砖混结构房屋建筑是芦山老县城的大多数房屋结构类型,不同的房屋布局、不同建造年代和不同地点,其纵墙和横墙的破坏程度不同,内纵墙和内横墙大多数形成交叉裂缝,有的墙体被“震酥”、有的局部倒塌(图1),不可修复。部分砖混结构房屋在门窗洞口容易出现水平裂缝(李宏男等,2008,周云等,2009,; 洪海春等,2011)。

红军广场旁边的两层砖混结构房屋出现阳台塌落、墙体局部倒塌的现象,承重横墙剪切破坏和开裂。同时,部分横墙墙体突出、部分横墙墙体凹陷。窗间墙的中心部位是突出最明显的部分,与墙体凹陷部分的最大差值达到10 cm(图1)。

图1 砖混结构房屋局部倒塌
Fig.1 Local collapse of brick concrete building

汉城大酒店对面的砖混结构房屋,构造柱与圈梁的节点部位上方靠近窗户处发生箍筋变形和弯曲(图2),致使箍筋基本失效,混凝土开裂、

图2 砖混结构的构造柱开裂和变形
Fig.2 Cloumn fracture and deformation of brick concrete building

由于“鞭梢效应”作用,部分三、四层砖混结构房屋的顶层钢筋混凝土预制楼板被地震水平作用晃动甩出,掉落在地面上成碎块。预制楼板厚度较薄、强度较低,其中放置的钢筋数量较少、直径较小,其厚度约为8 cm(图3)。但是,个别二层砖混结构房屋的预制楼板整体掉落、比较完整。由此可知,直接将预制梁和楼板浮放在承重墙体上导致施工质量较差,预制楼板间的连接构造、配筋和施工质量等不能满足有关规范的要求(GB50003—2001; JGJ161—2008; GB50011—2010)。

图3 砖混结构房屋的预制楼板掉落
Fig.3 Fall of prefabricate slab of brick concrete building

砖混结构房屋墙体绝大多数发生破坏,破坏类型主要为沿门窗洞口的斜向裂缝、水平裂缝或者交叉裂缝(李碧雄等,2009; 王翠坤,杨 沈,2008; 贺秋梅等,2007; 洪海春等,2011)。纵横墙交接处是抗震的薄弱点(镇(乡)村建筑抗震技术规程,2008),但由于纵横墙之间的联接部位处理措施不到位,不符合相关的规范,使得纵横墙出现通天的竖向裂缝,纵横墙墙体位移量达到10 cm(图5)。

图4 芦山河岸边砖混结构房屋严重破坏
Fig.4 Serious destruction of brick concrete building in the side of Lushan River

图5 砖混结构房屋墙体位移
Fig.5 The deformation of wall of brick concrete building

为了防暑降温,部分居民在自建房屋的房顶蓄水,有的甚至在房顶培土种植蔬菜和花草,屋顶的水荷载在地震作用下,使得荷载分布更加不均匀(洪海春等,2012),“头重脚轻”现象加剧,容易产生剪切破坏,从而导致地震破坏加剧,有的墙体出现交叉裂缝、墙体渗水(图7)。有的房屋出现裂缝后,水沿着缝隙下漏,墙体承载能力和房屋抗震性能进一步削弱。

图6 楼梯间现浇混凝土楼板倒塌
Fig.6 Collapse of cast-in-place concrete floor in the stairs

图7 砖混结构房屋楼顶蓄水
Fig.7 Saving water of the roof of brick concrete building

图8 砖混结构房屋在水平两个方向位移
Fig.8 Deformation of the wall of brick concrete building in two directions

砖木结构房屋建筑是芦山老县城的少数房屋结构类型,部分自建砖木结构房屋通常没有正规的设计和施工,如砖柱内有木梁直接埋入,破坏了砖柱的整体性,导致该类房屋抗震性能较差。带砌体墙的穿斗木构架结构房屋严重破坏或者毁坏,局部墙体倒塌、屋脊破坏和屋顶瓦片掀翻、滑落,部分连接较差的木屋顶出现脱榫现象(图9)。

图9 砖木结构房屋严重破坏
Fig.9 Serious destruction of brick wood building

图 10 房顶瓦片掀翻
Fig.10 Tiles of roof tilting

底框或者局部底框(上部砖混结构或者砖木结构)的混合结构房屋在芦山地震中破坏比较常见。部分房屋建筑由于附属结构和主体结构碰撞而导致破坏严重、错位甚至垮塌,特别是在刚度突变、形状突变、建筑材料突变或者窗户尺寸过大、窗户位置设置不妥等情况下。

混凝土框剪结构中框架与剪力墙的力学行为差异及其分布的多样性,使得它们在共同抵御强震作用时存在复杂耦合效应(吴波等,2011; Bozdogan,2009; Lu,2002; Shieh-Beygi,Pietruszczak,2008)。部分二、三层底框或者局部底框(上部砖混结构或者砖木结构)的混合结构房屋,其内纵墙出现交叉裂缝、承重横墙出现斜裂缝,导致墙体破坏严重,部分处于全部或者局部倒塌的边缘,木屋架普遍毁坏。这类混合结构房屋大多为经营门面房,在承重构造上采用砖砌柱体(金波等,2013)。一方面,有的砖砌柱体没有地圈梁连接而浮放在基础上,在地震竖向作用下使得砖砌柱体被整体全部拔起,这是导致混合结构毁坏的重要原因。另一方面,砖柱之间缺乏横梁的相互连接,砖砌柱体和木结构或者砖砌结构的结合部位也不牢固,在地震水平作用下使得砖柱拦腰截断和位错(约3 cm)等,最终导致混合结构房屋整体倒塌。然而,钢筋混凝土柱体没有出现拔起、截断和位错的现象。

玉溪花园小区新建的多层框架结构房屋底部的填充墙局部开裂破坏、局部空心砖劈裂,下部两层墙体的粉刷水泥灰出现小面积脱落、装修瓷砖局部脱落(图 11),但是,主体结构无倾斜、柱脚无压溃、梁和柱的肉眼可见裂缝和变形不明显、门窗洞口处填充墙未错位等,属于轻微破坏。同时,有少数楼房局部出现地基不均匀沉降、梯段板的施工缝处发生剪切错动(钢筋无明显屈服)导致抹灰掉落等轻微破坏。从下往上,随着层数的升高,震害逐渐减轻,到达顶层时基本完好。总体而言,框架结构房屋建筑的震害较轻。

图 11 框架结构房屋轻微破坏
Fig.11 Slight damage of frame structure building

图 12 水泥道路出现起伏变形
Fig.12 Rise and fall deformation of the cement road

芦山老县城存在个别砖石结构房屋建筑,有部分砖石结构房屋的基础是浮放在地基上的,在地震作用下由于基础的光滑完整,鹅卵石相互之间缺乏粘结力,在砌筑时仅用石灰浆垒砌,抗震性能很差,导致个别鹅卵石脱落和基础破坏(图 13),有的甚至导致承重墙体局部倒塌或者严重破坏,而橱柜、电视柜、书柜等室内物品翻倒,有的出现窗户和纱窗掉落的现象。

图 13 砖石结构基础破坏
Fig.13 Damage of foundation of brick stone building

在中国地震局(2013)发布的《四川省芦山“4·20”7.0级强烈地震烈度图》中,芦山县老城区地震烈度为Ⅷ～Ⅸ度。芦山飞仙强震台是距离芦山老县城最近的强震台(大约10 km),获取的主震三分量加速度记录(未校正)如表1所示,加速度峰值分别为-387.410、-356.989和267.381 gal,芦山老县城的抗震设防烈度为Ⅶ度,其设计基本地震加速度为0.15 g。由此可见,芦山地震对芦山老县城的地震动作用远高于房屋建筑50年设计基准期内预计可能遭遇到的地震动作用。因此,在强地震动作用下,芦山县老城区相当于正规设计的房屋建筑遭到了严重破坏,超过其抗震设防烈度。

表1 芦山飞仙强震台记录
Tab.1 Recording at the Feixian strong motion station

由于场地条件不利或者地基、基础处理不当,地震时容易出现地裂缝和震陷,加剧地基的不均匀沉降,导致房屋发生严重破坏或者倒塌,大多数房屋建筑没有进行岩土工程勘察。在地震中房屋建筑地基的不均匀变形是导致房屋结构破坏较重的主要原因,修建在山坡上、孤山上等的房屋建筑,工程场地地形对地震动的放大效应影响是重要因素。

居民自建房屋的场址应避开潜在的地震滑坡、崩塌、塌陷地带等不利地段,并根据灾害可能的影响范围确定避让距离(建筑抗震设防设计规范,2010)。当条件不允许避开不利地段时,应采取可靠措施,使房屋建筑在地震时不致由于地基基础失稳而破坏,或者产生过量下沉或倾斜。

砖混结构和砖木结构房屋建筑由于缺乏圈梁和构造柱(采用砖砌的构造柱或者构造柱位置设置不合理)、墙体单薄、窗户开洞较大、施工质量差、地基处理不当等,导致房屋破坏严重、基础不均匀沉降、丧失承载能力等。造成房屋建筑破坏的主要原因除结构本身不合理外,局部场地效应是比较重要的客观因素。通常情况下,基岩埋深较浅的场地,其上覆土层较薄,对低矮的、刚性较大的二、三层房屋结构破坏较大,因此,地震灾害相对较重。

研究表明,造成墙体不在一个平面的原因在于地震动以波的形式向四周传播,在传播过程中,不仅有时间上的变化特性,而且存在着明显的空间变化特性,不同地震波到达时间的差异由所产生的行波效应所导致。红军广场旁边的砖混结构房屋墙体震后不在同一平面(图1)、玉溪花园小区水泥道路出现起伏变形(图 12)的原因主要是行波效应。

因此,对于少部分桥梁、博物馆、影剧院、会展中心等重要的建设工程,虽然其跨度较小,但考虑到建设工程的重要性、遭遇地震破坏后的严重性,在抗震设计时需要研究地震动的行波效应。

砖混结构的墙体强度较低,建筑材料用量较多,结构的自重较大,因此,地震破坏作用也较强。改善砌体材料的力学特性、粘结材料的强度,保证圈梁和构造柱等构造措施,墙体厚度、纵横墙交接处、门窗洞口过梁等符合相关规范要求,这样才能保证房屋建筑有较好的施工质量(王翠坤,杨沈,2008; 李志强等,2013; 贺秋梅等,2007; 洪海春等,2011,2012)。

砖木结构房屋采用粘土砖或者单匹砖作为填充墙的施工工艺应当摒弃(李志强等,2013; 贺秋梅等,2007),在必须要使用的情况下,可以采用篱笆墙,同时,加密横梁和立柱,改善其抗震性能。此外,砖木结构房屋填充墙体的厚度为12 cm,不符合相关规范的要求。

砖石结构房屋由于建筑材料的尺寸规格不同,难以保证砌筑规整以及粘结材料的强度和牢固性。此外,砖石结构房屋缺乏拉结构件,耗散变形能力较低,因此,容易发生受拉、受剪破坏等,其施工质量更应该严格控制。

在芦山县老城区,大部分汶川地震后新建或者经过加固的房屋建筑在此次芦山地震中总体表现较良好(李志强等,2013),但是仍有不同程度的破坏,如何评估房屋结构的地震作用破坏和损伤(陈再现等,2011),选择合理的维修和加固手段,并对维修和加固后的房屋结构进行安全鉴定,正确解答维修和加固后的房屋结构在地震作用下的抗震性能,是值得深入研究的问题。

砖砌体结构房屋典型的震害现象是纵横墙开裂、歪斜、外闪,全部或者局部倒塌,楼梯间突出屋面部分严重毁坏。缺少构造柱的约束机制是纵横墙破坏的主要原因,而“鞭梢效应”和应力集中是楼梯间突出屋面部分毁坏的主要原因。因此,应尽力使得砖砌体结构房屋在平面和立面保持布置整齐,房屋尽量按照“平面简单、规则、对称均匀”的原则来设计,使刚度中心与质量中心重合,避免不对称造成结构扭转破坏、应力集中等。同时,保证抗震构造措施到位,采用合理的构造措施,正规设计和施工。

框架结构房屋具有较好的抗震性能(韦锋等,2009),特别是强柱弱梁机制、隔震减震方法等抗震措施能做好时,可以作为中小城市和镇(乡)村等主要以居民自建房屋为主地区的发展趋势,但其工程的造价比有圈梁和构造柱的砖混结构可能要高10%左右(王翠坤等,2009),建议在有条件的情况下推广使用框架结构。