512汶川地震区建筑抗震设计规范修订

512汶川地震区建筑抗震设计规范修订

规范修订及实施5.12汶川地震导致大量房屋和工程设施受损。随着地震资料的积累和分析，我们对建筑物的破坏机制有了进一步的了解。地震之后,根据国家有关抗震防灾法律法规和汶川地震灾后恢复重建要求,住房和城乡建设部迅速组织专家总结震害经验,对建筑抗震设计标准规范进行修订。在不到3个月的时间内完成《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50223—2008)(以下简称2008《标准》)和《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)(2008年版)(以下简称2008版《规范》)的修订,并于2008年7月30日发布实施。新的标准规范对保证建筑工程质量,指导地震灾区恢复重建、提高我国建筑工程抗震设防能力、保护人民生命财产具有重要意义。本文结合典型的建筑震害,介绍2008《标准》和2008版《规范》的主要修订情况。汶川地震造成如此严重的破坏,除了实际地震烈度远高于预计的设防烈度、地震波传播特征、山区地形反应和严重的次生地质灾害等原因之外,老旧房屋、特别是农村房屋没有抗震设防也是重要原因之一。此外,在结构抗震设计、施工质量等方面存在的一些问题,也造成了地震破坏。经过对地震灾区各类房屋建筑震害的调查发现:在同一地点,有的建筑损坏严重、甚至倒塌,有的较轻;在高烈度区,有一些抗震性能较好的钢筋混凝土结构倒塌了,而抗震性能相对较差的砌体结构却“裂而不倒”;高烈度地震作用造成了结构下部突然倒塌,暴露了冗余度不足或缺少多道抗震防线问题;建筑设计追求高、大空间和不规则体型导致严重破坏;普遍出现的“强梁弱柱”破坏;抗震缝设置不妥造成碰撞比较普遍;砌体结构楼梯间、现浇和预制混凝土楼屋盖、非结构构件的破坏也比较多。所以,对震害进行的科学考察,不但要对倒塌破坏的建筑,更要对破坏而不倒、甚至不坏的建筑物进行调查,才能全面提供成功的经验和失败的教训,经认真总结,在标准规范修订中得到体现。1修订《建筑承受志》的分类标准1.1防类别的类别2008《标准》以强制性条文形式提出,地震区的所有建筑工程,包括新建、改建、扩建工程均应确定其抗震设防类别,而且不得低于2008《标准》的规定。从而明确了各类建筑工程抗震设防的最低安全要求。这种最低安全要求是根据我国地震形势和预报能力、各行业建筑和工程设施结构特点、维持正常使用功能要求以及地震可能造成的灾害后果提出的,兼顾了安全和经济两方面的要求。如果建设方业主要求提高抗震设防类别,也是允许的。1.2进行了抗灾抗灾和重建中小型疫情建筑的课2008《标准》将建筑工程分为特殊设防类、重点设防类、标准设防类和适度设防类,使设防分类具有明确的含义。为了沿用工程习惯用法,也可简称为甲、乙、丙、丁类。本次修订,对建筑工程抗震设防分类特别强调“以人为本”,注重地震破坏对人员的伤害和对社会的冲击、以及地震发生后的紧急救援。在1995《标准》中,主要对生命线工程提高了设防要求,侧重于对生产和经济活动的保障;2004《标准》已经考虑到,对地震发生时自救能力较弱的少年儿童所在的小学、幼儿园的教学楼以及容纳人数特别多的高层建筑,提高到乙类设防。汶川地震发生在下午,是多数学校上课的时间,造成了许多中小学生伤亡的严重后果。据笔者在灾区对学校建筑的调查统计,学校建筑倒塌数大约占破坏总数的1%～2%,而且集中在20世纪80年代以前建造的没有抗震设防或设防标准较低的村镇学校建筑,但伤亡学生占总伤亡人数的比例远高于这个比例。这种情况引起了政府和社会的极大关注,要求进一步加强对未成年人的保护。因此,2008《标准》将幼儿园、中小学教学用房以及学生宿舍和食堂提高到不低于重点设防类,教学用房明确包括教室、实验室、图书馆、微机室、语音室、体育馆、礼堂等。同时将容纳人数超过8000人的高层建筑也提高到乙类,较2004《标准》更严。这样,对教育建筑和高层建筑,要求提高抗震设防类别的范围扩大了许多。地震后抢救伤员是第一要务,要求医疗系统能保持正常运转,在第一时间立即投入紧急救援工作。为此,本次修订将所有二级、三级医院的设防分类提高到乙类或甲类。特别需要指出的是,地震往往对远离城市的村镇造成严重的人员伤亡,抢救伤员和灾区环境消毒免疫迫在眉睫,要确保灾区医疗系统自身安全和正常运行,对“具有外科手术室或急诊科”的乡镇卫生院,也要求提高到乙类。美、日等多地震国家专门进行技术立法或防灾规划,要求建立灾害避难中心,其建筑抗震设防等级高于一般建筑,而且在避难中心内配套各类水、电设施,储存必要的日常生活用品。在过去的大地震中,这些避难中心起着非常重要的作用。在汶川地震中,当地一些大型体育场馆和会展中心等结构抗震性能较好的公共建筑被用作紧急避难和灾民安置场所,对保证灾后民众的基本生活、稳定社会发挥了重要作用。为此,在2008《标准》中特增加了“作为应急避难场所的建筑,其抗震设防类别不应低于重点设防类”的规定。2008《标准》对于人员密集的大型公共设施,如体育场馆、文化娱乐设施、多层商场,以及给水、排水、燃气等基础设施,也提高了抗震设防类别,扩大了对这些公共服务设施中密集人群的保护范围。2修订《建筑承受试验法》2.1对分区域地震加速度值的修改汶川地震以后,中国地震局发布了《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)第1号修改单(国标委服务函57号),对四川、甘肃、陕西部分地区县和县级以上城镇的抗震设防烈度、设计基本地震加速度值和设计地震分组进行调整,共涉及将近70个城镇。其中,提高抗震设防烈度的有31个,保持不变的有38个,另有一些乡镇的设防烈度与县城中心区不同。2.2般地震测地在破产方面需要注意的问题汶川地震中,山区建筑遭受严重破坏。2008版《规范》修订中,对建设选址提出了严格的限制,强调在危险地段“严禁建造甲、乙类的建筑,不应建造丙类的建筑”。所谓“危险地段”指的是“地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等以及发震断裂带上可能发生地表错位的部位”。图1～图4为位于危险地段上的建筑物,由于地震引发地质灾害造成的破坏情况。图1显示,位于彭州小鱼洞的断层出露地表穿越建筑群时势如破竹,在破裂线两侧27m范围内,建筑物全部倒塌,在220m范围内,建筑中等至严重破坏。说明2008版《规范》要求在高烈度区丙类建筑对发震断裂的最小避让距离为200～300m是正确的。图2为北川县曲山镇的茅坝中学建筑在地震中被巨大的山体崩塌石块掩埋,造成了严重伤亡。图3为位于汶川县的新建住宅楼底部二层被一侧的山体滑坡所掩埋。2008年9月23日北川地区降雨两天,大量雨水夹带被地震震松了的山体石块和泥沙,形成汹涌的泥石流冲向北川县城,将部分街道和两侧建筑掩埋,深度最深达40多m,浅处也有6～7m。图4所示为被泥石流淹没的4层住宅楼。严重的地震次生地质灾害警示我们,在山区重建规划时,要严格按照2008版《规范》要求,避免在危险地段建设。2008版《规范》要求山区建筑场地应设置符合抗震稳定性的边坡工程,避免深挖高填。对于较高且稳定性较差的边坡应采用后仰放坡或分阶放坡的方法。位于坡脚的建筑物基础应与坡脚保持一定距离,避免山体失稳造成建筑物倒塌。但是,在山区建设时,许多房屋顺坡建造,房屋基础与山坡坡脚非但不留出空间,甚至还将建筑墙体作为挡土墙,这是极危险的。图5为北川县曲山镇一幢建于山坡脚下的六层商住楼,由于房屋纵墙紧贴挡土墙,地震时挡土墙失稳挤压结构底层框架造成严重破坏。2.3抗压设计的基本要求2.3.1平面构造上的震害对于建筑方案的规则性,2008版《规范》作了补充规定:“建筑设计应符合抗震概念设计的要求,不规则的建筑方案应按规定采取加强措施;特别不规则的建筑方案应进行专门的研究和论证,采取特别的加强措施;不应采用严重不规则的建筑方案”。此规定为强制性条文,要求建筑师和结构师严格执行。汶川地震中,由于建筑方案的不规则造成了大量震害。图6和图7为都江堰市位于十字路口的两幢底层框架上部砖房。其中,图6为建筑平面不规则且底层空旷形成竖向不规则,由于地震作用的扭转效应,底层柱严重破坏;图7同为底层框架上部砖房结构,为了底层开店大门洞需要,纵向一侧采用钢筋混凝土梁上托砖墙的结构转换形式,使结构竖向刚度突变,造成上部纵墙严重破坏,局部倒塌。在我国城市大量的商住楼中,为了底层的商业或停车需要,常沿建筑一侧纵向墙体开设大门洞,使纵向两侧刚度不均匀。在1988年澜沧-耿马地震、2003年新疆巴楚地震和本次汶川地震中都曾大量出现类似震害,应该引起重视。图8为北川县曲山镇一座典型的底部两层框架上部砖房的震害照片。对于底部框架上部砖房这种混合结构形式,地震已经证明,其抗震性能较差,有必要采取加强措施。2.3.2结构体系设计结构的整体性除了与结构构件本身强度有关之外,主要取决于构件之间连接节点的构造设计。《规范》规定:对于钢筋混凝土构件,抗震设计应做到“强柱弱梁”、“强剪弱弯”和“强节点弱构件”;砌体结构应设置钢筋混凝土圈梁和构造柱、芯柱或采用配筋砌体;钢结构构件应避免局部失稳或整个构件失稳。本次修订吸取汶川地震中大量预制空心板楼、屋盖塌落造成人员伤亡的教训,特别强调:“多、高层的混凝土楼、屋盖宜优先采用现浇混凝土板。当采用混凝土预制装配式楼、屋盖,应从楼盖体系和构造上采取措施确保各预制板之间连接的整体性”。2.3.2.梁的刚度和截面尺寸笔者在文献中曾叙述过,《规范》对“强柱弱梁”设计提出了增大柱端实际承载力的要求,但是实际的震害表明这些要求没有实现或较难实现。汶川地震中,大量的框架结构破坏呈现“强梁弱柱”机制。初步分析认为主要原因如下:(1)现浇钢筋混凝土梁和楼板形成一个二维构件单元,其平面内刚度和强度要比一维的柱子构件大得多,受力特征完全不同于柱。楼板对柱子形成双向约束,在两向水平地震作用下,柱截面处于复杂的双向受力状态。(2)计算建模时,T形梁和柱均以杆单元模拟,楼板作为整体,假定为刚性或弹性板元。梁单元取一定楼板宽度(通常取6倍板厚或一倍梁宽)作为翼缘,软件对梁的刚度简单乘以一个梁刚度放大系数参与计算。这样的计算模型尚不足以反映楼板的刚度影响。(3)梁的计算跨度取到柱截面中心线,增大了梁端的计算弯矩。最后的结果是,计算的配筋全部放到矩形梁,板另外配筋,使梁的钢筋超配。一般情况下,框架柱即使增大了柱端弯矩设计值,计算结果也只要求构造配筋。图9为都江堰一幢六层RC框架结构底层柱顶塑性铰,可以看到梁和楼板的尺寸太大,基本没有裂缝产生。图10为北川曲山镇一幢RC框架结构底层倒塌,可以看到,梁的配筋率远远高于柱子,钢筋直径与柱子的一样,但至少有双排钢筋在柱内锚固。为了真正达到“强柱弱梁”的目标,有许多理论和试验研究工作需要做。从工程实用角度出发,笔者认为,设计时有必要加大柱子断面和配筋,减小梁截面尺寸和配筋。因此,计算时对梁端剪力不再放大,或把属于楼板的配筋部分从梁的计算配筋中扣除。2.3.2.高层混凝土楼、屋盖现浇梁、板组成的楼、屋盖具有良好的整体性,即使在变形很大的情况下,也不会倒塌。因此,对多、高层的混凝土楼、屋盖鼓励优先采用现浇混凝土板。2008版《规范》特别提出“教学楼、医院等横墙较少且跨度较大的砌体房屋宜采用现浇板加强楼盖整体性”的要求。图11所示为位于映秀镇的漩口中学五层砌体结构学生宿舍楼,底层倒塌,中部一道承重横墙倒塌,但现浇楼板在变形很大的情况下仍未失稳塌落。2.3.2.普通的多层砌体结构课堂教学汶川地震中,采用预制混凝土空心板的许多建筑破坏,塌落的预制板造成大量人员伤亡,让人触目惊心。震害调查发现,凡是构造不良、整体性差的预制混凝土装配式楼、屋盖,地震时只要结构侧向水平位移过大,或作为楼板支座的墙体倒塌和楼面大梁折断,就可能塌落。图12为平武县平通中学的三层砌体结构教学楼完全倒塌,可以看到,预制空心板与楼面大梁、空心板与空心板之间没有任何拉结构造。图13为绵阳第一中学五层砌体结构教学综合楼,由于没按规范要求设置构造柱和圈梁,局部倒塌。但是,如果预制板之间、预制板与承重墙和楼面大梁的拉结构造良好,楼、屋盖的圈梁设置得当,即使在“大震”水准下,预制板楼、屋盖也不会倒塌散落伤人,达到“大震不倒”的目标。图14所示为游仙县忠兴小学一幢三层砖混结构教学楼,由于预制板之间具有良好的拉结,而且层层设置的圈梁对楼板起了很好的紧箍作用,加强了楼盖的整体性。所以,尽管实际地震烈度已超过大震烈度,承重横墙已经倒塌,预制板并没塌落。所以,2008版《规范》要求“混凝土预制装配式楼、屋盖,应从楼盖体系和构造上采取措施确保各预制板之间连接的整体性”是十分必要的。2.3.3“大震”作用时的构件2001版《规范》对结构体系提出了多道抗震防线的要求,对于在大震作用下结构抗倒塌具有重要意义。该要求的目的在于,当结构受到超过设防烈度的所谓“大震”作用时,作为第一道防线的某些构件,如:框排架结构的柱间支撑或柱子的翼墙、剪力墙结构的连梁等率先破坏,消耗了地震能量并改变了整体结构的动力特性,从而减低了地震力,保护了作为第二道防线的构件,如:框、排架结构的柱子、剪力墙结构的墙体,它们的存在避免了结构倒塌。砌体结构的构造柱、圈梁除作为砌体的约束构件可以提高墙体延性之外,也可视为第二道防线,在“大震”作用下,墙体可能严重破坏,但是由于构造柱和圈梁的存在,不会倒塌。2.3.3.底层结构的破坏震中区的地面运动如此强烈,使各类建筑结构的底层在地震波的第一次冲击之下瞬间倒塌,而建筑上部结构在墙体出现第一批裂缝之后,不再往复震荡,产生交叉裂缝,甚至基本完好。坍塌的底层结构形成了摩擦隔震机制,使地震能量无法继续传递上去,从而使上部结构构件在首次进入塑性变形之后,不再有损伤积累。图15为位于北川曲山镇的七层砖混结构住宅,由于构造柱和圈梁设置极好,在首波地震作用冲击下,底部两层瞬间倒塌,而上部结构保持基本完好。图16显示北川曲山镇一幢砖混结构商住楼窗肚墙上出现典型的单向斜裂缝。2.3.3.景观中国与台台钢筋混凝土框架结构2008版《规范》对防连续倒塌提出强制性要求,结构体系“应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力”;结构体系“宜有多道抗震防线”。增加结构冗余度,包括采用多跨框架、框架设置支撑和剪力墙等,可以实现多道抗震防线。对于结构的关键部位或构件,应提高其抗震性能,避免在地震时首先破坏导致结构连续倒塌。这也是当前美、日、欧等主要地震国家和地区抗震设计都十分关注的问题。对于钢筋混凝土框架结构,2008版《规范》要求“高层的框架结构不应采用单跨框架结构,多层框架结构不宜采用单跨框架结构”,这是总结了1995年日本神户地震、1999年台湾集集地震,特别是5·12汶川地震的震害经验后提出的。20世纪90年代以后,我国大陆和台湾地区的学校建筑开始采用单跨带悬挑外走廊的钢筋混凝土框架结构,也有部分多、高层建筑采用单跨框架结构。由于结构冗余度不够,这类建筑在地震中特别容易倒塌。图17为台湾雾峰乡光复中学三层教学楼,采用单跨框架带悬臂走廊,纵向无墙,走廊大悬臂,严重倒塌。图18为彰化县一幢十六层高层建筑,采用单跨框架结构,在1999年台湾集集地震中倒塌。四川省汶川县映秀镇漩口中学建成于2006年,图19(a)为学校入口处的教学楼原貌。其中,两幢主要教学用房是教学楼和实验楼,教学楼教室进深7.2m,开间9.0m(见图19b);实验楼专用教室进深7.2m,开间13.5m(见图19c);走廊宽度均为3.0m,比较空旷。走廊带有柱子,采用两跨钢筋混凝土框架结构,具有一定冗余度。汶川地震主震时,该镇位于震中,地震烈度高达11度,大部分建筑倒塌。该校教学楼和实验楼严重破坏,但没倒塌,全校1200多名学生幸免于难(见图19d)。在随后的余震中,教学楼局部倒塌(见图19e),实验楼完全坍塌(见图19f)。2.3.3.抗震性能分析和建筑结构房屋在汶川地震高影响烈度地区的调查发现,四层及四层以上的砌体房屋的震害远高于四层以下的房屋,严重破坏和倒塌的数量较多。小开间、横墙较多的砌体结构住宅倒塌较少,大开间、横墙间距较大的砌体住宅多发生局部倒塌。类似情况在过去的地震中也都有发现。一般说来,砌体结构的延性比钢筋混凝土结构差,因此,《规范》对砌体结构房屋的高度、层数和层高都有较严格的限制。对乙类的多层砌体房屋,高度和总层数要求按提高一度限制,特别是对属于乙类的、横墙较少的学校和医院砌体结构建筑,更为严格,高度和总层数实际是按提高两度的要求进行控制。但是,砌体结构在地震区是否就不能使用了?学校建筑是否必须全部采用钢筋混凝土结构呢?楼盖采用预制空心板的砌体结构房屋是否应该禁止呢?汶川地震后,全国各地对这些问题有强烈反应和许多困惑。为此,笔者数次进入灾区调查,特别注意在高烈度地区的砌体结构房屋的表现。结果表明,只要严格遵守《规范》的上述限制,满足《规范》关于圈梁和构造柱的设置要求,砌体结构房屋也可以达到“小震不坏,中震可修,大震不倒”的设防要求。以下举几个例子:图19(f)所示映秀镇漩口中学倒塌的实验楼背后是该校的第一、二教师宿舍楼,均为五层砌体结构。图20(a)和图20(b)为第一教师宿舍楼背立面和构造柱布置图,图20(c)和图20(d)为第二教师宿舍楼背立面和构造柱布置图。由于宿舍楼小开间格局和良好的构造柱、圈梁的设置,在烈度高达11度的情况下,房屋受到严重损伤但是不倒。另一个典型例子是在平武县南坝镇的两幢相邻建筑,一幢为四层钢筋混凝土结构医院建筑,另一幢为四层砌体结构商住楼,均按7度抗震设计,如图21(a)所示。在同一地点、同样的地基条件下,实际烈度达到9度,震害完全不同。医院建筑采用了两侧带悬挑走廊,下部双跨、上部单跨,且沿竖向退台的不规则框架结构,即便是钢筋混凝土结构,却产生了严重破坏,接近倒塌,但应该说还是达到“大震不倒”的效果(见图21b)。而商住楼采用的是砖混结构,由于严格按照《规范》要求,设置了良好的构造柱和圈梁,在9度情况下,结构保持完好,见不到砖墙裂缝(见图21c),其性能几乎已经达到了“大震不坏”的目标了。2.3.4缝两侧构造冲突2008版《规范》规定,“抗震缝应根据抗震设防烈度、结构材料种类、结构类型、结构单元的高度和高差情况,留有足够的宽度,其两侧的上部结构应完全分开”。正确理解本条规定应该是:建筑平、立面布置应尽可能规则,尽量避免采用抗震缝;如果必须留的话,宽度应该留够。有的工程技术人员在进行抗震设计时,往往碰到稍微不规则的结构就留缝,留的缝又不够宽;还有是在施工中,浇捣混凝土后的抗震缝两侧的模板没有拆除,或留下许多杂物堵塞,结果等于没留,地震时必然导致缝两侧的构件相互碰撞,严重的甚至引起连续倒塌。图22(a)为北川县公安局办公楼六层框架结构与两侧六层商住楼,由于使用功能分区要求留了缝,地震时碰撞导致左侧商住楼倒塌,并引起一系列连续倒塌的严重后果见图22(b)。图22(c)为江油市长钢厂单层工业厂房抗震缝两侧碰撞形成的连续倒塌。那么,如何解决建筑平面不规则和设置防震缝的矛盾?当计算的结构存在扭转效应而且扭转位移比超出规范限值时,是否必须设缝?笔者通过震害调查和分析认为,首先应尽可能避免建筑平面特别不规则布置,当不可避免时,在平面突变处,要避免应力集中。比如L形平面,在平面拐角处设楼梯间或形成空旷大厅,地震时,由于扭转效应,容易产生破坏。图23所示为1964年美国阿拉斯加地震中,位于安克雷奇的一幢L形平面的学校建筑在转角处的楼梯间破坏,在这种情况下,设防震缝可能是最好的选择。但是,如果妥当处理L形平面转角处的结构布置,完全可以不设缝。图24(a)为都江堰汉旺东方汽轮机厂的六层框架结构办公楼,L形平面不设防震缝,转角处并没产生严重破坏(请注意楼梯间设在建筑外侧)。相反地,图24(b)为都江堰北街小学四层框架结构教学楼,L形平面在拐角处设防震缝,地震时碰撞破坏。笔者曾在文献中,对设置防震缝的建筑在地震中的破坏有过详细描述,本文仅对连续倒塌和建筑平面不规则性与设缝与否作进一步讨论。2.3.5楼梯间抗震设计楼梯间是建筑的出入口,也是地震时人群疏散的惟一通道。震害调查发现,由于设计和施工质量问题,可能使楼梯间倒塌破坏,造成严重伤亡和堵塞疏散通道,阻碍救生。由于楼梯间的山墙较高,钢筋混凝土楼梯构件的抗侧刚度较大,而且梯段平台与楼层存在错层,对山墙产生出平面的水平剪力,地震时最容易破坏。因此,对于楼梯间的抗震设计,2008版《规范》第7.3.1条特别增加要求,“楼、电梯间四角,楼梯段上下端对应的墙体处;外墙四角和对应转角;错层部位横墙与外纵墙交接处,大房间内外墙交接处,较大洞口两侧”要设置构造柱;第7.3.8条要求,“装配式楼梯段应与平台板的梁可靠连接;…突出屋面的楼、电梯间,构造柱应伸到顶部,并与顶部圈梁连接,内外墙交接处应沿墙高每隔500mm设2ϕ6通长拉接钢筋”,这些都是保证楼梯间抗震安全的重要措施。如图25所示的绵竹市一幢三层教学楼,由于楼梯间四角和休息平台梁下未设置构造柱,突出屋面部分未有构造柱伸到顶部。地震时墙体破坏导致楼梯间倒塌。但是,图26所示的震害例子给我们提供了一个极好的经验,六层砌体结构住宅建筑,由于在作为楼梯休息平台梁支座的墙体处设置了构造柱,尽管楼梯段和墙体严重破坏,但楼梯间并没有倒塌。3体系抗震设计要求对比5·12汶川大地震后,许多专业技术人员在地震区展开了广泛的震害调查,收集了大量的资