汶川地震带给我们的启示
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摘 要: 通过对汶川地震造成建筑物破坏情况的分析，探讨地震对建筑物作用的规律，以及建筑抗震设计中概念设计的重要性。
关键词: 纹川地震；启示；有“选择”的破坏作用；建筑抗震；概念设计
中图分类号：TU352.1+1
文献标识码：B
文章编号：1008-0422(2008)09-0027-04
1前言
5・12四川汶川8.0级特大地震造成大量人员伤亡和房屋跨塌，大家无不为此感到痛心，作为一个结构设计工作者，倍感肩上担子的沉重。应《中外建筑》杂志社邀请，笔者有幸前往四川地震灾区一趟，在紧张的三天行程里，到了北川县城、绵竹汉旺镇、都江堰市三个地震重灾区。目睹灾区建筑的破坏情况，心情非常沉痛，一路上，我一直在思索，大自然的力量如此强大而无情，作为一个结构人，我们该做点什么呢？我们又该担起怎样的责任、从中吸取什么教训？此次灾害又带给我们什么样的启示呢？
2地震作用是否有规律可循、地震灾难和损失可否减少
2.1地震作用的特点
地震具有偶然性和不确定性的特点，地震发生的时间、地点、强度是不确定的、随机的；地震作用是短时间的动力作用，一般来说，一次地震的持续时间在1min左右，持续时间长的也就是3min左右。地震对建筑物产生的是动力作用，地震发生时，结构的加速度和惯性力的方向和大小不断变化，作用力的大小与地震动和结构本身的动力特性有关。
地震是由不同周期的振动频率组成的，它的破坏作用也是有“选择”的；短周期的振动衰减快，传播的距离短，长周期的振动衰减慢，传播的距离远；硬土中长周期的振动衰减快，短周期的振动成分多，软土中短周期的振动衰减快，长周期的振动成分多。当建筑结构的自振频率与地震的主振频率相近时，就可能产生共振而造成破坏甚至倒塌。震中附近，硬土上层数少的建筑物破坏严重，距震中远，软土上层数多的建筑物破坏严重，这就是地震有“选择”的破坏作用。
此次四川汶川地震，震中附近多层建筑物破坏严重，倒塌较多；距震中约40km的都江堰市和距震中约90km的成都市的高层建筑损坏较轻，而距震中500km西安市的高层建筑比成都的高层建筑损坏更重，西安的一座100多m高钢筋混凝土烟囱垮了一半，距震中几千公里远的上海的高层建筑震感强烈。由上可见，近震受高频振动影响，对多层建筑物破坏作用大，远震受低频振动影响，对高层建筑物破坏作用大。图1为都江堰市的一栋高层建筑震后的现场照片，该建筑只有下部楼层的部分填充墙破坏，部分梁端部局部出现裂缝，建筑底层的商场还在营业。
图2、图3为北川县城几栋受损较轻建筑的照片，这些建筑集中在一起，建造于不同年代，结构形式各异，在遭受烈度为10度的地震作用下，它们还能保持基本完好。从它们所处的场地来看，估计填土较深、软土场地的可能性较大。由此可见，地震对建筑物的作用，受场地、地基的影响很大，这值得我们深入研究。
北川中学地震后的破坏情况非常特殊，学校中部的两栋教学楼完全倒塌，而右边的一栋六层住宅基本完好，左边的一栋上世纪六十年代建的两层小楼也破坏较轻，由于倒塌的两栋教学楼已成一堆瓦砾，其破坏原因无从考证，暂且称它为“地震有选择的破坏作用”吧。图4为北川中学地震后的现场照片：
2.2城市和建筑选址的重要性
城市和建筑选址的科学性和合理性是避免自然灾害的关键，因此，加强对全国各地区地质构造的勘察研究，特别是对地震断裂带和因地震而带来的次生灾害的灾害性评估工作尤为重要，这需要地震和地质工作者的不断努力。当然地球太大、很复杂，以目前的科学技术水平，对它的认知程度有限。但我们可以就目前已掌握的资料，科学合理地进行规划，避免在大的地震断裂带附近建立大、中城市，避免过多的人口居住生活在地震断裂带附近。这次四川汶川地震所处的龙门山断裂带，处于我国的一个大地震带――南北地震带上，涉及地区包括从宁夏经甘肃东部、四川西部直至云南，属于地震密集带，每隔三、四十年左右就会发生一次7级以上大地震，我们应该对之予以重视。
北川县城的毁灭性破坏是个沉痛的教训，图5为北川县城震后的现场照片，地震引起的山体滑坡淹埋了北川县城的半个老城区；
图6为巨石滚进了建筑物中，对摇摇欲坠的建筑更是“雪上加霜”。
建筑选址同样重要，图7为北川县城毛家坝中学震后的现场照片，地震引起的山体滑坡淹埋了整个学校，我们看到的只有一个孤零零的篮球架和一堆乱石。
2.3建筑的抗震设防标准是否需要普遍提高
汶川地震造成了大量的建筑垮塌和人员伤亡，大家在问，我国建筑的抗震设防标准是否该提高呢？建筑的抗震设防标准应结合我国的国情和经济实力来综合考虑，一味地提高抗震设防标准不科学；因为地震具有偶然性，它也许在建筑的使用寿命期内不发生，普遍提高设防标准需要一定的经济承受力。
下面是绵竹汉旺镇震后垮塌建筑的情况统计：汉旺镇的抗震设防烈度为6度，此次遭受的地震烈度>9度；该镇1980年以前修建的房屋，包括50年代修建的砖木结构及未经抗震设计建造的民房几乎全部倒塌；80~90年间修建的房屋约有40~50％整体倒塌，其余为局部倒塌加严重破坏；90~2000年间修建的房屋，按《89版规范》进行设计，因抗震设防标准有一定提高，该时期修建的房屋未出现整体倒塌，一般为严重破坏或局部倒塌加严重破坏；2000年以后修建的房屋，按现行《2001版规范》进行设计，因抗震设防概念明确，抗震构造措施要求严格，该时期修建的房屋，即使烈度为9~10度，一般也未出现整体倒塌或局部倒塌，仅为严重破坏。从汉旺镇震后垮塌建筑的情况统计可以看到，80年代以前的建筑未设防，80~90年代的建筑设防标准偏低，难以抵抗“大震”，2000年以后修建的房屋，基本可以达到“大震不倒”的设防目标。图8为汉旺镇一栋经抗震加固的房屋震后的现场照片，震后房屋受损较轻。
成都市距此次地震震中约80~90km，它处于四川盆地，地质条件较好，此次遭受的地震烈度目前还没有正式的官方资料，估计为6~7度左右，成都的抗震设防烈度为7度，遭受此次地震后，建筑物损坏较轻，人员伤亡也很少，基本达到我国规范要求的“中震可修”的设防目标。
要减少地震带来的灾害损失，主要是科学合理地确定全国各地区的抗震设防烈度。唐山市地震前的抗震设防烈度为6度，而遭受的地震烈度大于9度；这次汶川地震的部分重灾区如德阳的抗震设防烈度也为6度，而遭受的地震烈度大于9度，因此，加强对全国各地区地质构造的勘察研究、科学合理地确定各地的抗震设防烈度特别重要，地震过后再提高该区抗震设防烈度已于事无补。
但是有针对性地提高某类建筑的抗震设防标准是有必要的，这里我们可以借鉴日本，日本是一个多地震国家，他们把学校和一些公共设施的抗震设防标准提高，平时用来储存救灾物资，地震时作为人员避难所。中、小学及幼儿园的建筑，有大量的师生、人员相对密集，而且是一些自救能力较差的孩子；如遭遇地震，他们的逃生能力有限，因此提高学校建筑的抗震设防标准很有必要。
3概念设计是建筑抗震设计的根本
由于地震作用的不确定性、随机性，地震的强度是不可知的，地震对建筑物作用也是多变的，因此建筑抗震概念设计尤为重要。结构抗震设计时，要以承载力、刚度、延性为主导来构思结构方案，让结构具有良好的整体性，合理的传力途径，多道抗震防线；结构抗震设计就是要让结构具有足够的抗震承载力、良好的变形能力和耗能能力。以下就汶川地震中各种结构的表现情况来谈一谈建筑结构的抗震设计。
北川县城的建筑不高，大多数为六、七层，结构类型主要为框架结构和砖混结构，此次地震后，大部分建筑垮塌，六、七层的建筑留下来的大多为三、四层的废墟。从现场可以看到，框架结构的破坏形态主要为下部楼层的柱上、下端断裂而垮塌。
汶川地震的震中烈度为11度，目前虽没有公布此次地震的烈度区划，估计北川县城的地震烈度约10度左右，而北川的抗震设防烈度为7度，第三设防水准“大震不倒”的设防烈度为8度强。此次建筑遭受的地震作用已大大超过结构的抗震承载力，这是建筑物垮塌的主要原因。但以下几个问题也应引起我们设计人的重视和引以为戒。
3.1框架结构“强柱弱梁”的延性破坏机制为何难以实现
我国的《建筑抗震设计规范》对一、二、三级框架节点的“强柱弱梁”设计有以下要求：∑Mc=η∑Mb，∑Mc――节点上下柱端同向弯矩之和，∑Mc――节点左右梁端同向弯矩之和，η――柱弯矩大系数，7度区的多层框架抗震等级为三级η=1.1，但这仅针对于小震弹性设计；当建筑遭受“中震”、“大震”时，由于地震作用，框架梁、柱的弯矩增大很多，而框架梁端弯矩为竖向荷载和地震作用产生的弯矩之和，其增大比例相对柱要小很多，由于钢筋的超强效应过大，因而造成框架节点处梁受弯承载力大于相对应柱正截面承载力而出现柱铰。这样一来，抗震设计中要求∑Mc=η∑Mb的目的“强柱弱梁”还能实现吗？另外，当结构采用现浇板时，结构分析计算时考虑板的作用而加大梁刚度，梁设计配筋时却没有考虑板钢筋的作用，再者设计人员人为加大梁配筋，这对于框架节点无疑是雪上加霜，因而框架结构“弱柱强梁”的破坏形态就产生了。
图10为框架节点震后破坏的现场照片：
《建筑抗震设计规范》对框架结构的“大震”设计有以下要求：抗震设防烈度为7~9度时楼层屈服强度系数小于0.5的钢筋混凝土框架结构应进行罕遇地震（即大震）作用下的弹塑性变形验算；实际上大多数工程并未做这部分工作，如果6度及以上抗震设防区的框架结构都要求进行弹塑性设计，那么，我们就能及早发现在大震作用下框架结构的塑性铰出现在何处，如有问题，及时修改，“弱柱强梁”的破坏形态就不容易产生了。
3.2减少框架填充墙的不利作用、避免框架结构的“底框效用”
北川县某局办公楼为七层框架结构，震后还剩下三层，图11为该办公楼震后的现场照片。
根据当地人员的介绍，该楼下部两层为大空间商业用房，几乎没有内隔墙，上部为局办公用房，内隔墙较多，且均采用180或240厚粘土砖墙。由于填充墙的不利作用，结构实际上变成了底部两层框架的底框结构，由此结构的刚度与原框架结构比较增大很多，因此其承受的地震作用相应增大很多，而结构底部又无抗震墙来作为其第一道抗震防线，且未按底框结构进行抗震设防，因而造成框架柱承载力不足而破坏。由此可见，我们在抗震设计中，不仅要做好主体结构的抗震设计，也要对非结构构件的不利影响予应重视。
3.3多层砌体结构的抗震性能：
砌体是一种脆性材料，它的受拉、受剪性能较差，因此砌体结构的延性较差，但这并不是说砌体结构没有抗震能力。此次地震灾区之行，我们也看到了砌体结构的不错表现。图12为多层砌体结构震后破坏的现场照片：
从现场照片可以看出，未作抗震设防的砌体结构房屋，由于砌体结构的延性差，因而抗震性能很差；但进行了抗震设防的砌体结构，设置了构造柱和圈梁，加之又有了层数和高度的限制，其抗震性能和安全度都不错。砌体结构遭受较大的地震作用时，砌体墙作为第一道防线，承受地震对建筑产生的水平作用而开裂，但由于有了构造柱和圈梁的约束，开裂的墙体不会垮塔，因而房屋不倒。如果我们的砌体结构房屋采用现浇楼板，结构的整体性会更好，因此，砌体结构房屋采取合理的抗震设防措施，基本可以达到“大震不倒”的抗震设防目标。
3.4学校建筑的抗震设防
大多数中小学教学楼为多层建筑，其结构类型一般为砖混结构或框架结构，这些结构大多存在“先天不足”。当建筑采用砖混结构时，建筑的横墙间距大，而且纵墙开洞较多；当建筑采用框架结构时，大多为单跨框架，而且外挑走廊；这样的结构在抗震性能上存在缺陷，因此学校建筑的设防需要从建筑抗震概念设计开始。我国的《建筑工程抗震设防分类标准》将小学、幼儿园的低矮建筑（砖混结构教室）定为乙类，对其抗震设防标准已有所提高。然而规范不是万能的，它不能涵盖不同工程的情况变化，这就需要我们设计人的专业知识和能力，针对不同的工程，采取不同设计方法和抗震措施，来保证工程结构的抗震能力。
此次我们去的聚源中学，有两栋教学楼垮塌，但学校东南角两栋教学楼的震害情况值得我们深思。其中一栋为2004年新建的四层教学楼，为初一年级的教室，它的结构类型为砖混结构，教室两头的横墙为砌体结构，设置了圈梁和构造柱，教室中部采用两榀钢筋混凝土框架支承楼、屋面板，而且纵墙开洞较少，给框架柱留了一定宽度的翼墙，此次地震后建筑基本完好。图13为该教学楼震后的现场照片：
而与之对面的另一栋三层教学楼，建于上世纪80年代，其结构类型也为砖混结构，只是教室中部的两根钢筋混凝土梁支承于砖柱，教室两头的横墙未设置圈梁和构造柱，地震后，梁下的支承砖柱和墙体已破坏，建筑也成了危房。图14为该教学楼震后的现场照片：
由上可见，学校建筑的结构虽然存在不足，但并非没有抗大震的能力，关键在于我们如何进行抗震设防，采取合理的抗震措施。
此次四川之行，收获颇多、感触颇多，汶川地震的教训是残酷的，值得我们每个建设者的深思。地震是偶然的，其大小也是不确定的，而且对建筑的作用是多变的；在这么多“未知”的情况下，建筑如何进行抗震设防是摆在我们面前的一个大课题，建筑抗震概念设计尤为重要。随着科学技术的发展，对地球的认知程度的提高，我们的抗震设计方法也在不断地进步，基于性能的设计方法的应用，减震、隔震技术的开发，建筑结构的抗震设防将会更加科学合理。愿建筑的抗震性能更加可靠，能真正做到“大震不倒”、和“特大震缓倒”，愿我们生活的家园少一些天灾，平安每一天。