間接說明，填充墻在結構中的位置及連接方式不同，對結構的影響也不同，因而通過乘以一個整體折減系數考慮填充墻剛度影響對梁柱進行承載力設計可能不符合地震下的真實受力情況。
樓梯震害主要表現為梯板破壞、梯梁破壞，與汶川地震情況類似[9]。此次地震中。部分梯板出現水平裂縫，見圖5（a）；部分梯梁的梁中及梁端出現剪扭破壞，見圖5（b）。這主要是由于大部分受損居住建筑未執行《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）（2016年版）[10]中關于框架結構中的樓梯應帶入結構整體模型計算，或者采用可滑動分離式的構造連接的條文規定。相比于樓梯進入整體結構計算模型中導致周邊構件配筋及截面的加大，框架結構中的樓梯設計時往往優先采用滑動分離式構造措施。
▲ 圖5 樓梯典型破壞形態（磨西鎮，Ⅸ度）
瀘定地震框架結構中填充墻破壞依然較為普遍，其中燒結普通磚，頁巖空心磚，加氣混凝土砌塊或混凝土空心砌塊等類型的填充墻材料均有震害。其主要震害特征表現為墻體坍塌，見圖6（a）；沿裂縫線的塊體垮塌或錯位，見圖6（b）；填充墻由于剪切破壞產生X形裂縫見圖6（c）；填充墻未設置有效構造措施如構造柱或圈梁等產生的連接破壞，見圖6（d）。從上述現象可知，填充墻在地震中先行破壞，已成為第一道抗震防線。
地震中框架結構屋架及女兒墻破壞總體較輕，如某斜屋架屋脊處出現掉瓦，見圖7（a），而其主體結構破壞較為輕微；以及女兒墻的端部位置出現開裂，抹灰掉落，見圖7（b）。這是由于建筑端部墻體受力復雜以及局部位置缺失必要的構造措施。
▲ 圖7 屋架及女兒墻典型破壞形態（磨西鎮，Ⅸ度）
2.2 某高層住宅震害分析
2.2.1 工程概況
金山花園作為典型的高層鋼筋混凝土框架結構，其震害特征較為完整，具有代表性。金山花園為拆遷安置小區，建造時間約為2016年，位于磨西鎮民俗風情街與茶馬巷交匯處附近。該建筑地下1層，地上9層。其中，1~2層為商業，3~9層為住宅。建筑的商業層高大于5m，顯著高于住宅標準層高約3.2m，立面示意見圖8（a）。住宅平面短邊4跨，長邊約8跨，典型柱截面約800mm×800mm~700mm×700mm，框架梁梁高約600mm~800mm。該樓遭遇IX級地震烈度后的外觀實景見圖8(b)。
▲ 圖8 金山花園震后外觀（磨西鎮，Ⅸ度）
2.2.2 震害情況
該高層住宅框架結構主體結構相對完好，未發現框架柱出現明顯屈服或破壞。其中，負一層地下室的震害較輕，主要震害為第2層的個別框架梁破壞，1~3層的填充墻、樓梯及樓梯隔墻破壞，且隨著樓層高度的增加逐漸減輕。 從負一層地下室往上過程中，可發現地下室梁柱未見明顯破壞，僅少量隔墻抹灰局部脫落，見圖9。地上框架柱未見明顯破壞，第2層的個別框架梁出現斜裂縫，見圖10。
填充墻在1~3層破壞較嚴重。底層層高較高，外圍隔墻由于內外隔墻交界處未設置構造柱，地震下隔墻出現拉裂并錯位，見圖11（a）。也發現設置圈梁和連系梁的某內隔墻在地震中并沒有垮塌甚至沒有出現貫通裂縫，僅抹灰出現掉落，見圖11（b）。該工程室內填充墻主要為頁巖空心磚和大體積混凝土空心砌塊兩種。1~3層頂部與梁采用燒結普通磚斜砌壓頂的頁巖空心磚墻體出現大量斜裂縫，見圖11（c）。大體積混凝土空心砌塊主要用于戶內隔墻，采用咬合砌筑?？招钠鰤K與框架梁柱留有水平豎向縫隙脫開，類似柔性連接，其墻體主要震害表現為墻體抹灰掉落，見圖11（d）。
▲ 圖11 填充墻典型震害
1~3層的樓梯震害較為顯著。地下室樓梯周邊隔墻雖沒有明顯破壞，樓梯通道堆滿了1~2層掉下來的抹灰及砌塊，增加通行的阻力，影響了人員疏散及安全逃離，見圖12（a）。1~2層之間樓梯震害最為嚴重，隔墻砌塊及抹灰出現大面積掉落，梯梁的梁端及中間部位破壞嚴重，梯板局部也出現混凝土脫落，見圖12（b）和圖12（c）。2~3層梯段堆積物減少，3層梯梁出端部出現局部破壞，見圖12（d）。
2.2.3 震害分析
該高層建筑位于9度區，為9層的鋼筋混凝土框架結構，明顯超過現行規范[10]允許的框架結構的24m高度限值，且其梁柱截面尺寸總體偏小，會引起地震下的結構樓層位移及層間位移增大。因此，地震下建筑1~3層的相對變形較大，是1~3層填充墻及樓梯出現較大破壞的主要原因。地下室結構受擋土墻及周邊土約束，地震下的水平位移小，各構件水平受力也較小，因而震害較輕。 底層部分墻體未按規范要求設置構造柱及水平連系梁以及頁巖空心磚的隔墻頂部采用類似剛性連接方式，吸收的大量地震力也是造成填充墻破壞的重要原因。相比之下，空心砌塊墻體震害相對較輕是因為其與框架梁柱采用類似柔性連接，吸收地震力相對較小，且干砌咬合的空心砌塊之間可通過相互間的摩擦耗能。 1~3層樓梯及周邊隔墻破壞較為嚴重，這是由于該工程樓梯設計上存在明顯瑕疵?，F場調查表明，梯梁高約400mm，且配筋不大，可推測結構模型計算時未反映樓梯作用，也未采用分離式樓梯構造[10]；樓梯填充墻沒有采用鋼絲網砂漿面層加強及構造柱加密等措施。 砌體結構典型震害 3.1 砌體結構震害特征 砌體結構因其良好的經濟性及成熟的建造經驗，在小城市（城鎮）得到廣泛運用。本次地震中砌體房屋主要震害特征為少量建筑整體垮塌及明顯傾斜，部分建筑中的縱橫墻裂縫包括構造柱破壞，尤其是窗間墻破壞較為普遍。 調查發現，少量未嚴格按現行規范設計的砌體結構自建房出現整體破壞，且均在底層首先垮塌。單棟砌體房屋整體垮塌，見圖13（a）；這是由于砌體結構樓層數量達到5~6層超出規范限值，地震下的縱橫承重墻體受力急劇加大，出現大面積破壞，無法繼續支撐上部結構，引起結構整體垮塌。個別砌體房屋還產生傾斜式倒塌，見圖13（b）；這是由于砌體結構在平面上的薄弱環節或者角部位置首先出現破壞，導致整體傾覆。
本次地震中，出現震害的砌體結構的墻體普遍采用燒結普通磚，破壞形態各異。砌體結構外墻破壞位置主要集中在窗間墻，見圖14；內墻破壞主要集中門洞周邊的位置，見圖15，其震害特征主要表現為剪切斜向交叉裂縫，同以往震害特征類似[1-2，6]。位于外圍的樓梯砌體墻體也出現不同程度破壞，主要表現為墻體外鼓和接近坍塌破壞，見圖16（a）；這由于墻體未設置構造柱約束墻體；而墻體端部設置的構造柱在中部出現拉彎破壞，見圖16（b）；這是因為樓梯外圍端部位置的墻體在地震作用下受力復雜。
3.2 某多層員工宿舍
3.2.1 工程概況
某多層員工宿舍為典型的砌體結構，其地理位置特殊，震害特征較為新穎。該建筑位于磨西鎮海螺溝冰川森林公園(東門)附近，主要包括3層的員工宿舍兼做辦公樓，2層的實驗樓及1層的輔助用房。該項目建設地點位置位于磨西鎮冰水堆積臺地岸坡，員工宿舍背面及側面距離岸坡懸崖較近，其下是河谷及高陡的坡地，高差達到120m，項目的建筑布局，見圖17。員工宿舍樓約1993年啟用，2003年加固改造增加了一層，共有3層，采用坡屋蓋，平面呈長方形，長約32.4m，寬約11.4m，承重墻采用燒結普通磚，厚度為240mm，鋼筋混凝土構造柱尺寸為240mm×240mm，墻體平面及構造柱結構布置見圖18（根據現場情況估計）。員工宿舍樓正門入口有門廳，圍繞2層樓面位置設置有一圈突出建筑的鋼筋混凝土圈梁。根據現場調查，該結構進行過改造，在主體結構右側旁增設了鋼結構樓梯，通道連接屋頂右側的大會議室。
▲ 圖18 員工宿舍樓結構一層平面圖
3.2.2 震害情況
震害調查表明員工宿舍樓的周邊未發現地震引起的土層松動，結構未出現局部不均勻沉降及地基基礎破壞的跡象。員工宿舍樓發生底層垮塌，主要破壞發生在底層的承重砌體墻。 本次地震中，宿舍樓整個上部結構向左前方偏離，整體破壞形態見圖19（a）；右側鋼樓梯支承屋面的頂部鋼柱被壓彎，屋面下的鋼樓梯框架沒有明顯的損傷，見圖19（b）。大部分構造柱被壓潰或折斷錯位，見圖20（a）~（d），室內3個構造柱將樓板沖切破壞，見圖20（e）。門廳柱上部節點區域混凝土被拉脫，而門廳柱腳沒有破壞，見圖21。主要因為門廳梁相連的構造柱被壓潰后，門廳樓蓋梁及樓板翹起，對前排門廳柱產生一個顯著拉力及局部彎矩，而柱鋼筋錨固不足，造成柱上節點區混凝土及鋼筋拉脫。
員工宿舍樓1至2層的梯段破壞嚴重，見圖22（a），2層及以上的墻體未見倒塌，僅出現一些裂縫，見圖22（b）~（d）；靠近鋼樓梯的山墻與屋蓋拉脫，山墻左右側洞口間的墻體出現明顯的水平裂縫，見圖22（e）。
辦公樓右側的輔助用房更靠近懸崖，在地震作用下，其木屋蓋垮塌且砌體承重墻體出現水平裂縫，見圖23。距離宿舍樓對面約60m的2層實驗樓，主體較為完好，室內梁柱未發現顯著破壞，見圖24。
3.2.3 震害分析
3棟建筑相隔不遠，其破壞程度不同，除房屋施工質量及使用狀況等因素外的另一個重要因素是受場地效應的影響。受場地限制，住宿樓及輔助用房建在兩面臨邊坡較近的角部位置，屬于抗震不利地段[10]。從宿舍樓底層整層壓垮，輔助用房墻體出現水平裂縫及木屋面整體垮塌等震害分析可知，該場地中的地震作用尤其豎向地震顯著增大。在放大的地震作用及顯著的豎向地震反復作用下，底層承重墻及構造柱拉裂，導致結構產生顯著的水平變形，加速了底層豎向構件的傾斜或折斷，使得底層豎向構件無法承擔或傳遞豎向重力荷載，造成底層承重墻體及構造柱整體錯位壓垮。這表明傳統無筋砌體結構抵抗向上的豎向地震作用能力不足，也反映了建設工程場地選址的重要性和復雜性。 結論及建議 瀘定地震發生在地形、地貌復雜的山區，通過分析震中附近的典型居住建筑的震害特征，得到以下結論及建議： （1）城鎮居住建筑震害主要集中于未嚴格按規范設計的老舊居住建筑底部1~2層，再次驗證現行規范[10-11]按結構類型控制結構高度及樓層數量、加強底部薄弱層設計、框架采用滑動分離式樓梯的構造措施等規定的必要性。建議城市更新或老舊小區改造時加強相關建筑按現行規范執行情況的排查，并進行相應改造。 （2）在此次地震中，框架結構中隔墻采用剛性連接方式相較于柔性連接方式的震害更嚴重。建議框架結構隔墻采用柔性連接方式或采用便于替換改造的輕質墻板隔墻，以減輕其震害。 （3）在此次地震中，發生了少量砌體結構倒塌。這暴露出砌體結構抵抗豎向地震作用能力不足，而現行規范對砌體結構豎向地震作用的規定較少。建議嚴格控制砌體結構高度及樓層數，并復核罕遇地震下砌體墻體及構造柱等豎向構件的抗拉承載能力，而9度區的砌體結構宜優先采用配筋砌塊砌體墻。 （4）在此次地震中，位于河岸和邊坡、邊緣等抗震不利地段的建筑震害明顯大于有利地段的建筑。建議場地選址時，盡量避免抗震不利以及容易引起次生災害的地段。若不可避免時，對重要的建筑宜進行工程場地的地震安評來確定地震作用。 （5）在此次地震中，居住建筑的非結構構件破壞非常普遍，給災后恢復帶來了困難，建議災區重建體現韌性城市設計理念，按合適的抗震韌性目標值進行規劃或設計。建議地震頻發區的砌體結構可采用造價低廉、構造簡單、施工方便的隔震磚[12]來提高砌體結構的抗震性能；而框架結構可引入減震技術，采用具有消能減震作用的墻板[13]替代部分填充墻，減小地震作用，并保護其他填充墻。 致謝：感謝四川省住房和城鄉建設廳、四川省應急廳、四川省減災專家委員會、四川省地震局、甘孜州應急管理局、瀘定縣住建局、瀘定縣應急管理局等單位和同志提供的幫助，感謝在本次震害調查過程中給予支持的各個單位！ 參考文獻
來源：公眾號 建筑結構
