四川泸定6.8级地震震中区域建筑震害考察与思考

▲ 图2 SC.V2204台记录的泸定地震地震波(东西向)

泸定6.8级地震后,还伴随着多次余震。2022年10月22日13时17分在四川省泸定县发生5.0级地震,震源深度12km,系泸定6.8级地震的一次强余震。截止10月22日,泸定6.8级地震共记录到3.0级及以上余震18次,其中5.0～5.9级地震1次,4.0～4.9级地震2次,3.0～3.9级地震15次 ^[2] 。

泸定6.8级地震等震线长轴呈北西走向,长轴195km,短轴112km,Ⅵ度(6度)区及以上面积19 089平方千米,最高烈度为Ⅸ度(9度),共涉及四川省3个市州12个县(市、区),82个乡镇(街道)。此次地震共造成66人遇难,其中甘孜州遇难38人,雅安市遇难28人,另有15人失联。

泸定6.8级地震造成的破坏主要表现在：1)地质灾害,如山体滑坡、泥石流等 ^[3] ,如图3所示;2)道路、基础设施损坏,如路基路面损坏,河堤损坏等,如图4所示;3)房屋建筑损坏。其中,房屋建筑损坏数量最多,震害表现形式丰富。考察组在震中磨西镇共调查了约301栋建筑,其中禁止使用建筑为79栋,占比约26%,暂停使用建筑为91栋,占比约30%,可以使用建筑为131栋,占比约44%。笔者结合考察过程中收集的震中区域大量震害资料,就房屋建筑抗震防灾的若干问题进行探讨。

磨西镇坐落在磨西台地上(图5),台地宽约200~500m,厚度约50~200m,延伸约20km,两侧为雅家梗河和摩西河,台地两侧陡峭,坡度约60°~80°,台地纵向坡度较缓,约1°~5 ° 。

▲ 图5 磨西镇卫星云图

作为此次地震的震中区域,磨西镇的震害较为严重。根据现场调查发现,台地边缘区域(临陡坡区域)相比于河谷平坝区或台地内区域,建筑破坏率明显更高。以中科院贡嘎山试验站(记为D1)和实验楼(记为D2)为例,D1距离台地边缘约25m,D2距离台地边缘约75m,两者间距约50m(图6(a)),但震害情况却差异巨大。其中D1为3层的砖混结构,一层发生脆性垮塌,见图6(b)。紧邻D1的1层砖混房屋屋面垮塌,墙体严重开裂,在圈梁的约束下没有出现墙体倒塌,见图6(c)。而D2为2层的框架结构,仅填充墙体出现少量轻微裂缝(图6(e)),梁柱节点未见明显损伤痕迹 ^[4] 。

▲ 图6 台地边缘建筑破坏情况

此外,磨西博物馆的震害情况也呈现出相同的规律。如图7所示,磨西博物馆平面呈“廿”字形,为2层钢筋混凝土框架结构,将其分区标示为B1、B2、B3,其中B1距台地边缘约25m,B3与B1相距约80m。

▲ 图7 磨西博物馆航拍分区示意图

距离台地边缘较近的B1震害非常严重,填充墙倒塌,楼梯严重损坏,多数框架柱柱顶及柱底均发生破坏,甚至直接剪断,柱明显错动,整体建筑明显倾斜,最大倾斜角度达约9°,处于半倒塌状态,如图8所示。但与B1结构几乎完全相同的B3结构破坏却轻微得多,表现为柱顶混凝土保护层脱落、局部混凝土压碎、钢筋压曲,少量填充墙破坏形成X形裂缝,如图9所示。

▲ 图9 磨西博物馆B3区域震害情况

▲ 图10 大西映画酒店震害情况

此外,有些建筑底层虽未倒塌,却发生严重破坏,并产生较大倾斜,而这些建筑上部楼层都基本完好。通过对晓拾客栈底层柱位移的实测算得,其底层位移角约1/30(图11)。燕子沟某民房(图12)底层位移角达16/100,5.0级余震后,笔者于10月28日测得底层位移角进一步增大,达18/100(如图13所示,线坠长1m,线坠端部距柱边0.18m)。

▲ 图13 民房底层柱位移角实测

通过调查发现,震中附近有大量类似建筑,层数3~6层(以3层的最多),底层为商业,开间一般为3.6m,进深一般为4~8m,上部为自住或者酒店客房。底层开敞处一般设置框架柱,有分隔处则是不设框架柱而采用砖墙承重,和框架梁相交处设置构造柱,基本上未见钢筋混凝土抗震墙,为框架和砖墙混合承重的结构体系。2层以上均为砌体结构,在房间分隔处均设置承重砖墙,最外侧的砖墙置于挑梁和边梁上。因此,这样结构称之为伪底部框架-砌体结构,如晓拾客栈,其平面图见图14。

▲ 图14 晓拾客栈结构平面布置图

一般来说公众认为钢筋混凝土框架结构抗震能力好,砌体结构抗震能力差。但通过近年来多次地震中砌体结构和钢筋混凝土框架结构震害情况对比,结果却不尽然。图15为泸定6.8级地震震中磨西镇的海螺沟中学,教学楼为钢筋混凝土框架结构,教师公寓与学生宿舍为砌体结构。从现场实拍图可以看出,经历地震后,中学教学楼结构震害严重：底层柱端出现塑性铰,填充墙严重破坏,教室门严重变形,无法打开;教师公寓与学生宿舍则基本完好无损：墙体无裂纹或损坏,连门、窗框都形状完整,可以随意开关,玻璃未损坏。同在磨西镇的海螺沟管理局住宅,为6~7层的钢筋混凝土框架结构,开间3~4m,进深4~6m,开间、进深均与学校宿舍接近。地震后,该建筑底部出现严重破坏,如图16所示。汶川地震时的漩口中学与北川中学,教学楼同样采用钢筋混凝土框架结构,地震后完全倒塌,如图17、18所示;而漩口中学宿舍楼为5层砌体结构,地震后仅底层垮塌(实际地震烈度达11度),北川中学宿舍楼也为5层砌体结构,未见严重破坏(图17、18中未完全倒塌的建筑为宿舍楼)。

▲ 图18 汶川地震后的北川中学

施工缝指在混凝土浇筑过程中,因设计要求或施工需要分段浇筑,而在先、后浇筑的混凝土之间所形成的接缝。施工缝宜留设于结构受剪力较小且便于施工的部位 ^[9] ,《混凝土结构工程施工规范》(GB 50666—2011)对施工缝的留置作了详细的规定,其中对柱而言,可留设于基础的顶面或梁的下面;楼梯梯段施工缝宜设置在梯段板跨度端部1/3范围内。但施工缝留置在梯段中间时,理论上剪力最小,施工质量却不易控制,二次支模时易造成已浇筑部位的短时“悬挑”,反而不利于楼梯的质量控制。因此传统施工时,则往往将施工缝留置在梯段向上或向下3步处。

然而,施工缝是混凝土结构的天然薄弱环节,如留置位置不当、施工控制不佳等导致新旧混凝土结合不牢,或者后浇部分混凝土质量较差,均易引发施工缝破坏,或使结构存在薄弱点,进而导致结构的损坏。如各类梁柱节点破坏,可能由施工缝破坏引起,也可能由包含施工缝破坏在内的各种因素综合引起。施工缝处理不当,均会显著降低结构抗震性能。历次大地震中,在结构破坏中也都可以看到施工缝破坏的影子，如图19~25所示。

▲ 图25 都江堰烟草公司楼梯施工缝破坏(汶川地震)

非结构构件包括建筑非结构构件和建筑附属机电设备。抗规规定非结构构件自身及其与结构主体的连接应进行抗震设计,并由相关专业人员分别负责进行。抗规同时也对非结构构件的基本计算要求、基本抗震措施做出了规定。《非结构构件抗震设计规范》(JGJ 339—2015) ^[11] 按照非结构构件所属建筑抗震设防类别及其地震破坏的后果、对整个建筑结构影响的范围,将其划分为一级到三级共3个功能级别,并对非结构构件的地震作用、抗震验算、抗震构造等提出了明确的方法与要求。

实际工程项目中,设计人员往往关注主体结构的设计而没有对非结构构件抗震设计引起重视,非结构构件特别是建筑附属机电设备的抗震设计究竟由谁完成在行业内也一度存在争议;施工和验收时因为不是主体结构也往往未引起足够的重视,因此非结构构件相较于主体结构,抗震性能往往更不易达到要求。但从以往地震震害情况来看,非结构构件的损坏,也极易造成人员伤亡和财产损失。

此次地震中,也不乏吊顶、围墙、女儿墙、栏杆等垮塌、填充墙严重破坏、建筑外装饰剥落、机电设备垮塌、管线破坏等非结构构件震害(图26)。因此笔者认为,应充分重视非结构构件抗震问题,设计、施工、验收,缺一不可。

地震中建筑的破坏常常带来人员伤亡和财产的严重损失。虽然地震无法阻止,但人类却可以提高建筑的抗震能力,防患于未然,从而降低灾害损失。建筑在地震中的破坏特征,可为建筑抗震设计提供宝贵的经验与研究基础。因此基于泸定6.8级地震考察结果,提出以下关于建筑抗震设计的思考与建议：

(1) 重视特殊地形的地震作用放大系数取值,建议在规范取值的基础上进一步深化研究。

(2) 结构刚度的合理分布尤其重要,重要性甚至高过对结构强度的要求,建议对结构底层的刚度和承载能力进一步提高。

(3) 砌体结构经过合理设计和施工,具有良好的抗震能力,不一定比钢筋混凝土框架结构差。

(4) 施工缝是钢筋混凝土结构天然的薄弱环节,建议对于重要建筑、重要构件,扩大验算范围,并进行小震、中震、大震下的验算。

(5) 应充分重视非结构构件抗震,设计、施工、验收,缺一不可。