瀘定6.8級(jí)地震城鎮(zhèn)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(lái)，四川省地震頻發(fā)。據(jù)中國(guó)地震局?jǐn)?shù)據(jù)，2009年至2022年底，四川省陸續(xù)發(fā)生了40余次5.0級(jí)及以上的地震。2008年以后的幾次6.0級(jí)以上地震均發(fā)生在四川省內(nèi)西部的山區(qū)及中小城市。受經(jīng)濟(jì)發(fā)展限制，這些地區(qū)農(nóng)村及城鎮(zhèn)建筑中依然還存在大量自建房，其缺乏正規(guī)的抗震設(shè)計(jì)和有效抗震構(gòu)造措施；幾次強(qiáng)震都引起村鎮(zhèn)建筑出現(xiàn)顯著的震害，也對(duì)城鎮(zhèn)建筑尤其是老舊房屋造成不同程度的破壞[1-2]。當(dāng)前全國(guó)各地十分重視城市更新，正有序的推進(jìn)城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造工作的背景下，調(diào)查城鎮(zhèn)居住建筑的震害十分必要。地震發(fā)生后，課題組第一時(shí)間趕赴地震現(xiàn)場(chǎng)參與應(yīng)急救援和災(zāi)損評(píng)定工作，詳細(xì)調(diào)查了瀘定6.8級(jí)地震災(zāi)區(qū)多棟城鎮(zhèn)居住建筑的震害情況，并分析了震害特征，提出了對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)建議，有助于給既有房屋改造或抗震加固提出行動(dòng)方向，并對(duì)韌性城鎮(zhèn)建設(shè)、減輕災(zāi)害等提供啟示。
震害調(diào)查概述
2022年9月5日12時(shí)52分，四川省甘孜州瀘定縣發(fā)生6.8級(jí)地震。震中位于瀘定縣磨西鎮(zhèn)（北緯29.59°，東經(jīng)102.08°），震源深度16km。根據(jù)中國(guó)地震局發(fā)布的“瀘定6.8級(jí)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(qū)面積達(dá)到19089平方公里，涉及四川省3個(gè)市州12個(gè)縣（市、區(qū)），82個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)（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(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）。位于震中的磨西鎮(zhèn)為9度設(shè)防烈度，本次地震遭遇烈度也為IX度，震害明顯，并出現(xiàn)較多的典型震害建筑，故以磨西鎮(zhèn)及周邊城鎮(zhèn)的居住類建筑為主要調(diào)查對(duì)象，調(diào)查范圍見(jiàn)圖1。這些建筑離震中距離約10~40km。
框架結(jié)構(gòu)典型震害 2.1 框架結(jié)構(gòu)震害特征
本次地震中，框架柱發(fā)生破壞較少。其主要震害集中在柱頂及柱腳。柱端出現(xiàn)典型的壓彎破壞，見(jiàn)圖3（a）和圖3（b），柱頂出現(xiàn)彎剪破壞，見(jiàn)圖3（c）。這是由于地震下框架柱端受力復(fù)雜，承受壓力、剪力和彎矩的共同作用，在薄弱部位先破壞。個(gè)別框架柱出現(xiàn)柱頂節(jié)點(diǎn)壓潰，節(jié)點(diǎn)處的柱縱筋外鼓，節(jié)點(diǎn)處混凝土大面積脫落的震害，形成“弱節(jié)點(diǎn)、弱柱”現(xiàn)象，見(jiàn)圖3（d）。這是由于框架角部節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜且柱節(jié)點(diǎn)處箍筋配置不足，無(wú)法對(duì)縱筋及混凝土形成有效約束，且梁板實(shí)際共同工作的整體剛度遠(yuǎn)大于柱剛度等因素造成。
歷次地震中，“強(qiáng)梁弱柱”現(xiàn)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(duì)較少。主要震害表現(xiàn)為個(gè)別框梁的梁端上下均出現(xiàn)明顯斜裂縫，見(jiàn)圖4。圖中出現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的屈服機(jī)制，除了柱配筋可能進(jìn)行了設(shè)計(jì)加強(qiáng)外，還因?yàn)樵撝鶅蓚?cè)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(duì)較弱的梁端出現(xiàn)反復(fù)的彎剪受力進(jìn)而出鉸破壞。這也間接說(shuō)明，填充墻在結(jié)構(gòu)中的位置及連接方式不同，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也不同，因而通過(guò)乘以一個(gè)整體折減系數(shù)考慮填充墻剛度影響對(duì)梁柱進(jìn)行承載力設(shè)計(jì)可能不符合地震下的真實(shí)受力情況。
樓梯震害主要表現(xiàn)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(xiàn)水平裂縫，見(jiàn)圖5（a）；部分梯梁的梁中及梁端出現(xiàn)剪扭破壞，見(jiàn)圖5（b）。這主要是由于大部分受損居住建筑未執(zhí)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）（2016年版）[10]中關(guān)于框架結(jié)構(gòu)中的樓梯應(yīng)帶入結(jié)構(gòu)整體模型計(jì)算，或者采用可滑動(dòng)分離式的構(gòu)造連接的條文規(guī)定。相比于樓梯進(jìn)入整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中導(dǎo)致周邊構(gòu)件配筋及截面的加大，框架結(jié)構(gòu)中的樓梯設(shè)計(jì)時(shí)往往優(yōu)先采用滑動(dòng)分離式構(gòu)造措施。
▲ 圖5 樓梯典型破壞形態(tài)（磨西鎮(zhèn)，Ⅸ度）
瀘定地震框架結(jié)構(gòu)中填充墻破壞依然較為普遍，其中燒結(jié)普通磚，頁(yè)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(xiàn)為墻體坍塌，見(jiàn)圖6（a）；沿裂縫線的塊體垮塌或錯(cuò)位，見(jiàn)圖6（b）；填充墻由于剪切破壞產(chǎn)生X形裂縫見(jiàn)圖6（c）；填充墻未設(shè)置有效構(gòu)造措施如構(gòu)造柱或圈梁等產(chǎn)生的連接破壞，見(jiàn)圖6（d）。從上述現(xiàn)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(jié)構(gòu)屋架及女兒墻破壞總體較輕，如某斜屋架屋脊處出現(xiàn)掉瓦，見(jiàn)圖7（a），而其主體結(jié)構(gòu)破壞較為輕微；以及女兒墻的端部位置出現(xiàn)開(kāi)裂，抹灰掉落，見(jiàn)圖7（b）。這是由于建筑端部墻體受力復(fù)雜以及局部位置缺失必要的構(gòu)造措施。
▲ 圖7 屋架及女兒墻典型破壞形態(tài)（磨西鎮(zhèn)，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(jié)構(gòu)，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(qū)，建造時(shí)間約為2016年，位于磨西鎮(zhèn)民俗風(fēng)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(yè)，3~9層為住宅。建筑的商業(yè)層高大于5m，顯著高于住宅標(biāo)準(zhǔn)層高約3.2m，立面示意見(jiàn)圖8（a）。住宅平面短邊4跨，長(zhǎng)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(jí)地震烈度后的外觀實(shí)景見(jiàn)圖8(b)。
▲ 圖8 金山花園震后外觀（磨西鎮(zhèn)，Ⅸ度）
2.2.2 震害情況
該高層住宅框架結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)相對(duì)完好，未發(fā)現(xiàn)框架柱出現(xiàn)明顯屈服或破壞。其中，負(fù)一層地下室的震害較輕，主要震害為第2層的個(gè)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(fù)一層地下室往上過(guò)程中，可發(fā)現(xiàn)地下室梁柱未見(jiàn)明顯破壞，僅少量隔墻抹灰局部脫落，見(jiàn)圖9。地上框架柱未見(jiàn)明顯破壞，第2層的個(gè)別框架梁出現(xiàn)斜裂縫，見(jiàn)圖10。
填充墻在1~3層破壞較嚴(yán)重。底層層高較高，外圍隔墻由于內(nèi)外隔墻交界處未設(shè)置構(gòu)造柱，地震下隔墻出現(xiàn)拉裂并錯(cuò)位，見(jiàn)圖11（a）。也發(fā)現(xiàn)設(shè)置圈梁和連系梁的某內(nèi)隔墻在地震中并沒(méi)有垮塌甚至沒(méi)有出現(xiàn)貫通裂縫，僅抹灰出現(xiàn)掉落，見(jiàn)圖11（b）。該工程室內(nèi)填充墻主要為頁(yè)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(jié)普通磚斜砌壓頂?shù)捻?yè)巖空心磚墻體出現(xiàn)大量斜裂縫，見(jiàn)圖11（c）。大體積混凝土空心砌塊主要用于戶內(nèi)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(kāi)，類似柔性連接，其墻體主要震害表現(xiàn)為墻體抹灰掉落，見(jiàn)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(méi)有明顯破壞，樓梯通道堆滿了1~2層掉下來(lái)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(jiàn)圖12（a）。1~2層之間樓梯震害最為嚴(yán)重，隔墻砌塊及抹灰出現(xiàn)大面積掉落，梯梁的梁端及中間部位破壞嚴(yán)重，梯板局部也出現(xiàn)混凝土脫落，見(jiàn)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(xiàn)局部破壞，見(jiàn)圖12（d）。
2.2.3 震害分析
該高層建筑位于9度區(qū)，為9層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，明顯超過(guò)現(xiàn)行規(guī)范[10]允許的框架結(jié)構(gòu)的24m高度限值，且其梁柱截面尺寸總體偏小，會(huì)引起地震下的結(jié)構(gòu)樓層位移及層間位移增大。因此，地震下建筑1~3層的相對(duì)變形較大，是1~3層填充墻及樓梯出現(xiàn)較大破壞的主要原因。地下室結(jié)構(gòu)受擋土墻及周邊土約束，地震下的水平位移小，各構(gòu)件水平受力也較小，因而震害較輕。 底層部分墻體未按規(guī)范要求設(shè)置構(gòu)造柱及水平連系梁以及頁(yè)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(duì)較輕是因?yàn)槠渑c框架梁柱采用類似柔性連接，吸收地震力相對(duì)較小，且干砌咬合的空心砌塊之間可通過(guò)相互間的摩擦耗能。 1~3層樓梯及周邊隔墻破壞較為嚴(yán)重，這是由于該工程樓梯設(shè)計(jì)上存在明顯瑕疵?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，梯梁高約400mm，且配筋不大，可推測(cè)結(jié)構(gòu)模型計(jì)算時(shí)未反映樓梯作用，也未采用分離式樓梯構(gòu)造[10]；樓梯填充墻沒(méi)有采用鋼絲網(wǎng)砂漿面層加強(qiáng)及構(gòu)造柱加密等措施。 砌體結(jié)構(gòu)典型震害 3.1 砌體結(jié)構(gòu)震害特征 砌體結(jié)構(gòu)因其良好的經(jīng)濟(jì)性及成熟的建造經(jīng)驗(yàn)，在小城市（城鎮(zhèn)）得到廣泛運(yùn)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(gòu)造柱破壞，尤其是窗間墻破壞較為普遍。 調(diào)查發(fā)現(xiàn)，少量未嚴(yán)格按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)的砌體結(jié)構(gòu)自建房出現(xiàn)整體破壞，且均在底層首先垮塌。單棟砌體房屋整體垮塌，見(jiàn)圖13（a）；這是由于砌體結(jié)構(gòu)樓層數(shù)量達(dá)到5~6層超出規(guī)范限值，地震下的縱橫承重墻體受力急劇加大，出現(xiàn)大面積破壞，無(wú)法繼續(xù)支撐上部結(jié)構(gòu)，引起結(jié)構(gòu)整體垮塌。個(gè)別砌體房屋還產(chǎn)生傾斜式倒塌，見(jiàn)圖13（b）；這是由于砌體結(jié)構(gòu)在平面上的薄弱環(huán)節(jié)或者角部位置首先出現(xiàn)破壞，導(dǎo)致整體傾覆。
本次地震中，出現(xiàn)震害的砌體結(jié)構(gòu)的墻體普遍采用燒結(jié)普通磚，破壞形態(tài)各異。砌體結(jié)構(gòu)外墻破壞位置主要集中在窗間墻，見(jiàn)圖14；內(nèi)墻破壞主要集中門(mén)洞周邊的位置，見(jiàn)圖15，其震害特征主要表現(xiàn)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(xiàn)不同程度破壞，主要表現(xiàn)為墻體外鼓和接近坍塌破壞，見(jiàn)圖16（a）；這由于墻體未設(shè)置構(gòu)造柱約束墻體；而墻體端部設(shè)置的構(gòu)造柱在中部出現(xiàn)拉彎破壞，見(jiàn)圖16（b）；這是因?yàn)闃翘萃鈬瞬课恢玫膲w在地震作用下受力復(fù)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(jié)構(gòu)，其地理位置特殊，震害特征較為新穎。該建筑位于磨西鎮(zhèn)海螺溝冰川森林公園(東門(mén))附近，主要包括3層的員工宿舍兼做辦公樓，2層的實(shí)驗(yàn)樓及1層的輔助用房。該項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)位置位于磨西鎮(zhèn)冰水堆積臺(tái)地岸坡，員工宿舍背面及側(cè)面距離岸坡懸崖較近，其下是河谷及高陡的坡地，高差達(dá)到120m，項(xiàng)目的建筑布局，見(jiàn)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(zhǎng)方形，長(zhǎng)約32.4m，寬約11.4m，承重墻采用燒結(jié)普通磚，厚度為240mm，鋼筋混凝土構(gòu)造柱尺寸為240mm×240mm，墻體平面及構(gòu)造柱結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖18（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況估計(jì)）。員工宿舍樓正門(mén)入口有門(mén)廳，圍繞2層樓面位置設(shè)置有一圈突出建筑的鋼筋混凝土圈梁。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)改造，在主體結(jié)構(gòu)右側(cè)旁增設(shè)了鋼結(jié)構(gòu)樓梯，通道連接屋頂右側(cè)的大會(huì)議室。
▲ 圖18 員工宿舍樓結(jié)構(gòu)一層平面圖
3.2.2 震害情況
震害調(diào)查表明員工宿舍樓的周邊未發(fā)現(xiàn)地震引起的土層松動(dòng)，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)局部不均勻沉降及地基基礎(chǔ)破壞的跡象。員工宿舍樓發(fā)生底層垮塌，主要破壞發(fā)生在底層的承重砌體墻。 本次地震中，宿舍樓整個(gè)上部結(jié)構(gòu)向左前方偏離，整體破壞形態(tài)見(jiàn)圖19（a）；右側(cè)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(méi)有明顯的損傷，見(jiàn)圖19（b）。大部分構(gòu)造柱被壓潰或折斷錯(cuò)位，見(jiàn)圖20（a）~（d），室內(nèi)3個(gè)構(gòu)造柱將樓板沖切破壞，見(jiàn)圖20（e）。門(mén)廳柱上部節(jié)點(diǎn)區(qū)域混凝土被拉脫，而門(mén)廳柱腳沒(méi)有破壞，見(jiàn)圖21。主要因?yàn)殚T(mén)廳梁相連的構(gòu)造柱被壓潰后，門(mén)廳樓蓋梁及樓板翹起，對(duì)前排門(mén)廳柱產(chǎn)生一個(gè)顯著拉力及局部彎矩，而柱鋼筋錨固不足，造成柱上節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土及鋼筋拉脫。
員工宿舍樓1至2層的梯段破壞嚴(yán)重，見(jiàn)圖22（a），2層及以上的墻體未見(jiàn)倒塌，僅出現(xiàn)一些裂縫，見(jiàn)圖22（b）~（d）；靠近鋼樓梯的山墻與屋蓋拉脫，山墻左右側(cè)洞口間的墻體出現(xiàn)明顯的水平裂縫，見(jiàn)圖22（e）。
辦公樓右側(cè)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(xiàn)水平裂縫，見(jiàn)圖23。距離宿舍樓對(duì)面約60m的2層實(shí)驗(yàn)樓，主體較為完好，室內(nèi)梁柱未發(fā)現(xiàn)顯著破壞，見(jiàn)圖24。
3.2.3 震害分析
3棟建筑相隔不遠(yuǎn)，其破壞程度不同，除房屋施工質(zhì)量及使用狀況等因素外的另一個(gè)重要因素是受場(chǎng)地效應(yīng)的影響。受場(chǎng)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(xiàn)水平裂縫及木屋面整體垮塌等震害分析可知，該場(chǎng)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(fù)作用下，底層承重墻及構(gòu)造柱拉裂，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的水平變形，加速了底層豎向構(gòu)件的傾斜或折斷，使得底層豎向構(gòu)件無(wú)法承擔(dān)或傳遞豎向重力荷載，造成底層承重墻體及構(gòu)造柱整體錯(cuò)位壓垮。這表明傳統(tǒng)無(wú)筋砌體結(jié)構(gòu)抵抗向上的豎向地震作用能力不足，也反映了建設(shè)工程場(chǎng)地選址的重要性和復(fù)雜性。 結(jié)論及建議 瀘定地震發(fā)生在地形、地貌復(fù)雜的山區(qū)，通過(guò)分析震中附近的典型居住建筑的震害特征，得到以下結(jié)論及建議： （1）城鎮(zhèn)居住建筑震害主要集中于未嚴(yán)格按規(guī)范設(shè)計(jì)的老舊居住建筑底部1~2層，再次驗(yàn)證現(xiàn)行規(guī)范[10-11]按結(jié)構(gòu)類型控制結(jié)構(gòu)高度及樓層數(shù)量、加強(qiáng)底部薄弱層設(shè)計(jì)、框架采用滑動(dòng)分離式樓梯的構(gòu)造措施等規(guī)定的必要性。建議城市更新或老舊小區(qū)改造時(shí)加強(qiáng)相關(guān)建筑按現(xiàn)行規(guī)范執(zhí)行情況的排查，并進(jìn)行相應(yīng)改造。 （2）在此次地震中，框架結(jié)構(gòu)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(yán)重。建議框架結(jié)構(gòu)隔墻采用柔性連接方式或采用便于替換改造的輕質(zhì)墻板隔墻，以減輕其震害。 （3）在此次地震中，發(fā)生了少量砌體結(jié)構(gòu)倒塌。這暴露出砌體結(jié)構(gòu)抵抗豎向地震作用能力不足，而現(xiàn)行規(guī)范對(duì)砌體結(jié)構(gòu)豎向地震作用的規(guī)定較少。建議嚴(yán)格控制砌體結(jié)構(gòu)高度及樓層數(shù)，并復(fù)核罕遇地震下砌體墻體及構(gòu)造柱等豎向構(gòu)件的抗拉承載能力，而9度區(qū)的砌體結(jié)構(gòu)宜優(yōu)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(chǎng)地選址時(shí)，盡量避免抗震不利以及容易引起次生災(zāi)害的地段。若不可避免時(shí)，對(duì)重要的建筑宜進(jìn)行工程場(chǎng)地的地震安評(píng)來(lái)確定地震作用。 （5）在此次地震中，居住建筑的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞非常普遍，給災(zāi)后恢復(fù)帶來(lái)了困難，建議災(zāi)區(qū)重建體現(xiàn)韌性城市設(shè)計(jì)理念，按合適的抗震韌性目標(biāo)值進(jìn)行規(guī)劃或設(shè)計(jì)。建議地震頻發(fā)區(qū)的砌體結(jié)構(gòu)可采用造價(jià)低廉、構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便的隔震磚[12]來(lái)提高砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能；而框架結(jié)構(gòu)可引入減震技術(shù)，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(hù)其他填充墻。 致謝：感謝四川省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳、四川省應(yīng)急廳、四川省減災(zāi)專家委員會(huì)、四川省地震局、甘孜州應(yīng)急管理局、瀘定縣住建局、瀘定縣應(yīng)急管理局等單位和同志提供的幫助，感謝在本次震害調(diào)查過(guò)程中給予支持的各個(gè)單位！ 參考文獻(xiàn)
來(lái)源：公眾號(hào) 建筑結(jié)構(gòu)
