汶川8_0级大地震极重灾区映秀镇不同建筑结构震害概述及原因简析.doc

文章编号 : 1000 21301 ( 2008 ) 05 20001 209汶川 8 . 0级大地震极重灾区映秀镇不同建筑结构震 害 概 述 及 原 因 简 析孙柏涛 1 , 2 ,闫培雷 2 ,胡春峰 1 ,张明宇 1( 1. 中国地震局 工程力学研究所 ,黑龙江 哈尔滨 150080; 2. 哈尔滨工程大学建筑工程学院 ,黑龙江 哈尔滨 150001 )摘要 : 2008年 5月 12 日 ,中国四川省汶川县发生里氏 8. 0 级地震 。汶川地震是中国建国以来最为严重的地震 ,造 成 了 巨 大 的 人 员 伤 亡 以 及 工 程 结 构 震 害 。震 中 位 于 映 秀 镇 (北 纬 31. 015, 东 经103. 365 ) 。映秀镇的建筑结构形式多样 ,其中有钢筋混凝土框架结构 、砖混结构 、底框架结构和工 业厂房 。该镇的建筑多数是按照不同时期的建筑抗震设计规范 进行设计 。一部分抗震设防烈度 为 7度 ,少数抗震设防烈度为 8度 。由于映秀镇地震动强度大 ,建筑物的破坏十分严重 ,震害非常典 型 ,为地震工程学提供了极具价值的材料 ,对工程震害的研究在理论与工程实践都具有十分重要的意 义 。本文对在映秀镇收集到的工程震害进行概述 ,讨论不同结构形式的破坏现象和特点 ,并给出简要 的分析 。关键词 :汶川地震 ;映秀镇 ;工程震害中图分类号 : P315. 052文献标志码 : AO verv iew on se ism ic da m a ge to d ifferen t struc ture s in Y in gx iuTown dur in g W en chuan Ea r thqua keSUN B a itao1 , 2 , YAN Pe ile i2 , HU Chunfeng1 , ZHAN G M ingyu1( 1. In stitu te of Engineering M echan ic s, Ch ina Ea rthquake A dm in istra tion, H a rb in 150080 , Ch ina;2. Schoo l of C ivil Engineering, H a rb in Enginee ring U n ive rsity, H a rb in 150001 , Ch ina)A b stra c t:O n M ay 12 , 2008 , an ea rthquake of m agn itude 8. 0 occu rred in W enchuan, Sichuan P rovince,Ch ina .It is the mo st se riou s ea rthquake in Ch ina since 1949 , cau sing ve ry heavy ca sua ltie s and eno rmou s dam age to the bu ild ings. The ep icen te r wa s loca ted in Yingxiu Town (N31. 015 , E103. 365 ) . The struc tu ra l style s of bu ild2ings in Yingxiu a re d iffe ren t and comp rise re info rced conc re te struc tu re, m a son ry struc tu re, bo ttom fram e struc tu re and indu stria l wo rk shop. The bu ild ings we re de signed acco rd ing to the Code s fo r se ism ic de sign of bu ild ings in d if2 fe ren t p e riod s. The se ism ic fo rtifica tion in ten sity fo r mo st bu ild ings wa s V II, and tha t fo r the o the rs wa s V III. Ow2 ing to the h igh se ism ic in ten sity of Yingxiu Town in th is ea rthquake, the bu ild ings we re de stroyed mo st se riou sly. The dam age to the bu ild ings wa s rep re sen ta tive. The ea rthquake p rovide s a lo t of va luab le info rm a tion fo r the se is2 mo logica l inve stiga tion. The re sea rch of enginee ring dam age is impo rtan t to the inve stiga tion on theo ry and enginee r2 ing app lica tion s. A cco rd ing to the typ ica l bu ild ings of d iffe ren t struc tu ra l style s, the dam aging p henom ena and the ir cau se s w ill be d iscu ssed in the p ap e r.Key word s:W enchuan Ea rthquake; Yingxiu Town; enginee ring dam age收稿日期 : 2008 - 08- 03; 修订日期 : 2008 - 08- 20基金项目 :国家科技支撑计划项目 ( 2006BAC13B04 ) ;国家科技基础条件平台工作项目 ( 2004D IA3J010 )作者简介 :孙柏涛 ( 1961 - ) ,男 ,研究员 ,主要从事结构抗震和灾害学研究. E2m ail: sunb t iem. net. cn引言2008 年 5月 12日 14 时 28 分 04秒 ,四川省汶川县发生了 M s 8. 0 级地震 。根据地震部门测定 ,本次地震是处在映秀 - 北川断裂上 ,从映秀开始破裂 ,震中位于四川汶川县映秀镇附近 。汶川地震是我国建国以来最为强烈的一次地震 ,直接严重受灾地区达 100 000 km2 。死亡 : 69197人 ,受伤 : 374176人 ,失踪 : 18403人 1 。震中映秀镇地处四川阿坝州汶川县南部 ,位于国道 213 线和省 303 线交汇处 ,与卧龙自然保护区相邻 ,是前往九寨沟 、卧龙 、四姑娘山旅游地的必经之路 。全镇幅员面积 115. 12 km2 ,人口近 1 万人 ,辖 9 个行政村 , 31个村民小组 。渔子溪河和岷江在镇政府所在地汇合并穿境内而过 ,水利资源丰富 ,修建了映秀湾发电总厂 、华能太平驿电厂 、福堂水电厂等水电站 。汶川县的原抗震设防烈度为 7度 ,设计地震加速度为 0. 1 g,设计地震分组为一组 2 。由于经济较为发达 ,该镇中心区正规施工的建筑大多数按照 7度进行抗震设防 ,少数按照 8度进行抗震设防 ,部分建筑未设防 。此次地震 ,映秀镇的宏观烈度为 11度 。下面通过分析各类结构形式的破坏现象 ,讨论破坏的机理与原因 。1 钢筋混凝土框架结构1. 1 钢筋混凝土框架结构震害综述映秀镇钢筋混凝土框架结构约有 10余栋 , 10 %中等破坏 , 10 %严重破坏 , 40 %部分倒塌 , 40 %完全倒毁产生的主要震害现象包括 : 填充墙体剪切裂缝 、倒塌 ; 柱顶混凝土剥落 ,钢筋外露 ,出现“塑性铰 ”; 底层“坐层 ”;整体倾斜倒塌等 3 - 5 。1. 2 典型建筑震害描述1. 2. 1 漩口中学办公楼1. 2. 1. 1 建筑概况漩口中学办公楼建于 2005年 ,建筑面积为 1 180. 44m2 ,主体 3层 ,局部 4层 ,平屋顶 。设防烈度为 7 度 ,属于正规施工 。混凝土标号 : 柱 C30; 梁 C30; 板 C30。钢筋 : I级钢筋 H PB235, II级钢筋 HRB335。底柱尺寸为400 mm 400 mm ,填充墙体采用 MU10空心砌块 ,M5砂浆砌筑 ,各层墙身厚度均为 200 mm ,屋面与楼板均现浇底层层高 4. 05 m ,二层层高 3. 60 m ,三层层高 3. 90 m ,四层层高 3. 60 m ,基础为独立柱基 ,基础深度为 3 m。图 1 漩口中学办公楼平面简图F ig. 1 P lane ske tch of office bu ild ing of Yingxiu Seconda ry Schoo l第 5期孙柏涛等 :汶川 8. 0级大地震极重灾区映秀镇不同建筑结构震害概述及原因简析31. 2. 1. 2 震害描述该建筑主要用于教师办公室 ,开间较小 ,而且是两榀框架 。地震中框架主体结构基本完好 ,背面的一侧 由于地震中与倒塌的综合楼发生严重碰撞局部破坏 ,各层填充墙出现剪切裂缝 。女儿墙局部倒塌 ,门脸位置 突出 ,装饰墙体局部倒塌 。该建筑属于中等破坏 ,局部因碰撞造成严重破坏 。图 2 漩口中学办公楼 (局部 1)F ig. 2 O ffice bu ild ing of Yingxiu Seconda ry Schoo l (Loca l 1)图 3 漩口中学办公楼 (局部 2 )F ig. 3 O ffice bu ild ing of Yingxiu Seconda ry Schoo l (Loca l 2 )1. 2. 2 漩口中学综合楼1. 2. 2. 1 建筑概况漩口中学综合楼建于 2005年 ,建筑面积为 3 618. 3 m2 ,主体 5层 ,平屋顶 。设防烈度为 7 度 ,属于正规施 工 。混凝土标号 :柱 C30 ,梁 C30 ,板 C30。钢筋 : I级钢筋 H PB 235 , II级钢筋 HRB 335。填充墙体采用 MU10 空心砌块 , M 5 砂浆砌筑 。底柱尺寸为 400 mm 400 mm ,各层墙身厚度均为 200 mm ,屋面与楼板均现浇 。底 层层高 4. 05 m ,其余各层层高 3. 60 m ,基础形式为独立柱基 ,基础深度为 3 m。图 4 漩口中学办公楼平面简图F ig. 4 P lane ske tch of office bu ild ing of Yingxiu Seconda ry Schoo l1. 2. 2. 2 震害描述该建筑由两部分组成 ,中间设有抗震缝 ,而且是两榀框架 ,主要用于教室 ,开间较大 。图中右半部分完全 倒毁 ,左半部分向右倾斜 ,严重变形 ,底层坐层 。二层少数柱顶混凝土剥落 ,钢筋外露 ;二层填充墙局部倒塌 ; 多数窗肚墙出现贯穿性通透斜裂缝 ;外墙装饰层大量掉落 。该建筑属于毁坏 。图 5 漩口中学综合楼 (整体 1 )F ig. 5 The comp rehen sive bu ild ing of YingxiuSeconda ry Schoo l ( Globa l 1)图 6 漩口中学综合楼 (局部 1 )F ig. 6 The comp rehen sive bu ild ing of YingxiuSeconda ry Schoo l (Loca l 1 )1. 2. 3 阿坝州烟草公司仓库1. 2. 3. 1 建筑概况阿坝州烟草公司仓库建于 2005年 ,设防烈度为 8 度 ,属于正规施工 。混凝土标号 : C30。钢筋 : H PB 235底柱尺寸 400 mm 400 mm ,填充墙体采用 MU10空心砌块 , M 5 砂浆砌筑 ,各层墙身厚度均为 200 mm ,屋面与楼板均现浇 。主体三层 ,局部四层 ,平屋顶 。底层层高 3. 9 m ,其余层层高 3. 3 m。图 8 阿坝州烟草公司仓库F ig. 8 A ba Tobacco Comp any wa rehou se图 7 阿坝州烟草公司仓库平面简图F ig. 7 P lane ske tch of A ba Tobacco Comp any wa rehou se1. 2. 3. 2 震害描述底层多数柱头混凝土酥碎 ,钢筋严重弯曲 ,产生了较大变位甚至折断 。底层多数填充墙局部倒塌 。该建筑属于严重破坏 。1. 3 震害原因对比分析( 1 )对比漩口中学办公楼与漩口中学综合楼 ,两栋建筑均为正规设计 ,正规施工 。场地相同 ,承重结构的截面尺寸与配筋相同 ,填充墙体的材料与厚度也相同 。地震中 ,漩口中学综合楼右半部分完全倒毁 ,左半部分向右倾斜 ,严重变形 ,底层坐层 。而与其相邻的办公楼的主体结构基本完好 ,仅由于与相邻的教学综合楼发生碰撞 ,导致部分填充墙以及女儿墙撞坏 。其原因在于 :漩口中学综合楼一至五层均为教室 ,开间达到9 m ,填充墙较少 ,过于空旷 ,整体侧向刚度较差 。由于位于极震区 ,地震动强度大 ,根据剪力呈三角形分布的假定 ,对于竖向刚度均匀的建筑 ,底部承受的剪力与刚度之比最大 ,因此该建筑的底层被剪断 ,发生坐层现象 。而漩口中学办公楼的开间小 ,填充墙较多 ,侧向刚度较大 ,地震时填充墙消耗掉部分地震能量 ,起到了保护主体结构的作用 。( 2 )阿坝州烟草公司仓库属于正规设计 、正规施工的建筑 。该建筑平面形状规则 ,刚度分布均匀 ,设计与布置合理 ,按照 8度进行抗震设防 ,且超出当地的抗震设防烈度 1 度 。由于考虑当地羌族风俗习惯 ,多数窗口为假窗 ,仅起装饰作用 ,填充墙体开洞较少 ,整体性强 。由于位于极震区 ,地震动强度大 ,根据剪力呈三角形分布的假定 ,对于竖向刚度均匀的建筑 ,底部承受的剪力和刚度之比最大 ,因此该建筑的底层破坏严重框架的层间变形过大 ,填充墙企图阻止框架结构变形 ,但因砌体的极限变形很小 ,在往复载荷作用下 ,就会倒塌 ,消耗掉相当一部分地震能量 。当多数填充墙倒塌后 ,地震作用完全由框架独自承担 ,由于柱顶处的弯矩 、剪力和轴力都比较大 ,在弯矩和剪力 、压力的联合作用下 ,混凝土开裂剥落 ,在纵向压力的作用下 ,钢筋产生屈服变形 ,柱子失去承载能力 ,出现“塑性铰 ”。从举例的 3个结构对比看 ,提高设防烈度是减轻灾害的有效手段之一 ;同时 ,开间小 ,保持非承重墙体地震中的稳定性同样是减轻震害的有效措施 。2 砖混结构2. 1 砖混结构震害综述映秀镇砖混结构约有 30余栋 , 10 %严重破坏 , 40 %部分倒塌 , 50 %完全倒毁 。产生的主要震害包括 : 承第 5期孙柏涛等 :汶川 8. 0级大地震极重灾区映秀镇不同建筑结构震害概述及原因简析5重墙 、窗间墙 、窗肚墙出现贯穿性通透斜裂缝或者交叉裂缝 ;局部倒塌 ;坐层现象 ;一塌到底 ;突出屋顶的结构局部倒毁 。2. 2 典型建筑震害描述2. 2. 1 漩口中学学生宿舍楼2. 2. 1. 1 建筑概况漩口中学学生宿舍楼建于 2005 年 ,主体 5层 ,建筑面积为 3 171. 22 m2 ,设防烈度为 7度 ,属于正规施工 。采用条形基础 ;承重墙体采用 MU 10 普通烧结砖 ,各层墙身厚度均为 240 mm;一至二层采用 M 10 水泥混合砂浆砌筑 ,三层以上采用 M 7. 5 水泥混合砂浆砌筑 ;混凝土标号为 C25;钢筋为 H PB 235;层层圈梁 ,构造柱设置 合理 ;屋面与楼板均现浇 。平屋顶 ,各层层高 3. 2 m。条形基础 ,深 2. 5 m。图 9 漩口中学学生宿舍楼平面简图F ig. 9 P lane ske tch of studen t do rm ito ry of Yingxiu Seconda ry Schoo l2. 2. 1. 2 震害描述多数窗间墙与窗肚墙出现贯穿性斜裂缝和交叉裂缝 ,多片承重墙体严重剪切裂缝 ,突出屋顶的结构局部 倒毁 ,底层坐层 (图 10 ) 。图 10 漩口中学学生宿舍F ig. 10 Studen t do rm ito ry of Yingxiu Seconda ry Schoo l2. 2. 2 漩口中学教师住宅楼2. 2. 2. 1 建筑概况 漩口中学 教 师 住 宅 楼 有4 栋 , 其 中 破 坏 较 重 的 一 栋 如 下 图 , 建 于 2005 年 , 主 体 5 层 , 建 筑 面 积 为1 874. 70 m2 。设防烈度为 7度 ,属于正规施工 。基础采用条形基础 ; 承重墙体采用 MU 10 页岩砖 ,各层墙身厚度均为 240 mm。一至二层采用 M 10 水泥混合砂浆砌筑 ,三层以上采用 M 7. 5 水泥混合砂浆砌筑 ;混凝土标号为 C25;钢筋为 H PB 235;层层圈梁构造柱 ;屋面与楼板均现浇 。平屋顶 ,各层层高 3. 0 m。条形基础 ,深2. 5 m。图 11 漩口中学教师住宅楼平面简图F ig. 11 P lane ske tch of teache rsre siden tia l bu ild ing of Yingxiu Seconda ry Schoo l震害描述2. 2. 2. 2底层与二层多数为承重墙 ,一 、二层多片承重墙体严重剪切裂缝 。窗间墙和窗肚墙出现贯穿性通透斜裂缝和交叉裂缝 。该建筑属于严重破坏 。2. 2. 3 电厂办公楼2. 2. 3. 1 建筑概况该建筑建于上世纪 80年代 ,建造时未考虑抗震设防 ,上世纪 90 年代初采用捆绑式加固方法 ,在外部层层设置了圈梁以及构造柱 ,对该建筑进行了抗震加固 。基础采用条形基础 ;承重墙体采用普通烧结砖 ,各层墙身厚度均为 240 mm;水泥混合砂浆砌筑 ;混凝土标号为 C25;钢筋为 H PB 235;屋面与楼板均为预制板 。主体 3 层 ,平屋顶 ,各层层高为 3. 0 m。该建筑已经倒毁 ,平面简图无法收集到 。2. 2. 3. 2震害描述局部倒塌 。未倒塌部分构造柱混凝土酥碎 ,钢筋严重弯曲 ,产生了很大变形 。图 12 漩口中学教师住宅楼F ig. 12 Teache rsre siden tia l bu ild ing of Yingxiu Seconda ry Schoo l2. 3 震害原因对比分析图 13 电厂办公楼F ig. 13 O ffice bu ild ing of the Powe r Sta tion( 1 )对比漩口中学学生宿舍和漩口中学教师住宅楼 ,两栋建筑同按 7 度进行抗震设防 ,均为正规设计 ,正规施工 。场地相同 ,基础形式相同 ,承重墙体厚度相同 ,但学生宿舍采用 MU10普通烧结砖 ,教师住宅楼采用 MU 10页岩砖 。两栋建筑均层层设置圈梁和构造柱 ,圈梁和构造柱的截面尺寸和配筋相同 ,学生宿舍每层第 5期孙柏涛等 :汶川 8. 0级大地震极重灾区映秀镇不同建筑结构震害概述及原因简析7仅在楼梯间的四角和外墙四角设置了构造柱 ,而教师住宅楼则在外墙四角 、楼梯间的四角 、单元横墙与外墙交接处 、山墙与内纵墙交接处 、内墙与外墙交接处和内墙局部较小墙垛处设置构造柱 。教师住宅楼构造柱的 数量远远多于学生宿舍 。地震中 ,教师住宅楼发生了严重破坏 ,而学生宿舍发生底层“坐层 ”现象 。可见 ,即使按照同样的抗震设防烈度进行设计的建筑 ,若采用不同的构造措施 ,在同一次地震中的表现也是不同的 。同等条件下 ,多设置构造柱 ,将增加结构的整体抗倒塌能力 。( 2 )电厂办公楼建造时未考虑抗震设防 ,过后采用捆绑式方法进行加固 ,但其整体抗震性能还是无法与 严格按照建筑抗震设计规范进行设计的建筑相比 ,在地震中倒毁 。3 底框架结构3. 1 底框架结构震害综述底框架结构是在震区大量出现的结构类型 ,底层一般因为功能的要求 ,开间和开门洞较大 ,所以设计上 采用了框架的形式 ,上层又为了降低建设成本采用砖混结构形式 。映秀镇底框架结构约有 60 余栋 ,本次地 震中刚度转换层产生“坐层 ”现象非常突出 3 - 5 。3. 2 典型建筑震害描述3. 2. 1 映秀宾馆3. 2. 1. 1 建筑概况该建筑属于正规设计 ,正规施工的建筑 。设防烈度为 7度 ,共四层 ,底层为框架结构 ,二至四层为砖混结 构 。底柱尺寸为 350 mm 350 mm , 混凝土标号为 C25 ,钢筋为 H PB 235 ,填充墙体采用普通烧结砖 , M 5 砂浆 砌筑 ,墙身厚度均为 240 mm;二至四层采用普通烧结砖 ,各层墙身厚度均为 240 mm ,水泥混合砂浆砌筑 ,层 层圈梁构造柱 ;屋面与楼板均现浇 。主体 4层 ,平屋顶 ,底层层高 3. 6 m ,其余各层层高 3. 0 m。该建筑的平面简图无法收集到 。3. 2. 1. 2震害描述二层“坐层 ”,一层的填充墙体剪切裂缝 。从图 9和图 11中可以看到 ,映秀宾馆对面的建筑是底框架结 构 ,亦发生二层“坐层 ”。在映秀镇 ,这种破坏形式十分普遍 。图 14 映秀宾馆 (整体 1)F ig. 14 Yingxiu Ho te l ( Globa l 1 )3. 2. 2 信用社3. 2. 2. 1 建筑概况图 15 映秀宾馆 (整体 2 )F ig. 15 Yingxiu Ho te l ( Globa l 2 )该建筑属于非正规设计建筑 。没有进行抗震设防 ,共二层 ,底层为框架结构 ,层高 3. 0 m;二层为砖混结构 ,层高 3. 0 m。底柱尺寸为 350 mm 350 mm , 混凝土标号为 C25 ,钢筋为 H PB 235。填充墙体采用普通烧 结砖 ,灰浆砌筑 ,墙身厚度均为 180 mm;二层采用普通烧结砖 ,墙身厚度均为 120 mm ,灰浆砌筑 ,屋面与楼板均预制 。该建筑完全倒毁 ,平面简图无法收集到 。3. 2. 2. 2 震害描述该建筑完全倒毁 。图 16 圆源园茶坊F ig. 16 Yuanyuanyuan Tea Hou se图 17 信用社F ig. 17 C red it Coop e ra tive s3. 3 震害原因对比分析映秀宾馆一层为钢筋混凝土框架结构 ,二至四层为砖混结构 ,底层刚度要远大于二层 ,在二层位置处刚度发生突变 ,结果在二层形成薄弱层 。由于该建筑位于极震区 ,巨大的水平地震作用把薄弱层剪断 ,出现二层坐层现象 。信用社没有考虑抗震设防 ,施工质量差 ,并且位于极震区 ,在强烈的水平地震作用下 ,该建筑完全倒毁 。底框架结构由于功能的需要很难使框架和砖混转换层的刚度过渡达到设防的要求或者说做到合理的刚度过渡 。无论是否考虑抗震设防 ,该类结构在极震区的表现都很差 ,均发生坐层以及完全倒毁等现象 。建议以后在高烈度区限制使用底框架结构 。4 工业厂房4. 1 工业厂房震害综述映秀镇工业排架厂房有 6栋左右 ,均发生严重的破坏 。产生的主要震害包括 :多数填充墙倒塌 ;落顶 ;排架柱倾斜 ,一塌到底 。4. 2 典型建筑震害描述4. 2. 1 厂房类型 1该厂房 1跨 , 7 个柱距 ,总长 42 m ,总宽 12 m ,跨高 11 m 。采用钢筋混凝土柱 、钢屋架 、大型屋面板屋盖 。钢筋混凝土柱为矩形截面 ,高 60 cm ,宽 50 cm。混凝土标号为 C30 ,钢筋为 H PB 235。外墙厚 24 cm ,无内隔墙 。图 19 厂房 2侧面图F ig. 19 P rofile of fac to ry bu ild ing 2图 18 厂房 1侧面图F ig. 18 P rofile of fac to ry bu ild ing 1第 5期孙柏涛等 :汶川 8. 0级大地震极重灾区映秀镇不同建筑结构震害概述及原因简析94. 2. 2 厂房类型 2该厂房 3跨 , 7 个柱距 ,总长 42 m ,总宽 18 m ,跨高 11 m。采用钢筋混凝土柱 、钢屋架 、大型屋面板屋盖 。钢筋混凝土柱为矩形截面 ,截面高 60 cm ,宽 50 cm。混凝土标号为 C30 ,钢筋为 H PB 235。外墙厚 24 cm ,无内隔墙 。图 20 厂房 (整体 1)F ig. 2