512汶川地震區(qū)建筑抗震設(shè)計規(guī)范修訂

512汶川地震區(qū)建筑抗震設(shè)計規(guī)范修訂

規(guī)范修訂及實施5.12汶川地震導(dǎo)致大量房屋和工程設(shè)施受損。隨著地震資料的積累和分析，我們對建筑物的破壞機制有了進(jìn)一步的了解。地震之后,根據(jù)國家有關(guān)抗震防災(zāi)法律法規(guī)和汶川地震災(zāi)后恢復(fù)重建要求,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部迅速組織專家總結(jié)震害經(jīng)驗,對建筑抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行修訂。在不到3個月的時間內(nèi)完成《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB50223—2008)(以下簡稱2008《標(biāo)準(zhǔn)》)和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2001)(2008年版)(以下簡稱2008版《規(guī)范》)的修訂,并于2008年7月30日發(fā)布實施。新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對保證建筑工程質(zhì)量,指導(dǎo)地震災(zāi)區(qū)恢復(fù)重建、提高我國建筑工程抗震設(shè)防能力、保護(hù)人民生命財產(chǎn)具有重要意義。本文結(jié)合典型的建筑震害,介紹2008《標(biāo)準(zhǔn)》和2008版《規(guī)范》的主要修訂情況。汶川地震造成如此嚴(yán)重的破壞,除了實際地震烈度遠(yuǎn)高于預(yù)計的設(shè)防烈度、地震波傳播特征、山區(qū)地形反應(yīng)和嚴(yán)重的次生地質(zhì)災(zāi)害等原因之外,老舊房屋、特別是農(nóng)村房屋沒有抗震設(shè)防也是重要原因之一。此外,在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計、施工質(zhì)量等方面存在的一些問題,也造成了地震破壞。經(jīng)過對地震災(zāi)區(qū)各類房屋建筑震害的調(diào)查發(fā)現(xiàn):在同一地點,有的建筑損壞嚴(yán)重、甚至倒塌,有的較輕;在高烈度區(qū),有一些抗震性能較好的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)倒塌了,而抗震性能相對較差的砌體結(jié)構(gòu)卻“裂而不倒”;高烈度地震作用造成了結(jié)構(gòu)下部突然倒塌,暴露了冗余度不足或缺少多道抗震防線問題;建筑設(shè)計追求高、大空間和不規(guī)則體型導(dǎo)致嚴(yán)重破壞;普遍出現(xiàn)的“強梁弱柱”破壞;抗震縫設(shè)置不妥造成碰撞比較普遍;砌體結(jié)構(gòu)樓梯間、現(xiàn)澆和預(yù)制混凝土樓屋蓋、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞也比較多。所以,對震害進(jìn)行的科學(xué)考察,不但要對倒塌破壞的建筑,更要對破壞而不倒、甚至不壞的建筑物進(jìn)行調(diào)查,才能全面提供成功的經(jīng)驗和失敗的教訓(xùn),經(jīng)認(rèn)真總結(jié),在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范修訂中得到體現(xiàn)。1修訂《建筑承受志》的分類標(biāo)準(zhǔn)1.1防類別的類別2008《標(biāo)準(zhǔn)》以強制性條文形式提出,地震區(qū)的所有建筑工程,包括新建、改建、擴(kuò)建工程均應(yīng)確定其抗震設(shè)防類別,而且不得低于2008《標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定。從而明確了各類建筑工程抗震設(shè)防的最低安全要求。這種最低安全要求是根據(jù)我國地震形勢和預(yù)報能力、各行業(yè)建筑和工程設(shè)施結(jié)構(gòu)特點、維持正常使用功能要求以及地震可能造成的災(zāi)害后果提出的,兼顧了安全和經(jīng)濟(jì)兩方面的要求。如果建設(shè)方業(yè)主要求提高抗震設(shè)防類別,也是允許的。1.2進(jìn)行了抗災(zāi)抗災(zāi)和重建中小型疫情建筑的課2008《標(biāo)準(zhǔn)》將建筑工程分為特殊設(shè)防類、重點設(shè)防類、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類和適度設(shè)防類,使設(shè)防分類具有明確的含義。為了沿用工程習(xí)慣用法,也可簡稱為甲、乙、丙、丁類。本次修訂,對建筑工程抗震設(shè)防分類特別強調(diào)“以人為本”,注重地震破壞對人員的傷害和對社會的沖擊、以及地震發(fā)生后的緊急救援。在1995《標(biāo)準(zhǔn)》中,主要對生命線工程提高了設(shè)防要求,側(cè)重于對生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)活動的保障;2004《標(biāo)準(zhǔn)》已經(jīng)考慮到,對地震發(fā)生時自救能力較弱的少年兒童所在的小學(xué)、幼兒園的教學(xué)樓以及容納人數(shù)特別多的高層建筑,提高到乙類設(shè)防。汶川地震發(fā)生在下午,是多數(shù)學(xué)校上課的時間,造成了許多中小學(xué)生傷亡的嚴(yán)重后果。據(jù)筆者在災(zāi)區(qū)對學(xué)校建筑的調(diào)查統(tǒng)計,學(xué)校建筑倒塌數(shù)大約占破壞總數(shù)的1%～2%,而且集中在20世紀(jì)80年代以前建造的沒有抗震設(shè)防或設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)較低的村鎮(zhèn)學(xué)校建筑,但傷亡學(xué)生占總傷亡人數(shù)的比例遠(yuǎn)高于這個比例。這種情況引起了政府和社會的極大關(guān)注,要求進(jìn)一步加強對未成年人的保護(hù)。因此,2008《標(biāo)準(zhǔn)》將幼兒園、中小學(xué)教學(xué)用房以及學(xué)生宿舍和食堂提高到不低于重點設(shè)防類,教學(xué)用房明確包括教室、實驗室、圖書館、微機室、語音室、體育館、禮堂等。同時將容納人數(shù)超過8000人的高層建筑也提高到乙類,較2004《標(biāo)準(zhǔn)》更嚴(yán)。這樣,對教育建筑和高層建筑,要求提高抗震設(shè)防類別的范圍擴(kuò)大了許多。地震后搶救傷員是第一要務(wù),要求醫(yī)療系統(tǒng)能保持正常運轉(zhuǎn),在第一時間立即投入緊急救援工作。為此,本次修訂將所有二級、三級醫(yī)院的設(shè)防分類提高到乙類或甲類。特別需要指出的是,地震往往對遠(yuǎn)離城市的村鎮(zhèn)造成嚴(yán)重的人員傷亡,搶救傷員和災(zāi)區(qū)環(huán)境消毒免疫迫在眉睫,要確保災(zāi)區(qū)醫(yī)療系統(tǒng)自身安全和正常運行,對“具有外科手術(shù)室或急診科”的鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院,也要求提高到乙類。美、日等多地震國家專門進(jìn)行技術(shù)立法或防災(zāi)規(guī)劃,要求建立災(zāi)害避難中心,其建筑抗震設(shè)防等級高于一般建筑,而且在避難中心內(nèi)配套各類水、電設(shè)施,儲存必要的日常生活用品。在過去的大地震中,這些避難中心起著非常重要的作用。在汶川地震中,當(dāng)?shù)匾恍┐笮腕w育場館和會展中心等結(jié)構(gòu)抗震性能較好的公共建筑被用作緊急避難和災(zāi)民安置場所,對保證災(zāi)后民眾的基本生活、穩(wěn)定社會發(fā)揮了重要作用。為此,在2008《標(biāo)準(zhǔn)》中特增加了“作為應(yīng)急避難場所的建筑,其抗震設(shè)防類別不應(yīng)低于重點設(shè)防類”的規(guī)定。2008《標(biāo)準(zhǔn)》對于人員密集的大型公共設(shè)施,如體育場館、文化娛樂設(shè)施、多層商場,以及給水、排水、燃?xì)獾然A(chǔ)設(shè)施,也提高了抗震設(shè)防類別,擴(kuò)大了對這些公共服務(wù)設(shè)施中密集人群的保護(hù)范圍。2修訂《建筑承受試驗法》2.1對分區(qū)域地震加速度值的修改汶川地震以后,中國地震局發(fā)布了《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)第1號修改單(國標(biāo)委服務(wù)函57號),對四川、甘肅、陜西部分地區(qū)縣和縣級以上城鎮(zhèn)的抗震設(shè)防烈度、設(shè)計基本地震加速度值和設(shè)計地震分組進(jìn)行調(diào)整,共涉及將近70個城鎮(zhèn)。其中,提高抗震設(shè)防烈度的有31個,保持不變的有38個,另有一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)的設(shè)防烈度與縣城中心區(qū)不同。2.2般地震測地在破產(chǎn)方面需要注意的問題汶川地震中,山區(qū)建筑遭受嚴(yán)重破壞。2008版《規(guī)范》修訂中,對建設(shè)選址提出了嚴(yán)格的限制,強調(diào)在危險地段“嚴(yán)禁建造甲、乙類的建筑,不應(yīng)建造丙類的建筑”。所謂“危險地段”指的是“地震時可能發(fā)生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等以及發(fā)震斷裂帶上可能發(fā)生地表錯位的部位”。圖1～圖4為位于危險地段上的建筑物,由于地震引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害造成的破壞情況。圖1顯示,位于彭州小魚洞的斷層出露地表穿越建筑群時勢如破竹,在破裂線兩側(cè)27m范圍內(nèi),建筑物全部倒塌,在220m范圍內(nèi),建筑中等至嚴(yán)重破壞。說明2008版《規(guī)范》要求在高烈度區(qū)丙類建筑對發(fā)震斷裂的最小避讓距離為200～300m是正確的。圖2為北川縣曲山鎮(zhèn)的茅壩中學(xué)建筑在地震中被巨大的山體崩塌石塊掩埋,造成了嚴(yán)重傷亡。圖3為位于汶川縣的新建住宅樓底部二層被一側(cè)的山體滑坡所掩埋。2008年9月23日北川地區(qū)降雨兩天,大量雨水夾帶被地震震松了的山體石塊和泥沙,形成洶涌的泥石流沖向北川縣城,將部分街道和兩側(cè)建筑掩埋,深度最深達(dá)40多m,淺處也有6～7m。圖4所示為被泥石流淹沒的4層住宅樓。嚴(yán)重的地震次生地質(zhì)災(zāi)害警示我們,在山區(qū)重建規(guī)劃時,要嚴(yán)格按照2008版《規(guī)范》要求,避免在危險地段建設(shè)。2008版《規(guī)范》要求山區(qū)建筑場地應(yīng)設(shè)置符合抗震穩(wěn)定性的邊坡工程,避免深挖高填。對于較高且穩(wěn)定性較差的邊坡應(yīng)采用后仰放坡或分階放坡的方法。位于坡腳的建筑物基礎(chǔ)應(yīng)與坡腳保持一定距離,避免山體失穩(wěn)造成建筑物倒塌。但是,在山區(qū)建設(shè)時,許多房屋順坡建造,房屋基礎(chǔ)與山坡坡腳非但不留出空間,甚至還將建筑墻體作為擋土墻,這是極危險的。圖5為北川縣曲山鎮(zhèn)一幢建于山坡腳下的六層商住樓,由于房屋縱墻緊貼擋土墻,地震時擋土墻失穩(wěn)擠壓結(jié)構(gòu)底層框架造成嚴(yán)重破壞。2.3抗壓設(shè)計的基本要求2.3.1平面構(gòu)造上的震害對于建筑方案的規(guī)則性,2008版《規(guī)范》作了補充規(guī)定:“建筑設(shè)計應(yīng)符合抗震概念設(shè)計的要求,不規(guī)則的建筑方案應(yīng)按規(guī)定采取加強措施;特別不規(guī)則的建筑方案應(yīng)進(jìn)行專門的研究和論證,采取特別的加強措施;不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的建筑方案”。此規(guī)定為強制性條文,要求建筑師和結(jié)構(gòu)師嚴(yán)格執(zhí)行。汶川地震中,由于建筑方案的不規(guī)則造成了大量震害。圖6和圖7為都江堰市位于十字路口的兩幢底層框架上部磚房。其中,圖6為建筑平面不規(guī)則且底層空曠形成豎向不規(guī)則,由于地震作用的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),底層柱嚴(yán)重破壞;圖7同為底層框架上部磚房結(jié)構(gòu),為了底層開店大門洞需要,縱向一側(cè)采用鋼筋混凝土梁上托磚墻的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換形式,使結(jié)構(gòu)豎向剛度突變,造成上部縱墻嚴(yán)重破壞,局部倒塌。在我國城市大量的商住樓中,為了底層的商業(yè)或停車需要,常沿建筑一側(cè)縱向墻體開設(shè)大門洞,使縱向兩側(cè)剛度不均勻。在1988年瀾滄-耿馬地震、2003年新疆巴楚地震和本次汶川地震中都曾大量出現(xiàn)類似震害,應(yīng)該引起重視。圖8為北川縣曲山鎮(zhèn)一座典型的底部兩層框架上部磚房的震害照片。對于底部框架上部磚房這種混合結(jié)構(gòu)形式,地震已經(jīng)證明,其抗震性能較差,有必要采取加強措施。2.3.2結(jié)構(gòu)體系設(shè)計結(jié)構(gòu)的整體性除了與結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身強度有關(guān)之外,主要取決于構(gòu)件之間連接節(jié)點的構(gòu)造設(shè)計?！兑?guī)范》規(guī)定:對于鋼筋混凝土構(gòu)件,抗震設(shè)計應(yīng)做到“強柱弱梁”、“強剪弱彎”和“強節(jié)點弱構(gòu)件”;砌體結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置鋼筋混凝土圈梁和構(gòu)造柱、芯柱或采用配筋砌體;鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)避免局部失穩(wěn)或整個構(gòu)件失穩(wěn)。本次修訂吸取汶川地震中大量預(yù)制空心板樓、屋蓋塌落造成人員傷亡的教訓(xùn),特別強調(diào):“多、高層的混凝土樓、屋蓋宜優(yōu)先采用現(xiàn)澆混凝土板。當(dāng)采用混凝土預(yù)制裝配式樓、屋蓋,應(yīng)從樓蓋體系和構(gòu)造上采取措施確保各預(yù)制板之間連接的整體性”。2.3.2.梁的剛度和截面尺寸筆者在文獻(xiàn)中曾敘述過,《規(guī)范》對“強柱弱梁”設(shè)計提出了增大柱端實際承載力的要求,但是實際的震害表明這些要求沒有實現(xiàn)或較難實現(xiàn)。汶川地震中,大量的框架結(jié)構(gòu)破壞呈現(xiàn)“強梁弱柱”機制。初步分析認(rèn)為主要原因如下:(1)現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁和樓板形成一個二維構(gòu)件單元,其平面內(nèi)剛度和強度要比一維的柱子構(gòu)件大得多,受力特征完全不同于柱。樓板對柱子形成雙向約束,在兩向水平地震作用下,柱截面處于復(fù)雜的雙向受力狀態(tài)。(2)計算建模時,T形梁和柱均以桿單元模擬,樓板作為整體,假定為剛性或彈性板元。梁單元取一定樓板寬度(通常取6倍板厚或一倍梁寬)作為翼緣,軟件對梁的剛度簡單乘以一個梁剛度放大系數(shù)參與計算。這樣的計算模型尚不足以反映樓板的剛度影響。(3)梁的計算跨度取到柱截面中心線,增大了梁端的計算彎矩。最后的結(jié)果是,計算的配筋全部放到矩形梁,板另外配筋,使梁的鋼筋超配。一般情況下,框架柱即使增大了柱端彎矩設(shè)計值,計算結(jié)果也只要求構(gòu)造配筋。圖9為都江堰一幢六層RC框架結(jié)構(gòu)底層柱頂塑性鉸,可以看到梁和樓板的尺寸太大,基本沒有裂縫產(chǎn)生。圖10為北川曲山鎮(zhèn)一幢RC框架結(jié)構(gòu)底層倒塌,可以看到,梁的配筋率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于柱子,鋼筋直徑與柱子的一樣,但至少有雙排鋼筋在柱內(nèi)錨固。為了真正達(dá)到“強柱弱梁”的目標(biāo),有許多理論和試驗研究工作需要做。從工程實用角度出發(fā),筆者認(rèn)為,設(shè)計時有必要加大柱子斷面和配筋,減小梁截面尺寸和配筋。因此,計算時對梁端剪力不再放大,或把屬于樓板的配筋部分從梁的計算配筋中扣除。2.3.2.高層混凝土樓、屋蓋現(xiàn)澆梁、板組成的樓、屋蓋具有良好的整體性,即使在變形很大的情況下,也不會倒塌。因此,對多、高層的混凝土樓、屋蓋鼓勵優(yōu)先采用現(xiàn)澆混凝土板。2008版《規(guī)范》特別提出“教學(xué)樓、醫(yī)院等橫墻較少且跨度較大的砌體房屋宜采用現(xiàn)澆板加強樓蓋整體性”的要求。圖11所示為位于映秀鎮(zhèn)的漩口中學(xué)五層砌體結(jié)構(gòu)學(xué)生宿舍樓,底層倒塌,中部一道承重橫墻倒塌,但現(xiàn)澆樓板在變形很大的情況下仍未失穩(wěn)塌落。2.3.2.普通的多層砌體結(jié)構(gòu)課堂教學(xué)汶川地震中,采用預(yù)制混凝土空心板的許多建筑破壞,塌落的預(yù)制板造成大量人員傷亡,讓人觸目驚心。震害調(diào)查發(fā)現(xiàn),凡是構(gòu)造不良、整體性差的預(yù)制混凝土裝配式樓、屋蓋,地震時只要結(jié)構(gòu)側(cè)向水平位移過大,或作為樓板支座的墻體倒塌和樓面大梁折斷,就可能塌落。圖12為平武縣平通中學(xué)的三層砌體結(jié)構(gòu)教學(xué)樓完全倒塌,可以看到,預(yù)制空心板與樓面大梁、空心板與空心板之間沒有任何拉結(jié)構(gòu)造。圖13為綿陽第一中學(xué)五層砌體結(jié)構(gòu)教學(xué)綜合樓,由于沒按規(guī)范要求設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁,局部倒塌。但是,如果預(yù)制板之間、預(yù)制板與承重墻和樓面大梁的拉結(jié)構(gòu)造良好,樓、屋蓋的圈梁設(shè)置得當(dāng),即使在“大震”水準(zhǔn)下,預(yù)制板樓、屋蓋也不會倒塌散落傷人,達(dá)到“大震不倒”的目標(biāo)。圖14所示為游仙縣忠興小學(xué)一幢三層磚混結(jié)構(gòu)教學(xué)樓,由于預(yù)制板之間具有良好的拉結(jié),而且層層設(shè)置的圈梁對樓板起了很好的緊箍作用,加強了樓蓋的整體性。所以,盡管實際地震烈度已超過大震烈度,承重橫墻已經(jīng)倒塌,預(yù)制板并沒塌落。所以,2008版《規(guī)范》要求“混凝土預(yù)制裝配式樓、屋蓋,應(yīng)從樓蓋體系和構(gòu)造上采取措施確保各預(yù)制板之間連接的整體性”是十分必要的。2.3.3“大震”作用時的構(gòu)件2001版《規(guī)范》對結(jié)構(gòu)體系提出了多道抗震防線的要求,對于在大震作用下結(jié)構(gòu)抗倒塌具有重要意義。該要求的目的在于,當(dāng)結(jié)構(gòu)受到超過設(shè)防烈度的所謂“大震”作用時,作為第一道防線的某些構(gòu)件,如:框排架結(jié)構(gòu)的柱間支撐或柱子的翼墻、剪力墻結(jié)構(gòu)的連梁等率先破壞,消耗了地震能量并改變了整體結(jié)構(gòu)的動力特性,從而減低了地震力,保護(hù)了作為第二道防線的構(gòu)件,如:框、排架結(jié)構(gòu)的柱子、剪力墻結(jié)構(gòu)的墻體,它們的存在避免了結(jié)構(gòu)倒塌。砌體結(jié)構(gòu)的構(gòu)造柱、圈梁除作為砌體的約束構(gòu)件可以提高墻體延性之外,也可視為第二道防線,在“大震”作用下,墻體可能嚴(yán)重破壞,但是由于構(gòu)造柱和圈梁的存在,不會倒塌。2.3.3.底層結(jié)構(gòu)的破壞震中區(qū)的地面運動如此強烈,使各類建筑結(jié)構(gòu)的底層在地震波的第一次沖擊之下瞬間倒塌,而建筑上部結(jié)構(gòu)在墻體出現(xiàn)第一批裂縫之后,不再往復(fù)震蕩,產(chǎn)生交叉裂縫,甚至基本完好。坍塌的底層結(jié)構(gòu)形成了摩擦隔震機制,使地震能量無法繼續(xù)傳遞上去,從而使上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件在首次進(jìn)入塑性變形之后,不再有損傷積累。圖15為位于北川曲山鎮(zhèn)的七層磚混結(jié)構(gòu)住宅,由于構(gòu)造柱和圈梁設(shè)置極好,在首波地震作用沖擊下,底部兩層瞬間倒塌,而上部結(jié)構(gòu)保持基本完好。圖16顯示北川曲山鎮(zhèn)一幢磚混結(jié)構(gòu)商住樓窗肚墻上出現(xiàn)典型的單向斜裂縫。2.3.3.景觀中國與臺臺鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)2008版《規(guī)范》對防連續(xù)倒塌提出強制性要求,結(jié)構(gòu)體系“應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力”;結(jié)構(gòu)體系“宜有多道抗震防線”。增加結(jié)構(gòu)冗余度,包括采用多跨框架、框架設(shè)置支撐和剪力墻等,可以實現(xiàn)多道抗震防線。對于結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位或構(gòu)件,應(yīng)提高其抗震性能,避免在地震時首先破壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌。這也是當(dāng)前美、日、歐等主要地震國家和地區(qū)抗震設(shè)計都十分關(guān)注的問題。對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),2008版《規(guī)范》要求“高層的框架結(jié)構(gòu)不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu),多層框架結(jié)構(gòu)不宜采用單跨框架結(jié)構(gòu)”,這是總結(jié)了1995年日本神戶地震、1999年臺灣集集地震,特別是5·12汶川地震的震害經(jīng)驗后提出的。20世紀(jì)90年代以后,我國大陸和臺灣地區(qū)的學(xué)校建筑開始采用單跨帶懸挑外走廊的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),也有部分多、高層建筑采用單跨框架結(jié)構(gòu)。由于結(jié)構(gòu)冗余度不夠,這類建筑在地震中特別容易倒塌。圖17為臺灣霧峰鄉(xiāng)光復(fù)中學(xué)三層教學(xué)樓,采用單跨框架帶懸臂走廊,縱向無墻,走廊大懸臂,嚴(yán)重倒塌。圖18為彰化縣一幢十六層高層建筑,采用單跨框架結(jié)構(gòu),在1999年臺灣集集地震中倒塌。四川省汶川縣映秀鎮(zhèn)漩口中學(xué)建成于2006年,圖19(a)為學(xué)校入口處的教學(xué)樓原貌。其中,兩幢主要教學(xué)用房是教學(xué)樓和實驗樓,教學(xué)樓教室進(jìn)深7.2m,開間9.0m(見圖19b);實驗樓專用教室進(jìn)深7.2m,開間13.5m(見圖19c);走廊寬度均為3.0m,比較空曠。走廊帶有柱子,采用兩跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),具有一定冗余度。汶川地震主震時,該鎮(zhèn)位于震中,地震烈度高達(dá)11度,大部分建筑倒塌。該校教學(xué)樓和實驗樓嚴(yán)重破壞,但沒倒塌,全校1200多名學(xué)生幸免于難(見圖19d)。在隨后的余震中,教學(xué)樓局部倒塌(見圖19e),實驗樓完全坍塌(見圖19f)。2.3.3.抗震性能分析和建筑結(jié)構(gòu)房屋在汶川地震高影響烈度地區(qū)的調(diào)查發(fā)現(xiàn),四層及四層以上的砌體房屋的震害遠(yuǎn)高于四層以下的房屋,嚴(yán)重破壞和倒塌的數(shù)量較多。小開間、橫墻較多的砌體結(jié)構(gòu)住宅倒塌較少,大開間、橫墻間距較大的砌體住宅多發(fā)生局部倒塌。類似情況在過去的地震中也都有發(fā)現(xiàn)。一般說來,砌體結(jié)構(gòu)的延性比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)差,因此,《規(guī)范》對砌體結(jié)構(gòu)房屋的高度、層數(shù)和層高都有較嚴(yán)格的限制。對乙類的多層砌體房屋,高度和總層數(shù)要求按提高一度限制,特別是對屬于乙類的、橫墻較少的學(xué)校和醫(yī)院砌體結(jié)構(gòu)建筑,更為嚴(yán)格,高度和總層數(shù)實際是按提高兩度的要求進(jìn)行控制。但是,砌體結(jié)構(gòu)在地震區(qū)是否就不能使用了?學(xué)校建筑是否必須全部采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)呢?樓蓋采用預(yù)制空心板的砌體結(jié)構(gòu)房屋是否應(yīng)該禁止呢?汶川地震后,全國各地對這些問題有強烈反應(yīng)和許多困惑。為此,筆者數(shù)次進(jìn)入災(zāi)區(qū)調(diào)查,特別注意在高烈度地區(qū)的砌體結(jié)構(gòu)房屋的表現(xiàn)。結(jié)果表明,只要嚴(yán)格遵守《規(guī)范》的上述限制,滿足《規(guī)范》關(guān)于圈梁和構(gòu)造柱的設(shè)置要求,砌體結(jié)構(gòu)房屋也可以達(dá)到“小震不壞,中震可修,大震不倒”的設(shè)防要求。以下舉幾個例子:圖19(f)所示映秀鎮(zhèn)漩口中學(xué)倒塌的實驗樓背后是該校的第一、二教師宿舍樓,均為五層砌體結(jié)構(gòu)。圖20(a)和圖20(b)為第一教師宿舍樓背立面和構(gòu)造柱布置圖,圖20(c)和圖20(d)為第二教師宿舍樓背立面和構(gòu)造柱布置圖。由于宿舍樓小開間格局和良好的構(gòu)造柱、圈梁的設(shè)置,在烈度高達(dá)11度的情況下,房屋受到嚴(yán)重?fù)p傷但是不倒。另一個典型例子是在平武縣南壩鎮(zhèn)的兩幢相鄰建筑,一幢為四層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)醫(yī)院建筑,另一幢為四層砌體結(jié)構(gòu)商住樓,均按7度抗震設(shè)計,如圖21(a)所示。在同一地點、同樣的地基條件下,實際烈度達(dá)到9度,震害完全不同。醫(yī)院建筑采用了兩側(cè)帶懸挑走廊,下部雙跨、上部單跨,且沿豎向退臺的不規(guī)則框架結(jié)構(gòu),即便是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),卻產(chǎn)生了嚴(yán)重破壞,接近倒塌,但應(yīng)該說還是達(dá)到“大震不倒”的效果(見圖21b)。而商住樓采用的是磚混結(jié)構(gòu),由于嚴(yán)格按照《規(guī)范》要求,設(shè)置了良好的構(gòu)造柱和圈梁,在9度情況下,結(jié)構(gòu)保持完好,見不到磚墻裂縫(見圖21c),其性能幾乎已經(jīng)達(dá)到了“大震不壞”的目標(biāo)了。2.3.4縫兩側(cè)構(gòu)造沖突2008版《規(guī)范》規(guī)定,“抗震縫應(yīng)根據(jù)抗震設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)材料種類、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)單元的高度和高差情況,留有足夠的寬度,其兩側(cè)的上部結(jié)構(gòu)應(yīng)完全分開”。正確理解本條規(guī)定應(yīng)該是:建筑平、立面布置應(yīng)盡可能規(guī)則,盡量避免采用抗震縫;如果必須留的話,寬度應(yīng)該留夠。有的工程技術(shù)人員在進(jìn)行抗震設(shè)計時,往往碰到稍微不規(guī)則的結(jié)構(gòu)就留縫,留的縫又不夠?qū)?還有是在施工中,澆搗混凝土后的抗震縫兩側(cè)的模板沒有拆除,或留下許多雜物堵塞,結(jié)果等于沒留,地震時必然導(dǎo)致縫兩側(cè)的構(gòu)件相互碰撞,嚴(yán)重的甚至引起連續(xù)倒塌。圖22(a)為北川縣公安局辦公樓六層框架結(jié)構(gòu)與兩側(cè)六層商住樓,由于使用功能分區(qū)要求留了縫,地震時碰撞導(dǎo)致左側(cè)商住樓倒塌,并引起一系列連續(xù)倒塌的嚴(yán)重后果見圖22(b)。圖22(c)為江油市長鋼廠單層工業(yè)廠房抗震縫兩側(cè)碰撞形成的連續(xù)倒塌。那么,如何解決建筑平面不規(guī)則和設(shè)置防震縫的矛盾?當(dāng)計算的結(jié)構(gòu)存在扭轉(zhuǎn)效應(yīng)而且扭轉(zhuǎn)位移比超出規(guī)范限值時,是否必須設(shè)縫?筆者通過震害調(diào)查和分析認(rèn)為,首先應(yīng)盡可能避免建筑平面特別不規(guī)則布置,當(dāng)不可避免時,在平面突變處,要避免應(yīng)力集中。比如L形平面,在平面拐角處設(shè)樓梯間或形成空曠大廳,地震時,由于扭轉(zhuǎn)效應(yīng),容易產(chǎn)生破壞。圖23所示為1964年美國阿拉斯加地震中,位于安克雷奇的一幢L形平面的學(xué)校建筑在轉(zhuǎn)角處的樓梯間破壞,在這種情況下,設(shè)防震縫可能是最好的選擇。但是,如果妥當(dāng)處理L形平面轉(zhuǎn)角處的結(jié)構(gòu)布置,完全可以不設(shè)縫。圖24(a)為都江堰漢旺東方汽輪機廠的六層框架結(jié)構(gòu)辦公樓,L形平面不設(shè)防震縫,轉(zhuǎn)角處并沒產(chǎn)生嚴(yán)重破壞(請注意樓梯間設(shè)在建筑外側(cè))。相反地,圖24(b)為都江堰北街小學(xué)四層框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓,L形平面在拐角處設(shè)防震縫,地震時碰撞破壞。筆者曾在文獻(xiàn)中,對設(shè)置防震縫的建筑在地震中的破壞有過詳細(xì)描述,本文僅對連續(xù)倒塌和建筑平面不規(guī)則性與設(shè)縫與否作進(jìn)一步討論。2.3.5樓梯間抗震設(shè)計樓梯間是建筑的出入口,也是地震時人群疏散的惟一通道。震害調(diào)查發(fā)現(xiàn),由于設(shè)計和施工質(zhì)量問題,可能使樓梯間倒塌破壞,造成嚴(yán)重傷亡和堵塞疏散通道,阻礙救生。由于樓梯間的山墻較高,鋼筋混凝土樓梯構(gòu)件的抗側(cè)剛度較大,而且梯段平臺與樓層存在錯層,對山墻產(chǎn)生出平面的水平剪力,地震時最容易破壞。因此,對于樓梯間的抗震設(shè)計,2008版《規(guī)范》第7.3.1條特別增加要求,“樓、電梯間四角,樓梯段上下端對應(yīng)的墻體處;外墻四角和對應(yīng)轉(zhuǎn)角;錯層部位橫墻與外縱墻交接處,大房間內(nèi)外墻交接處,較大洞口兩側(cè)”要設(shè)置構(gòu)造柱;第7.3.8條要求,“裝配式樓梯段應(yīng)與平臺板的梁可靠連接;…突出屋面的樓、電梯間,構(gòu)造柱應(yīng)伸到頂部,并與頂部圈梁連接,內(nèi)外墻交接處應(yīng)沿墻高每隔500mm設(shè)2?6通長拉接鋼筋”,這些都是保證樓梯間抗震安全的重要措施。如圖25所示的綿竹市一幢三層教學(xué)樓,由于樓梯間四角和休息平臺梁下未設(shè)置構(gòu)造柱,突出屋面部分未有構(gòu)造柱伸到頂部。地震時墻體破壞導(dǎo)致樓梯間倒塌。但是,圖26所示的震害例子給我們提供了一個極好的經(jīng)驗,六層砌體結(jié)構(gòu)住宅建筑,由于在作為樓梯休息平臺梁支座的墻體處設(shè)置了構(gòu)造柱,盡管樓梯段和墻體嚴(yán)重破壞,但樓梯間并沒有倒塌。3體系抗震設(shè)計要求對比5·12汶川大地震后,許多專業(yè)技術(shù)人員在地震區(qū)展開了廣泛的震害調(diào)查,收集了大量的資