抗震结构体系是抗震设计考虑的关键问题,应根据建筑物抗震设防类别、烈度、建筑高度、场地条件等多种因素综合确定。目前,抗震结构体系主要有多层砌体结构、框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构、钢结构等。本次地震发生在川西地区,当地城镇建筑物主要为砖混结构和框架结构。现根据地震灾区主要建筑物类型的结构体系破坏实例,分析如下。

(1)框架结构优于砌体结构

汶川地震中大量倒塌的多层建筑物都是砌体结构。在北川县城内正在施工中的两座相邻建筑物主体结构均已基本完成(图6)。图6a为震后的框架结构,其主体结构完好无损; 图6b为震后的砖混结构,砖混结构的建筑物也根据建筑抗震规范,作了相应的抗震设计措施,如现浇钢筋混凝土构造柱、现浇钢筋混凝土楼板等,但由于砖混结构自身的抗震结构性较差,结果仍发生了严重的结构破坏。从图中的鲜明对比,不难得出结论。对于多层建筑物,考虑到建筑物的抗震性能,应首选框架结构。

图6 相邻两座在建工程的震后结构情况对比
(a)框架结构结构性完好;(b)砖混结构结构破坏严重
Fig.6 Comparison of post-earthquake structural condition of two adjacent buildings during construction in Beichuan County (a)structural performance of framework structure is perfect; (b)brick-concrete structure suffers serious damage

图7 预制板引发的多米诺骨牌效应
Fig.7 Domino effect triggered by prefabricated slabs

多道抗震防线是抗震概念设计的重要部分,一个好的抗震结构体系,应由若干个延性较好的分体系组成,并相互连接起来协同工作,避免因部分构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力。以框架剪力墙体系为例,其主要由延性框架和抗震剪力墙两个结构体系组成,主要抗剪切力构件是抗震剪力墙,为第一道防线,当抗震墙在一定强度的地震作用下遭受可允许的损坏,其刚度降低,并吸收相当的地震能量后,框架结构系统可起到第二道抗震防线的作用。

震区的砌体结构与框架结构发生严重破坏,主要体现在:砌体结构的构造柱断裂、圈梁破损(图8)、承重墙体开裂、整体坍塌等; 钢筋混凝土框架结构的框架柱破坏、填充墙体开裂楼梯间破损等。

分析以上破坏案例可知,对于砌体结构,应严格按照抗震规范要求,设置钢筋混凝土构造柱和圈梁,并确保两者的连接,以便加强建筑物的稳定性,提高多层砌体结构的抗震性能。构造柱、圈梁虽然不能提高结构的抗震承载力,但作为约束构件,可以提高墙体的延性。在大震作用下,砖墙被破坏后,被圈梁构造柱箍起的墙体还可不倒塌,这就形成了抗震的第二道防线。

图8 构造柱与圈梁受力失效
Fig.8 Loading failure of constructional column and ring beam

图9 “强梁弱柱”类型的破坏案例
Fig.9 Damage case of strong beam and weak column

(3)尽量避免刚度不连续结构体系

通过地震灾区建筑物破坏情况的调查,可知:底层框架砖混结构的建筑物,也是发生严重破坏的结构类型(图 10)。由于这种结构的底层框架与上层砖混的结构不同,造成建筑物结构的强度和刚度不连续,这种不连续性会造成局部薄弱部位产生过大的应力集中。若该部位没有作特别加强性设计,便会提前于相邻部位进入屈服状态,刚度进一步减小。在地震反复作用下,该部位的塑性变形集中,最终可能导致严重破坏甚至倒塌,故其抗震性能很差。在地震多发、高烈度地区应尽量避免采用此类建筑结构体系或需要采取特别加强性设计与措施来提高其抗震能力。

图 10 底层框架砖混结构发生严重破坏
Fig.10 Brick-concrete structure of bottom frame was seriously damaged

震区现场可见,许多建筑物的破坏是由于建筑物各构件之间连接性失效造成的。映秀镇漩口中学宿舍楼为典型的砖混结构,震后没有发生坍塌,从外观看其主体结构相对完好,但其窗间墙体发生较为严重的剪切破坏,出现大量“X”形的裂缝,墙体局部已发生崩塌现象,建筑整体结构已经严重受损(图 11)。究其原因,则是砌块墙体为脆性材料,抗压能力尚可,但其抗拉、抗剪强度都很低,故抗地震剪切能力较差。由于砌体结构中的墙体之间、墙体与楼盖之间缺少拉结筋的设置,在地震剪切力与竖向荷载共同作用下,使得构件以及各构件间的连接性失效,当墙体所受拉应力超过自身强度时,墙体就会产生“X”形的斜交裂缝。故对于此类砖混结构建筑物,需采取墙内设置拉结筋等措施,加强承重墙体的抗剪切能力,确保各构件之间的可靠连接。

图 11 映秀镇漩口中学宿舍楼剪切破坏
Fig.11 Dormitory of Yingxiu Middle School suffered shear damage

非结构构件主要包括建筑非结构构件和建筑附属机电设备。常见非结构构件为隔墙、女儿墙、走廊栏杆、装饰吊顶等,均应进行抗震设计与施工。非结构构件的损坏不会直接造成建筑主体结构的破坏,但若与主体结构连接不牢固,地震时易倒塌坠落砸伤人员或损坏物件,因此非结构构件与主体结构之间应做可靠锚固与连接。

以北川县计划生育服务站办公楼的破坏情况为例(图 12)。图中主体结构相对完好,但外走廊的栏杆砖墙几乎全部倒塌。栏杆砖墙作为非结构构件,最好采用现浇钢筋混凝土结构,但若是采用砖砌筑,则应根据相应的规范要求(国家质量监督检验检疫总局,2001),在外走廊砖砌围栏墙内与主体构件之间设置拉结钢筋,以便两者之间具有可靠连接与锚固。但是本案例没有采取这些抗震措施,因而造成栏杆砖墙的全部倒塌。

图 12 北川县计生服务站办公楼外走廊栏杆倒塌
Fig.12 Brick fence in outside corridor of office building collapsed

隔震技术是在建筑物基础与上部结构之间设置隔震器(图 13),以阻止地震能量向上传递,降低上部结构的地震反应,从而达到一定的抗震设防要求。消能减震设计则是在建筑物的抗侧力构件中设置阻尼器等消能部件,来吸收和消耗地震能量,从而减少输入主体结构的地震能量,达到降低结构地震反应的目的(田文斌,2002)。近十几年,隔震和消能减震技术应用逐渐增加,但大多应用在高烈度区的桥梁工程与高层重要建筑物中(方海等,2005; 林新阳,周福霖,2002),其它建筑物上还未得到广泛应用。目前,在川西地区,隔震和消能减震新技术的应用很少。对于汶川地震灾区这样的高烈度地区的建筑物和其它地区的重要建筑物中,应采用隔震、消能减震高新技术,来提高结构整体抗震水平。

图 13 隔震橡胶支座结构示意图(田文斌,2002)
Fig.13 Structure diagram of isolation rubber bearings (TIAN Wen-bin,2002)

现场考察汶川地震灾区主要破坏的建筑物类型,其中砌体结构多为普通砖混结构(图 14),钢筋混凝土框架结构的填充墙体亦多为砖墙体或砌块墙体。此类砖与砌块材料均为脆性材料,刚度较大,但抗剪强度低,延性差,故其构建而成建筑物的结构整体性与抗震性能较差。为了增加建筑物整体结构性,抵抗地震剪切作用,材料选择上应减少脆性材料的应用比例,优先采用延性与韧性较好的钢筋和强度等级较好的混凝土材料,在整体抗震设计的基础上,确保建筑物具有可靠的抗震性能。例如,加气混凝土是一种具有轻质多孔、保温隔热等特性的新型建筑材料,已被广泛应用于上海大厦、福州大楼等建筑工程中。因其自重轻,地震破坏力小,故其抗震能力得到大大提高。因此,应加大对此类抗震且环保的建筑材料的研究开发力度,并将其广泛应用于实际建筑工程中,从抗震各个环节共同提高建筑物的综合抗震能力。

图 14 脆性材料使用的弊端
Fig.14 Disadvantages of using the brittle materials

对于建筑物的抗震设防能力的影响,建筑施工的好坏,与抗震设计的优劣同样重要。在地震灾区,不少损坏倒塌的建筑物存在诸多施工质量问题,比如,悬挂的断裂楼板没有钢筋连接、砌筑砂浆不饱满、预制楼梯安装不规范造成其悬挂塌落、钢筋混凝土构件配筋不足等现象。同时,也不乏施工过程中对建筑材料把关不严问题,造成使用不合格建材情况,比如水泥标号、钢筋不合规范等。在本次地震中,以上各种建筑施工质量不过关,施工过程偷工减料、不按规范严格施工等现象,严重加剧了建筑物破坏程度。故国家应加强建筑施工质量管理,把好建筑施工与材料的质量关,并加大建筑施工监管力度,确保建筑物严格按抗震设计进行施工。