针对地震的楼房结构力学分析.doc

针对地震的楼房结构力学分析（一篇为你和你的子孙后代提供生命安全保障的文章）原文：/ 每次大地震后，无论哪次强烈地震，尽管整个城市夷为平地、放眼一马平川。但总是有个别楼房毫发无损。汶川大地震中有刘汉建设的希望小学毫发无损，唐山大地震后，有一处德国人100年前修建的建筑群一个也没有倒。但是这个数量的确是太少了，少于1%。那么如何在茫茫楼海、满目奢华的背后，寻求到这不到1%的诺亚方舟，这需要的是一双慧眼，更需要的是本文的学术分析。出于责任，也出于义务。当这个满世界都是商品房的天下，但是居然很难看到一篇评论楼房建筑质量文章的时代，而作者从结构力学角度入手，以通俗的语言，为朋友揭示一个真正高质量抗震楼所必须具备的各种基本特征，为正确评价一个商品房抗震性能时候提供正面样板。避免在商品房充斥天下，被开发商和他们的楼房的表面现象眯了眼，去花几代人积蓄买了一个随时可能因为地震而粉碎性倒塌送掉性命的危房。首先请看网络爆出的事实: 1、中国多数新建住宅的设计抗震烈度在7以下，大致相当于只能抗六级以下地震； 2、很多新建住宅的实际施工质量达不到设计的抗震标准； 3、住宅在地震中灭失（损毁）或受损，你的按揭贷款依然需要还本付息； 4、因为地震是不可抗力，保险公司不理赔。本文推荐四招交给你识别建筑的抗震质量性能 1、看有没有地下车库和底商，如果有则抵抗地震水平横波不足； 2、看阳台是不是挑檐式，如果是挑檐式众多阳台就成为巨大负载； 3、看有没有防震棱结构，防震棱在力学中抵抗弯曲力最为有效； 4、看钢筋密集程度，比较手机在楼房和附近商场信号强度可以判断钢筋密度。 上述特征越多越好，实在无法全部满足，尽可能满足3个以上。 买楼谨记： 1、不能买砖混预制板结构楼，这种楼在强震中100%粉碎性倒塌，极端可怕。 2、不买纯框架结构，这种楼墙体之间用粉煤灰隔断砖强度极差，极为危险。 3、不要图外表漂亮，要看楼房假设力震动下倒塌的可能性大小。 4、不要图房间格局好，抗震剪力墙结构主要是抗震难以兼顾格局。 5、不要图新房新鲜感，因为所有新房数年都会变颜色变得不好看。根据国际科学界的最新研究结果，2000年至2035年地球逐步进入了拉马德雷冷位相时期，这期间是全球强震爆发时期。2010年3月国家地震局孙士鋐研究员接受中央电视台、中国国际广播电台专访说，从1966年邢台地震，1975年的海城地震，1976年唐山7.8级地震伤亡30万，2004年印尼苏门答腊8.7级地震海啸伤亡30万、2008年汶川8.0级地震伤亡8万，进入2010年每个月一次。1月海地7.3级地震伤亡30万，2月智利8.8级地震伤亡300人，3月台湾7.3级地震伤亡几十人。强震发生频率急剧加快，标志着地球可能进入一个强地震高发期。2010年7级以上的强烈地震（截止6月26日） 1月03日 所罗门群岛7.1级地震 1月12日 海地7级地震第一次 2月24日 海地又发生7级地震第二次 2月27日 琉球群岛7.2级地震 2月27日 智利8.8级地震 3月06日 印尼苏门答腊7.1级地震 3月11日 智利7.2级地震第一次 3月11日 智利当天接连又发生7.1级地震第二次 3月14日 印尼马鲁古7级地震 4月04日 墨西哥7.2级地震 4月07日 印尼苏门答腊7.7级地震 4月11日 所罗门群岛7.1级地震 4月14日 中国青海7.1级地震 5月09日 印尼亚齐7.2级地 5月27日 瓦努阿图7.5级地震 6月13日 印度尼科巴群岛7.5级地震 6月16日 印尼巴布亚省7.1级地震 6月26日 所罗门群岛附近发生7.1级地震 地震不伤亡人，但是建筑伤亡人。令人惊奇的是海地8.8级地震强度是汶川智利8.0级几百倍，但是伤亡人数仅仅300人得益于智利严格实行美国帮助制定的防地震建筑标准。投资型买房图漂亮，自住型买房图安全。本房是建造的最后一批家属楼，最佳选材、最好设计、最优施工质量。主要采取三个方面加强措施付出了高昂代价使整个建筑增加强度数百倍，亚运村地区属于绝无仅有。 三项措施付出高昂代价但又很难被看见，因此现今商品房都不愿意做。 买楼是买外表平常内在超高强度的楼，还是买外表好看内部豪华但是地震中整体下坐摔裂，还是买在地震中成为一堆碎石的砖混结构楼？1976年唐山地震，虽然距离北京足足几百公里，但已使所有北京砖混结构楼成为危楼，政府专门拨巨款予以加固，这是北京老楼外部几道白圈的来由。 1、特殊设计之一：去除底商车库。底商和地下车库带来巨大利润，同时也带来巨大隐患，是在建筑最吃力的部位采用了最薄弱的设计。因为地震对建筑破坏最大的水平力对底商和车库的立柱形成最大的弯曲力矩（力矩=力力臂长）。举例来说，用水平力推一根栽在地上的等粗木棍，最后折断部位一定是根部。汶川地震显示，这种楼房底商和车库立柱粉碎后导致楼房整体下坐把立柱部分整个压平，楼房上部表现为摔伤损害明显较少。本楼房临街建筑，原设计有底商和地下车库，后来全部去除，单此措施强度提高十倍以上。如图。图1有和没有底商和车库的两种楼房水平受力对比图 图中右侧是地震水平力对建筑产生力矩分布图，最下层部位由于力臂最长而受到最大弯曲力矩，因此底商车库立柱最容易遭受弯曲力矩折断。 该楼房属于繁华地带临街建筑，原设计有底商和地下车库，后来应业主要求做了修改，为此损失了很大商业价值。修改前后的结构对比如下图。图2 该楼房修改前结构和修改后结构对比（用整体底座结构使强度大增） 下面网络截图是汶。川灾情视图截屏，可以看出底商立柱对结构影响多大。这是一个非常典型的带车库和底商的例子，楼上部分结构很好，但是楼下一层采用的是梁柱结构，这样在地震横波水平力推动时候，底层立柱经受不住弯曲力折断，使整体楼房下坐。这种例子比比皆是。这里郑重告诫所有朋友，买楼要尽可能避免买带地下车库和底商的楼。 2、特殊设计之二：瓦楞加强棱。把该楼房的阳台玻璃和围栏去掉，就看到一个奇特现象，这个楼房外表居然和瓦楞纸一样，每个楼面都有46个深度2米的瓦楞，这是加强棱共十几个，其水平截面像多个巨型工字钢围住整个楼房。其道理如同平面铁皮制成工字钢，单此措施提高强度十倍以上，为此增加了成本。周边楼房如保利香槟、凯旋城等全无这样设计。图3具有十几个加强瓦楞棱的楼房附近绝无仅有(结构形状相当于工字钢或者角钢，强度非常高)图4抗震瓦楞棱楼顶部分实景图（有效吸收地震引发的鞭稍力）图4的结构对于楼房有什么作用？看到下图就可以知道。地震震动分纵波和横波两种，纵波最先到达使楼房上下运动，数秒后横波到达使楼房水平摇摆。水平摇摆楼房受力点一个是根基，产生弯曲力矩可能使楼房底部折断，另外一个是鞭稍力，相当于挥动鞭子造成鞭稍的震动可能使楼房上部裂开。下图是玉树实拍图片，楼房左右摆动时候的鞭稍力可能使楼房从上部分解，如图是玉树的某楼现场照片。本文后面还有一图是唐山地震的照片，有一个楼房下面几层完好，上部几层却粉碎性坍塌。 受到鞭稍力作用的楼房,下图是先从楼顶倒塌例子图5抗震瓦楞棱楼底部分实景图（有效抵抗地震产生的水平力矩） 北京的抗震标准是按照6级设防。所以在商品房设计中，很难见到高防震设计。但还是有极少特例。本文的建筑就是这样的特例。一般阳台采用挑檐式，这种阳台采光好，样子也好看，但是这种阳台完全是楼房外挂的多余负载，一旦地震难免成为杀手。后面唐山地震记录和图片进一步验证这个事实。因此告诫朋友买房尽可能避免买挑檐式阳台的楼，但是在北京这个想法几近是奢想，这种楼太少了。 如果这种挑檐式阳台一旦增加一点成本就可以成为带工字钢结构的抗震棱，两者比较对于强度可是一增一减。按照力学原理，抗震棱增加的强度与其高度的平方成正比，所以两者强度差别不是几倍而是几十倍。但开发商就是不愿意干这种事。图 6 房屋格局图（楼房水平截面惊现工字钢结构）图7 楼房整体外观-明显看到抗震瓦楞 采用瓦楞加强棱这种结构在工程中所见极多，最普通的如工字钢、角钢、T型钢，在受弯曲力时候，强度是平板材料十倍以上。附近楼房保利香槟，凯旋城等没有此结构，外表好看，但内在抗震强度区别很大。 楼房内部结构图可以看出，围绕楼房一周的是一个个巨大的工字钢结构。工字钢在工程中非常常见，是最高强度的结构设计之一。 3、特殊设计之三：梯形加强筋。为应对水平力对建筑的作用，该楼房在水平力作用最大的底层和周围遍布墙体部位内对应密集增加了按照力矩分布对应设置梯形分布加强钢筋，再次增加强度十倍以上。如图。图8原设计的普通钢筋分布图和增加加强钢筋后设计对比 （通常，买房人很难知道楼房建筑质量怎么样。特别是楼房墙体内部钢筋数量多少根本无法断定，但是钢筋数量确实太主要了。这里教给大家一个办法：钢筋多少表面上不能看出，但是很容易被检测出来，用手机即可测试。在楼房里打手机，如果楼房钢筋密集就产生电磁屏蔽效应，手机信号明显的不好。作为对比，可以到附近商场再打一次作为对比，因为商场面积大里面进深多，应该信号更加不好。该楼里面小灵通和手机很难打出来，离开窗口5米就难以打通。笔者到附近商场再次试验，尽管进入里面50米，仍然信号很好。这就验证验证了手机打不出的原因是因为钢筋太密造成的电磁屏蔽。） 以上三种特殊设计，其强度增加复合效果是乘积关系，即综合强度提高数百倍以上，三种设计俱全的楼房亚运村地区仅此一例。如果此地发生八级地震，附近七层砖混结构楼房将全部粉碎性坍塌成为密实的瓦砾堆，没有生存空间，根本没有任何逃生机会；附近有底商有车库的商品房底部的立柱粉碎性破碎，楼房上部分整体下坐砸下，导致楼房上部摔碎性破裂分成若干大块和小块，由于楼房上部无立柱，此处存有部分生存空间，存在一定逃生机会。唯有本楼孤零零屹立在废墟之中完好无损、毫发无伤，不远处仅仅只有奥运场馆国家体育馆、水立方、地铁5号线还完好建在。这时方能体现抗震设计的良苦用心和付出高昂代价的意义。 地震高发区东京、日本事实已经证明，高层建筑抗震性能好于低层建筑。2002年台湾7.1级地震，正在建设中的世界最高建筑500米高的台北101大厦遭遇地震袭击顶楼的吊车掉下，然而大楼自身丝毫没有受伤。此事证明了高层抗震结构要比普通楼房优良。 1976年唐山地震，北京离唐山几百公里。受唐山地震影响，北京地区砖混结构楼受到损伤，政府为此拨付专款全部予以加固，加固方式是在楼房周围加上几道钢筋水泥圈，如图9。 图9 北京市随处可见的受1976年唐山地震影响的危楼加固状况 预制板是80年代前一种经济型的建材，其抗震性极差在地震中几乎全部折断，目前已经淘汰。但是还有不少老楼尚在。上图的楼在北京大量存在，在地震高发区这样建筑实在危险。令人惊奇的是，目前在市场上现在这样的楼和抗震楼同样价位，说明人们抗震的意识非常淡薄，普遍存在侥幸心理。一旦灾难降临后果十分严重。看看下面的地震图就知道事情严重性。下图是汶川地震鸟瞰图，以前楼房林立变成一堆瓦砾，凡是预制板结构全部折断。 上图是汶川震前的商品房售楼广告，这种挑檐式阳台好看不结实，在地震中全部化为瓦砾，如今此房的业主还没有免除贷款的债务。下图是汶川震前一天的照片。开发商要的是经济效益，在地震带上建设的楼房没有抗震设计。如今上图漂亮的楼房已经不复存在。 下图是北川中学地震前一天照片，注意楼房没有防震棱。外表还算漂亮，很不结实。 近景可以看出尽管破坏严重，但也有毫发未损结实的楼：下图左面这个倒塌的是梁柱结构和砖混结构的楼。右边那个没有倒的楼没有挑檐式阳台，并且是整体浇注的楼。因此从下图可以断定，现浇纯剪力墙结构楼绝对不会这样粉碎性倒塌，如果底部没有底商和车库，那将更进一步提高强度。 下面是一段非常有纪念意义的专家断言。2008年2月14日深夜到2月15日凌晨，都江堰连续发生5次有感地震，都江堰紫坪铺库区出现小震群，包括3级以下无感地震在内，共有200多次小震。当月底，洪时中受成都市地震局委托，在在电视台录制了一期节目，斩钉截铁断言没有大地震的可能。从3月1日起这期节目在电视中反复播出，让当地人们思想彻底麻痹，放弃所有预防措施。5.12地震著名的地震专家洪时中斩钉截铁的辟谣视频/f?kz=803663087 从中国地震带历史统计图，中国地震带多位于东部地区。 从上图可以看到，北京地处于强震高发地区。北京最近许多年没有发生强震，不说明从此地震会减少，恰恰相反，离上次强震时间越长，积累能量越多，发生强震可能性越大。学术上有一种说法是强震周期300年，但是从中国的台湾、日本东京、美国旧金山两次强地震之间时间均少于100年，况且北京距离上次八级强震已经330年，所以，北京未来几十年发生强震的概率极大。下面是北京历史上地震统计表。 网络资料： 北京1679年发生8级大地震 离北京40公里的三河、在1679年发生8级大地震，沉默337年，李四光戏称“北京正处于隐蔽地区.这场地震发生在清康熙十八年七月二十八日(1679年9月2日)中午。那一天，已到初秋的北京，天气并不凉爽。中午劳作了一上午的人们，像往常一样，有的正在家中吃午饭，还有的正在休息。而就在人们毫无防备的时候，在北京平谷的马坊地区和河北的三河县一带，发生了史无前例的大地震。这次地震的震级估计为8级，震中烈度为11度，几乎和四川汶川的地震强度一样。 这场地震中，北京郊区县的平谷、通县受灾最为严重，发生了地裂，裂幅达丈余。东山山崩，海子庄南山，裂成锯齿状。通县著名的“燃灯古塔”被震毁。通县死万余人，县城四周严重地裂，地下的黑水涌出丈许，有的地裂处甚至涌出了温泉平谷区地处燕山南麓，与华北平原北端的相交地带，因其东、南、北三面环山，中间为平原谷地，故得名平谷。平谷境域内群山耸翠，万里长城环绕北部山间。在康熙十八年的大地震中，平谷区的裂度达到9度。昔日景色秀美的县城、乡野，瞬间荡然无存,田禾皆毁。 这次地震还发生了地裂，裂幅达丈余。黑水夹杂着沙土，从地下的裂缝中不断涌出。东山山崩，海子庄南山，裂成锯齿状，县东南自水峪庄至海子庄、新开峪及蓟县盘山山体崩塌十分普遍。县城西北大辛寨村，水井变形。全县除被墙屋压毙及地裂陷死者外，存活之人仅十之三四。地震还影响到距平谷不远的通县。通县裂度亦达9度，县城内城楼、仓厂、学校、文庙、官廨、民房、寺院尽成瓦砾。通县著名的“燃灯古塔”，在地震中亦被震毁。通县县城四周出现了严重的地裂，地下的黑水涌出丈许，有的地方地裂处甚至涌出了温泉。通县在这次地震中，全县死亡1万余人。 距震中平谷区马坊较近的北京城区及蓟县、宝坻、武清、固安等地，受到的破坏也极其严重，地裂深沟，黑水迸出，房屋倒塌无数，压死人畜甚多。 地震还殃及了北京城区内的紫禁城、德胜门、安定门、西直门、长椿寺、北海、天坛等处。此次大地震波及范围广，影响了大半个中国北京城区距震中仅40多公里，而城区的裂度亦达到了8度，遭受到地震破坏相当严重。当时记载称“京城十万家,转盼无完垒”,“前街后巷断炊烟,帝子官民露地宿。”城区内不仅一般百姓民居遭破坏，就连梁柱坚实，建造精良的皇宫、王府、古刹也有数十处被毁。 在一些名人笔记中，对北京城区的这次地震有详细记载。叶梦珠在阅世篇中记载，地震发生时，“声如轰雷，势如涛涌，白昼晦暝，震倒顺承、德胜、海岱、彰仪等门，城垣坍毁无数。”“文武职官、命妇死者甚众。”随着时间的推移，三百多年过去了，地震的痕迹已经抚平。然而我们现在再读古人的这些文字时，当时地震的情景和惨状，还历历在目。 紫禁城宫内有31处宫殿遭破坏，迫使康熙皇帝带着太子，住进临时搭建的“地震棚”。北海白塔亦被震裂，德胜门下裂开大深沟，沟下水如泉涌；天坛附近也地裂冒水；城内外均可见到数丈长的地裂缝当时在这场地震中皇宫损失惨重。紫禁城四周高大坚实的城墙，在地震中被震塌多处。宫内有31处宫殿遭到破坏，其中奉先殿和太子宫受损最重，必须重修。康熙皇帝居住的乾清宫，殿墙倒塌。皇太后居住的慈宁宫，和嫔妃居住的东西六宫的宫殿等，都遭到不同程度的破坏。地震引起了皇宫中极大的恐慌，迫不得已，康熙皇帝带着太子等人离开皇宫，住进了临时搭建的“地震棚”。 这次地震，使北京内外城墙坍塌多处，安定门、德胜门、西直门、广安门等城楼被震坏；长椿寺、文昌阁、精忠庙等9处寺庙及13处衙署遭到破坏；北海白塔亦被震裂；地震还造成德胜门下裂开了大深沟，沟下水如泉涌；天坛附近也地裂冒水；城内外均可见到数丈长的地裂缝。据统计，北京共倒塌房屋12793间，损坏18028间，死亡485人。 此次地震的破坏和波及范围十分广泛，北京城区周边的顺义、密云、房山等郊区县和河北省大部分地区，以及山西、山东、河南、内蒙古的部分地区均遭受破坏，破坏面积超过10万平方公里。辽宁、陕西、江苏、安徽、甘肃、广东、吉林等省的部分地区有震感，最远有震感地区距震中达1千多公里。有165个州县记载了这次地震。可以说，这次地震影响了大半个中国。 这次地震，大震过后，余震不断。据记载，直到10月19日，仍“地动未息”。在地震发生之后一个月内，发生强余震10余次。其中9月3日、5日及29日，发生了3次强余震，估计震级均在6级左右。主震三个月以后，余震强度才逐渐减弱，有感余震延续了一年多。 网络文献：http:/2008./dispbbs.asp?BoardID=5&ID=22534原创军旅生活片段之八：唐山地震见闻(1)（编者注：此文可以看出大灾面前高质量建筑与普通建筑区别） 我在1976年9月25日到达唐山市东矿区的唐家庄后，立即进入了紧张的为后续大部队准备宿营地的工作。国庆节前后一段时间，我坐着自己部队的汽车往来唐山市中心拉物资。只见不少地震震裂的深不见底的地缝，到处是残垣断壁，人把高的抗震小窝棚密密麻麻。但10来层高的唐山百货大楼仍然顽强的摇摇欲坠的耸立着，只是所有的阳台已经全部掉落，墙壁裂开了一道道口子。唐山火车站已被震得面目全非，那里据说后来留做了唐山大地震纪念保护地。我们部队进入的唐家庄矿，有一处已经近百年之久的英国人建的哥特式的楼房建筑群，没有一栋房子坍塌。而唐家庄有一栋1974年建的四层的矿干部住宅楼，俗称七四楼，是空斗墙，也没圈梁，地震时一塌到底，里面大多数人没出来，紧邻的国家煤炭部仓库一栋建筑结构比较牢固的楼房就只是裂了口子而已。 震灾后的唐山市区街头，人流仍然是熙熙攘攘，当时给我印象最深刻的是人们排着长队，在解放军的运水车边接水，因为地震把城市供水设施破坏殆尽。已是9月底了，北方的天气已有很深的凉意，但那些担水的人不管男人女人，都还只穿着夏天的衣服，很多女人穿着不合体的宽大的军装。据说，唐山人睡觉的习惯，男女老幼都是裸睡的。7月28日凌晨地震发生后，人们在睡梦中惊慌奔出，很多人忘记了自己是赤身裸体。在地震后的29日、30 日从天津、山海关紧急奔袭过来的部队，在到达灾区后，首先是脱下自己的衣服给了赤身的女人，解放军官兵脱得只剩下一条短裤，后来后方才紧急给部队官兵自己调运服装。 我记得在唐山市里的一些地方贴了一些大字报，大字报指责，已经预测到了地震，但是为什么不预报。多少年后坊间的传言，人们对唐山地震预报与否的谈论，我一般不插言的，其实确实是真的，科学家预测了那段时间唐山一带有地震，但是不知道具体的发生时间，难以作出公开预报。