要和建筑师一起看的灾难片

来源：非解构

作者：上叶侬

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汶川地震已然过去十一年，而这十一年间，地震并未远离我们。地震灾害不时发生，不断造成人员的伤亡和财产损失。

此时以当下的技术条件，面对地震预报这样的问题，人们似乎显得有点束手无策。而从提高房屋建筑抵抗地震灾害的能力，似乎成了较为现实的选择。

地震灾害

自2000年至今，全球每年7-7.9级以上的地震出现的频次在15-20次左右，而几乎每年都有一次8级以上的地震。统计2000-2015年的全球地震死亡总人数达到了801629人，年均因地震死亡人数达到了50102人，地震作为一种极端的自然灾害，其造成的破坏及对人类社会产生的影响不言而喻。

2008年的汶川地震之后的十年间，我国又经历了诸如2010年玉树地震，2014年云南鲁甸地震等破坏性较大的地震，造成了大量的人员伤亡。

而放眼全球，每年都有各种破坏性较强的地震发生。但是2014年和2015年智利发生的两次8级以上的地震分别仅造成了8人和20人死亡，而2016年新西兰发生的8级地震也仅造成了2人死亡，数十人受伤，相较于我国汶川地震，这样的地震等级下的如此小的损失，实在让人叹为观止。

地震造成人员伤亡大体有如下三方面的因素：

①地震造成的自然环境的破坏，如地裂，山崩，海啸，水灾，瘟疫等。

②房屋建筑的破坏和倒塌。

③社会环境的破坏，如饥饿，社会动乱等。

由原因②导致的人员死亡可称为直接性死亡，由原因①，③引起的死亡可称为间接性死亡。

随着人类社会和经济的发展，间接性死亡的几率相对较低，而房屋建筑是任何人离不开的栖息地，目前多数地震人员伤亡都是直接性死亡。

因此可以说地震发生时造成人员伤亡的最主要原因是地震引起的房屋建筑和各类工程设施的破坏倒塌。因而建筑结构的抗震设防对减小地震灾害，确保居民的生命财产安全有着显著的意义。

地震引起的建筑破坏

研究表明，房屋建筑抗震设防烈度提高一度，所增加的投入不足房屋建筑总造价的5%。对房屋建筑结构进行合理的设计来抵抗地震的作用，确保住户的居住安全，减少地震时的伤亡，就显得尤为重要。而这，就需要结构工程师基于现有的手段，对建筑进行合理的设计，实现预防地震灾害的目的。而寻找减轻地震灾害的第一步，就是要找到地震对建筑结构作用的方式。

地震造成建筑破坏的原因

地震，顾名思义就是地面的震动。而地面的震动又如何引起建筑结构的震动呢？我们可以用高中物理就学过的牛顿第二定律来解释，力等于质量乘以加速度：

F=ma

即地震给了建筑一个加速度，而建筑本身有质量。质量与加速度共同形成了一个作用在建筑物上的作用力。我们经常用糖葫芦串模型来描述地震作用下的建筑。即将各层的柱子等效成单根杆件，而在楼层位置处为集中质量，在集中质量处施加水平作用力，就得到了的地震力作用下建筑的基本力学模型。

那么，单看牛顿第二定律，是否施加的加速度越大，或者结构质量越大，所产生的地震力越大，从而引起的结构地震破坏越大呢？来看几个质量相同但高度不同的框架在不同振动频率下的反应。

振动频率4HZ

振动频率6.35HZ

振动频率11.35HZ

在质量恒定的情况下，各结构的随震动反应的大小是随着震动频率的变化而变化的。这种现象可以用共振来解释。结构自振频率与振动频率接近时，结构的反应也就越大。外部激励振动频率越快时，越低矮的建筑的反应越大。

而一条地震波可以被看成n条不同频率下的简谐波的叠加。结构在地震作用下的反应不仅与地震动加速度的大小和频率有关，还与结构本身的特性和地震动的周期有关。那么在外部动力激励的情况下，建筑结构能发生多大的反应呢？

美国Tacoma Narrows Bridge坍塌事故

上世纪四十年代美国Tacoma Narrows Bridge由于风荷载激励引发的共振而产生了过大的结构反应而发生坍塌。同样的道理也适用于地震荷载对建筑结构的激励。在特定的条件下，地震力对建筑物的伤害是致命的。

因此，想和建筑师说明的是，在面对地震时，建筑结构的震害程度不仅与地震的震级相关，同时也与建筑结构本身的地震动特性有关。合理的结构形式和抗震体系是保证建筑抗震安全的首要因素。这就需要在建筑设计，乃至建筑方案阶段，建筑师与结构师进行充分有效的沟通，保证建筑结构合理的抗震能力，避免潜在的风险。这样不仅对结构本身的抗震性能有利，从某种程度上也能让结构在经济性方面避免不必要的浪费。

地震引起的框架结构破坏

某框架结构振动台试验

框架结构的振动台试验中，结构首先在底层发生了破坏，这主要是由于框架首层的反应过大，超过了首层的承载力，导致结构首层产生了薄弱层，薄弱层破坏引起了结构整体的坍塌。而薄弱层根据结构本身的特点，可以出现在建筑的不同楼层。

除了结构整体的受力特性之外，还需要从构件，即结构的梁板墙柱的层面去保证结构的安全性。对结构而言，现行的设计思想是确保结构柱的安全冗余度大于结构梁的安全冗余度，确保结构在地震发生时不至垮塌，即结构设计中“强柱弱梁”的概念。同时，保证梁柱节点的安全冗余度大于梁柱构件本身的冗余度，即结构设计中的“强节点弱构件”的思想。

某框架结构振动台试验某框架结构振动台试验节点破坏

地震引起的砌体结构破坏

砌体结构是中国广大农村地区建筑的主要结构形式，包括广泛存在于闽南地区的石砌体结构。城市中年代较早的建筑中，也有较大比例的砌体结构。由于砌体结构块材之间的连接能力较差，在地震发生时，容易发生较为严重的破坏。

砌体结构振动台试验

文中砌体结构振动台试验中结构的从窗框的角部呈45°角向四周发展。这是典型的砌体结构的破坏形态。类似的震害同样出现在石砌体结构上。而砌体结构的破坏主要是沿着薄弱环节发展。

在多层砌体结构中，多层砌体中的上下层窗之间的墙体出现了斜交的裂缝。这时由于砌体结构多肢墙由受力能力较弱的连梁（窗下墙）连接组成的变形系系统。由于窗下墙弱于窗间墙，导致了窗下墙率先破坏。

砌体结构震害1

砌体结构震害2

石结构震害

总结

随着社会经济的发展，房屋建筑的设计及建造的技术也随之不断进步。

但是地震并未就此远离我们。虽然在建筑结构抗震领域，人们取得了丰硕的成果，但是无法回避的是，地震的发生，仍然会造成巨大的灾难。

因此，我们需要采取一定的手段，准确地计算地震对房屋建筑的影响，研究地震对不同类型房屋的破坏形式，得到相关的科学规律，为地震发生时人们的生命财产安全做好充分的准备。

[1]马玉宏，谢礼立.关于地震人员伤亡因素的探讨[J].自然灾害学报，2000.8（3）：84-90

[2]叶列平，曲哲，陆新征，冯鹏.建筑结构的抗地震倒塌能力——汶川地震建筑震害的教训.汶川地震建筑震害调查与灾后重建分析报告，2008:538-550

[3]汶川地震VIII度和VII度区城市房屋震害及若干典型震害讨论[J].地震工程与工程振动，2009（6）：65-73

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