汶川大地震震害特点与成因分析.doc

汶川大地震震害特点与成因分析郭迅(中国地震局 工程力学研究所 ,黑龙江 哈尔滨 150080 )摘 要 : 2008年 5月 12日汶川地震造成巨大人员伤亡和财产损失 。本文从工程抗震角度分析了震区房屋倒塌的原因 ,指出地震时房屋倒塌与否与诸多因素有关 。在此基础上 ,分析了汶川地震震害 严重的四个主要因素 :震级大 ,烈度高 ,断层破裂长 ;震区人口稠密 ,房屋 、路桥等人工工程多 ;抗震设 防水平低 ;地震诱发地质灾害严重 。最后 ,将汶川地震震害与 1976 年唐山地震震害作了对比 。所得 结论可供理解汶川地震震害 、改进结构抗震设计参考 。关键词 :汶川地震 ;结构抗震 ;震害 ;倒塌 ;地质灾害中图分类号 : P31519文献标志码 : AC ha ra c ter ist ic s an d m echan ism ana ly s is of the grea t W en chuan ea r thqua keGUO Xun( In stitu te of Enginee ring M echan ic s, Ch ina Ea rthquake A dm in istra tion, H arb in 150080 , Ch ina)A b stra c t: The grea t W enchuan ea rthquake cau sed trem endou s lo sse s of life and p rop e rty. B u ild ing co llap se rea son sa re ana lyzed in view of struc tu ra l ea rthquake re sistance. It is po in ted ou t tha t bu ild ing co llap se is the w re stling re su lt be tween advan tageou s fac to rs and d isadvan tageou s fac to rs. The seve rity of the grea t W enchuan ea rthquake m ay re su lt from la rge m agn itude, strong ground mo tion, w ide sp read su rface rup tu re, den se ly pop u la ted p eop le, la rge num be rs of hou se s, road s and b ridge s, lowe r leve l of se ism ic fo rtifica tion, a s we ll a s se riou s geo logica l d isa ste rs.Key word s:W enchuan ea rthquake; struc tu ra l ea rthquake re sistan t; ea rthquake d isa ste r; co llap se; geo logica l d is2a ste r引言2008年 5月 12日 14: 28 ,四川省汶川县发生 M 8. 0 地震 ,震中位于汶川县映秀镇 (N31. 0 , E103. 4 ) ,震源深度为 14 km。地 震 造 成 的 地 表 破 裂 从 映 秀 镇 开 始 , 向 东 北 经 小 鱼 洞 、汉 旺 、北 川 、南 坝 、青 川 , 绵 延320 km。地震波及四川 、甘肃和陕西三省 ,受灾面积 40万 km2 ,造成人员死亡和失踪 8. 9万人 ,伤 37 万余人 , 经济损失近万亿 。图 1为综合反映该次地震震害分布的烈度图 。发生在四川龙门山区的 M 8. 0 地震造成了 令人难以想象的严重灾害 。作者于震后 14小时赶到灾区开展震害评估 、调查 ,获得了大量珍贵的第一手资料 。本文除展示典型震害外 ,将从地震灾害机理角度 ,对本次地震的震害进行剖析 ,分析该次严重地震灾害 的成因及特点 。收稿日期 : 2009 - 04 - 10; 修订日期 : 2009 - 07 - 07基金项目 :科技部中美合作重大项目 ( 2006D FB71680 ) ;科技支撑计划项目 ( 2006BAC13B04 ) ; 地震行业专项 ( 200808021 ) ; 2008 年度院所为什么震区房屋有的倒了 ,有的没倒 ?1图 1 汶川 8. 0级地震烈度分布图F ig. 1Iso se ism a l m ap of W enchuan ea rthquake图 2 震后北川 ( 11度区 )变成废墟山河易色F ig. 2 The ea rthquake reduced B e ichuan C ity to ru in s汶川地震展现了我国历史上最丰富的震害现象 。图 2 显示震后北川县城民房倒塌十之八九 ,岩体滑坡宛若山崩 ,冲滑断层恰似地裂 ,房屋不存 ,山河改观 ,地震烈度达到中国地震烈度表的 11度 。 房屋地震破坏主要有两种方式 ,其一是地震诱发的地质灾害 (比如滑坡 、泥石流 、地表断裂等 )对房屋的摧 、埋 、撕裂破坏 ;其二是地震产生的惯性力作用到房屋结构上 ,产生振动破坏 。如果地震惯性力超过房屋结构的抗力 ,就可能倒塌 ,否则就不倒 。图 3 显示 ,在都江堰聚源中学 ,教学楼除楼梯间外都倒了 ,而相邻的实 验大楼坏而未倒 。教学楼未倒塌部分以及实验大楼由于构造措施好 ,抵御了地震作用 。图 3 在都江堰聚源中学 ,教学楼除楼梯间外都倒了 ,实验大楼坏而未倒 。未倒塌部分构造措施好 ,抗力超过了地震力F ig. 3 A t J uyuan M idd le Schoo l, the c la ssroom bu ild ing co llap sed excep t the sta irs;the exp e rim en ta l bu ild ing d id no t co llap sed though suffe red seve re dam age地震惯性力取决于两个主要因素 ,一个是地面震动强烈程度 (通常由地面运动加速度峰值表达 ) 。震级大 、距震中近 ,则地面震动就强烈 ;二是结构本身的特性 。在同一地区 ,砖混房屋受到的地震力远大于轻钢结 构房屋 ,一般多层砌体房屋大于高层建筑 。砖混房屋的总体质量通常远大于轻钢结构 ,而地震惯性力与结构质量成正比 。公式 ( 1 )是用反应谱理论描述地震作用的定量表达式 。其中的 FEK为结构受到的总水平地震作用 ,如图 4所示 , FEK是作用于各层地震作用 Fi 之和 ;地震影响系数 由 PGA 乘以动力放大系数 (通常为 23 )得到 ; GEQ为结构等效总重力荷载 。= GEQ( 1 )FEK图 4 结构水平地震作用于示意图F ig. 4 Schem a tic d iagram of struc tu ra l ho rizon ta l ea rthquake fo rce图 5 水平地震反应谱示意图F ig. 5 Schem a tic d iagram ofho rizon ta l ea rthquake re spon se sp ec trum与一般多层砌体房屋相比 ,高层建筑自身的固有振动频率与地震卓越频率相距较远 ,不易产生“共振 ”效应 ,所以高层建筑受到的地震惯性力一般较小 ,这一点用图 5 所示的反应谱观点很容易理解 。图 6显示位 于都江堰 ( 9度区 )的国堰宾馆和汉旺 ( 10度区 )的东汽办公楼均为 13 层 RC 结构 ,除填充墙部分损伤外 ,主 体结构基本完好 。震后对这两栋建筑做了动力特性测试 (图 7 ) ,结果表明 ,其长 、短轴方向第一振型频率约 为 1. 0 H z,对应图 5 中的地震影响系数比平台高度小很多 ,意味着这两栋高层建筑受到的水平地震荷载比邻近的一般多层砖混结构住宅小得多 ,实际上 ,邻近确实倒塌了大批多层砖混结构 。图 6 位于都江堰 ( 9度区 )和汉旺 ( 10度区 ) 13层 RC结构基本完好F ig. 6 RC bu ild ings w ith 13 sto rie s in D u jiangyan ( in ten sity 9 ) and H anwang ( in ten sity 10) rem a in in tac t图 7 位于汉旺 ( 10度区 )的东汽办公楼动力特性实测结果F ig. 7 F ie ld am b ien t vib ra tion m ea su rem en t on the 13 sto ry RC bu ild ing a t H anwang ( in ten sity 10 )影响结构抗震能力的因素比较多 ,主要有建筑材料 (钢 混凝土 砖混 土坯 ) ; 平立面布置 (规则 、匀称 、无刚度突变为好 ) ;结构整体性 (比如有圈梁和构造柱的砌体房屋整体性改善很多 ) ; 其他还有设置多道 防御体系 、施工质量 、结构耗能能力及延性等 。房屋倒塌与否是上述诸多有利与不利因素较量的结果 (图 8 ) 。图 8 房屋倒塌与否是上述诸多有利与不利因素较量的结果F ig. 8 The d isadvan tageou s fac to rs ou twe igh the advan tageou s fac to rs, th is cau se s the co llap se of bu ild ings如图 9所示 ,汉旺 ( 10 度区 )东汽体育馆和都江堰 ( 9度区 )网球馆为钢框架结构 ,震后基本完好 ,表现出很强的抗震能力 。图 9 汉旺 ( 10度区 )东汽体育馆和都江堰 ( 9度区 )网球馆为钢框架结构 ,震后基本完好F ig. 9 Stee l mom en t re sisting fram e stad ium s in H anwang ( in ten sity 10 )and D u jiangyan ( in ten sity 9) rem a ined in tac t du ring the ea rthquake汶川地震显示 ,结构平面和立面布置对结构抗震性能影响很大 。图 10 显示位于映秀镇 ( 10 度区 )的漩口中学 , RC框架结构教学楼因平面柱网布置不合理导致整体倒塌 。图 11 的平面图说明 ,由于 、 轴相距 很近 ,其承担的轴向荷载大致为 轴的 1 /2 ,这样 轴的轴压比将比 、 轴大 1 倍 ,地震荷载作用下 , 轴 的延性变差 ,底层柱首先出现压剪破坏 , 轴高度降低 ,导致结构向前整体倒塌 。图 12 所示的都江堰华夏广场 ( 9 度区 ) RC框架 ,柱网布置与漩口中学类似 ,倒塌模式也类似 。图 10 位于映秀镇 ( 10度区 )的漩口中学 RC框架结构震前 (左 )和震后正面 (右 ) 、背面 (左下 )和柱头破坏细节 (右下 )F ig. 10 RC fram e struc tu re of Xuankou M idd le Schoo l c la ssroom bu ild ing, befo re ea rthquake ( left) , fron t afte r ea rthquake ( righ t) , back afte r ea rthquake ( left down) , and de ta il of co lum n end afte r ea rthquake ( righ t down)结构某一层的质心和刚心相距较远是平面不规则的又一种表现 。图 13显示 ,都江堰华夏广场 ( 9 度区 )RC框架 ,由于底层室外设置楼梯致平面刚心偏离 ,产生严重的扭转破坏 。图 11 漩口中学平面图 (左 )及一层柱地震附加轴力示意图P lan view of Xuankou M idd le Schoo l c la ssroom bu ild ing ( left)and illu stra tion of ea rthquake induced axia l fo rce ( righ t)F ig. 11图 12 都江堰华夏广场 ( 9度区 ) RC框架 ,柱网同漩口中学 ,倒塌模式类似RC fram e struc tu re s in D u jianyan ( in ten sity 9) ,F ig. 12sim ila r configu ra tion of co lum n s a rrangem en t,sim ila r co llap se p a tte rn图 13 都江堰华夏广场 ( 9度区 ) RC框架 ,底层室外楼梯致平面刚心偏离 ,产生扭转破坏RC fram e struc tu re s in D u jianyan ( in ten sity 9 ) ; an ou tdoo r sta ir cau sed obviou s eccen tric ity and seve re to rsiona l dam ageF ig. 13图 14 汉旺 ( 10度区 )的某住宅平面刚度差异大 ,致薄弱部分倒塌F ig. 14 A m a son ry ap a rtm en t bu ild ing in H anwang; the existing of la rge p lana r stiffne ss d iffe rence cau sed weak po rtion to be co llap sed图 15 北川 ( 11度区 )电信局宿舍 (左上 、右上 )底框砖混结构基本完好 ,周围全倒 ,底框柱配翼墙 (左下为柱和翼墙外面 、右下为内侧 )F ig. 15 A fram e suppo rted m a son ry ap a rtm en t bu ild ing in B e ichuan ( in ten sity 11 ) ;It su rvived becau se of the w inged co lum n s in the first sto ry wh ile su rround ing bu ild ings a ll co llap sed从结构平面上看 ,如果抗侧力构件 (墙 、柱或斜撑 )分布或密或疏 ,这种不均匀也造成抗震不利结果 ,图14显示汉旺 ( 10度区 )的某住宅两竖向单元之间为实现大开间的功能要求 ,抗侧力构件明显减少 ,造成该部 分刚度降低形成“薄弱 ”环节 ,因剪切塌落 。城市临街房屋底层为满足商业功能要求 ,通常临街面开阔 ,墙很少 ,而非临街面墙正常布置 ,这样造成的刚度差异极大地损害了结构的抗震能力 ,在 10度 、11度区 ,随处可见这样的房屋底层倒塌 ,上部若干层歪斜 地立在那里 ,造成极大人员伤亡 。如果从机理上认识到这一问题 ,解决它并不困难 。图 15 显示 ,位于北川 ( 11度区 )的电信局宿舍是典型的临街房屋 、由于临街面的柱左右均增加“翼墙 ”,减小了与非临街面的刚度差 ,震后基本完好 ,而它周围的房屋全部倒塌 。图 16 位于都江堰市内 ( 9度区 )教堂塔楼因鞭销效应严重破坏A chu rch in D u jiangyan ( in ten sity 9) ;F ig. 16the upp e r slende r po rtion wa s seve re ly dam aged due to wh ip end effec t图 17 都江堰临湖别墅 ( 9度区 ) RC框架 ,底层空旷且层高大 ,柱端破坏F ig. 17 A RC fram e ap a rtm en t in D u jiangyan ( in ten sity 9 ) suffe red side sway dam age becau se of soft first sto ry ( no wa lls)从立面上看 ,刚度 (有时还包括质量 )均匀分布同样重要 。图 16 显示位于都江堰市内 ( 9 度区 )的教堂塔楼因鞭稍效应严重破坏 ,下部主体结构破坏轻得多 。图 17 显示位于都江堰金叶宾馆附近 ( 9 度区 )新建 RC框架结构 ,由于底层空旷且层高大 ,刚度比上部其他层明显地小 ,造成底层柱上下端破坏 ,柱倾斜 ,而上 部其他层基本完好 。图 18显示都江堰华夏广场 ( 9度区 ) RC框架 ,同样因底层空旷且层高大 ,导致底层柱端破坏 ,结构整体倾斜 。由于汶川地震地表破裂达 320 km ,大量农村房屋遭受严重破坏 。图 19 为震区典型农村建筑 ,底层砖混上层木架二层农居 ,上层水平刚度明显小于底层 ,地震造成薄弱的上层倒塌 。从抗震角度分析 ,结构的整体性也极关重要 。 RC框架或钢框架结构梁 、柱或墙等所有构件相互间有可 靠的连接 ,保证了结构整体性良好 ,实现了结构的“高阶超静定 ”,抗震性能好 。砖墙加预制板的一般砖混结构 ,如果没有圈梁和构造柱或仅有圈梁而没有构造柱 ,构件 (墙 、楼板 )之间 、砖块之间的联系很弱 ,像积木玩具一样 ,在地震作用下很容易解体 ,造成重大灾害 。这样的原因导致的人员伤亡通常占有最大的比例 。图 18 都江堰华夏广场 ( 9度区 ) RC框架 ,底层空旷且层高大 ,柱端破坏F ig. 18 A RC fram e ap a rtm en t in D u jiangyan ( in ten sity 9) suffe red side sway dam age becau se of soft first sto ry ( le ss wa lls and la rge r sto ry he igh t)图 19 震区典型底层砖混上木架二层农居 ,左桂溪 ( 9度区 ) ,右永安 ( 9度区 )F ig. 19 Typ ica l dam age p a tte rn in ru ra l a rea, wooden fram e stand s on the m a son ry first sto ry图 20 是我国抗震设计规范中对砖混结构加圈梁和构造柱要求的示意图 。这样的构造措施不但大大加强了结构的整体性 ,还提供了除砖墙以外的又一道水平抗力体系 。图 21显示 ,位于都江堰的银杏公寓 ( 9 度 区 )砖混住宅仅有圈梁而无构造柱 ,局部倒塌 ;图 22显示 ,位于小鱼洞大桥附近 ( 10 度区 )未设圈梁和构造柱 的三层砖混结构严重破坏 。图 23 显示 ,位于 10 度区的擂鼓初中系三层砖混结构 ,由于在规范要求的位置均设置了圈梁和构造柱 ,实现了大震坏而不倒的设计目标 ,没有造成任何伤亡 。而图 3所示的聚源中学 ,教室部分仅有圈梁而无构造 柱 ,结构抗侧力体系不堪一击 ,房屋倒塌 ,造成二百余人死亡 。结构倒塌是造成人员伤亡的最主要因素 ,因此抗倒塌是结构设计的关键目标 。对框架结构而言 ,结构整体屈服机制好于层屈服机制 。强柱弱梁设计希望在大地震作用下塑性铰在梁端出现 ,既能消耗地震能量 ,又 不容易出现局部或整体倒塌 ,强柱弱梁是实现整体屈服机制的主要手段 ;相反 ,强梁弱柱时 ,塑性铰出现在薄 弱层柱的上或下端 ,形成层屈服机制 ,很容易造成薄弱层倒塌 ,从而造成人员伤亡 。弱底层倒塌就是这个道理 。汶川地震揭示 ,大多数框架的破坏都没有实现“强柱弱梁 ”设计目标 。图 20 圈梁和构造柱示意图Schem a tic d iagram of tie beam s and confin ing co lum n sF ig. 20图 21 都江堰银杏公寓 ( 9度区 )仅有圈梁而无构造柱的砖混结构倒塌F ig. 21 A m a son ry ap a rtm en t in D u jiangyan ( in ten sity 9) co llap sed becau se of w ithou t confin ing co lum n s even though tie beam s exist图 22 位于小鱼洞大桥附近 ( 10度区 )未设防三层砖混结构 ,严重破坏F ig. 22 A n un se ism ic de signed th ree - sto ry m a son ry bu ild ing suffe red seve re dam age ( in ten sity 10)图 23 擂鼓初中 ( 10度区 )构造良好的砖混结构 ,实现大震坏而不倒设计目标F ig. 23 A schoo l bu ild ing suffe red seve re dam age bu t d id no t co llap se becau se of the ac tion of tie beam s and confin ing co lum n s system ( in ten sity 10 )图 24 都江堰华夏广场 ( 9度区 ) RC框架结构强柱弱梁屈服机制未能实现It is qu ite common tha t strong co lum n vs weak beam m echan ism wa s no t rea lized ( in ten sity 9 )F ig. 24图 25 映秀 ( 11度区 )梁端塑性铰实例 ,左为无楼板框架 ,右为普通 6层框架F ig. 25 A examp le wh ich show s the strong co lum n bu t weak beam m echan ism ( in ten sity 11 )图 24 显示 ,都江堰华夏广场 ( 9度区 ) RC框架结构强柱弱梁屈服机制未能实现 ,图 17、图 18 也是如此 。少数框架如图 25所示实现了强柱弱梁 ,尽管严重破坏 ,但避免了局部或整体倒塌 。2 汶川地震震害为何如此严重 ?汶川地震震害严重体现在生命损失巨大 (死亡和失踪 8. 9 万人 ,伤 37. 5 万人 ) 、房屋倒塌破坏多 ,此外道 路 、桥梁 、通讯 、供电 、农田等设施损失惨重 ,直接经济损失近万亿元 。造成如此严重震害的原因主要有 4条 。( 1 )震级大 ,烈度高 ,断层破裂长汶川地震震级为 8. 0 ,最高烈度达 11度 ,断层破裂 320余 km (参见图 1 ) 。全世界平均每年发生 8. 0 级 以上地震 34次 , 7. 0级地震 20 次 2 ,并且有些大地震发生在海洋或荒漠地带 ,并不造成较大震害 。图 26显示 ,汶川地震中卧龙地震台 (N31. 034 , E103. 181 ,距断层 22 km )得到的 PGA 达到 0. 95 g,相当于 10 度 。( 2 )震区人口稠密 ,房屋 、路桥等人工工程多历史震害表明 ,人工结构物是地震灾害的载体 ,没有城市和村庄 ,就没有震害 。 2001 年大陆昆仑山 8. 1级地震发生在无人区 ,地表破裂 400多km ,基本没有造成震害 。图 26 汶川地震中卧龙台 (N311034 E1031181 )得到的强震记录时程及反应谱( 3 )抗震设防水平低地震破坏是地震作用与结构抗震能力较量的结果 。对于同等强度的地震 ,设防水平越高 ,震害越轻 。汶 川地震中 ,龙门山断裂带上的映秀 、北川 、青川 、平武等县镇均按 7 度设防 ,沿线村庄根本没设防 。而实际地震强度达到 10或 11度 ,高于设防能力 810倍 (见表 1 ) 。设防水平是经济能力 、技术水平和综合决策的结果 ,应该在可承受的前提下尽量提高设防水平 。表 1 中国地震烈度表 ( 1990 )给出的烈度与 PGA 对应关系Tab le 1 R e la tion sh ip be tween Ch ine se in ten sity and PGA烈度67891011PGA / g0. 060. 100. 200. 400. 801. 60( 4 )地震诱发地质灾害严重此次地震中 ,滑坡 、泥石流 、断层撕裂等地质灾害十分严重 。龙门山地区位于青藏高原东缘 ,是受青藏地 块抬升 、挤压形成的 ,地质年龄相对较轻 ,山高谷深 ,地表岩体破碎 ,水系发育 ,山坡稳定性极差 。汶川地震造 成了历史上最大规模和数量的滑坡 ,掩埋 、摧毁了大量村庄 、道路 、桥梁以及城市街道和建筑 。地质灾害是加 重震害的一个很重要因素 。图 27 给出了北川县城地震前后的对比 ,右图中红线划定的范围分别为给老县城和新县城带来毁灭性灾 害的王家岩和景家岩滑坡 。图 27 北川县城震前的美景 (左 )及震后的惨状 (右 )F ig. 27 Comp a rison of B e ichuan town befo re and afte r the ea rthquake3 与唐山地震对比 ,汶川地震有何特点 ?与 1976 年的唐山地震对比 ,可以更深刻地理解汶川地震的震害 。图 28 系 1976 年唐山地震烈度分布 图 ,表 2给出了唐山地震与汶川地震的主要因素对比 。唐山地震死亡人数更多 ,主要原因是 : ( 1 )地震发生 在凌晨 ,人们大都处于睡眠状态 ,极大地影响了逃生 ; ( 2 )地震发生在无设防 、人口稠密的大城市 ,唐山市中 心的烈度与映秀镇和北川县城相当 ,显然唐山市 11 度区的人口总数要多出许多倍 。唐山地震的经济损失远 远小于汶川地震 ,主要原因是 : ( 1 )汶川地震致灾面积大 ,约为唐山地震的 10倍 ; ( 2 )与 1976 年相比 ,经济水 平有了很大提高 ,灾区震前的社会财富总量远远高于唐山地震灾区 。表 2 唐山地震与汶川地震的主要因素对比Tab le 2 Comp a rison