汶川地震部分建筑震害调查、加固对策及震后反思-纪念汶川地震14周年

2022-05-12 17:57阅读：

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转眼汶川地震已经过去14年了，那年发生了很多事情，北京奥运会也是在地震后同年举办。
汶川地震发生后，当时单位三个老总先后去了四川绵阳、德阳、成都等地区现场调研，逐一调研了公司在四川当地设计项目的实际震害，他们回来后，我收集了三位总工现场拍的项目震害照片，并结合一些震害加固技术，写了一篇文章，当时刊登在第八届中日建筑结构技术交流会，记得还在北方交通大学开会，在会议上宣读了论文，记得当时参会的还有日本同行，还有现场同声传译，也算一个难忘的经历，重温下，作为纪念。
汶川 地震部分建筑震害调查、加固对策及震后反思
摘要: 基于对5项不同结构类型的工程在5.12汶川大地震后的现场调研，初步总结和归纳了各项工程的震害情况，就普遍存在的震害进行归类分析，认为施工质量和工程管理等方面是造成一些震害严重的主要原因。针对各类建筑的震害程度及其破坏原因，抗震加固措施分为建筑构造和结构构件两大类，并分别给出解决方法。最后，结合震害和目前研究现状，对今后抗震发展方向做了初步的展望和建议，就存在的问题提出解决的思路和看法。
关键词：震害调查抗震加固连续倒塌
0 前言
自5.12 汶川

大地震发生以来，为了解笔者所在公司在四川地震灾区所设计工程项目的震害情况，先后于2008年5月中、下旬分4批次派专业人员赴成都、绵阳、德阳等地区现场调研。经过实地勘查和对住户的回访，逐步对于本次地震所造成的震害形成初步地了解和认识。所调查工程项目有如下特点：结构类型较为全面，包括钢筋混凝土框架、剪力墙、框剪、框筒和框支剪力墙结构，局部为钢结构，地面以上主体总高度在10m～100m之间，建筑功能以高层住宅、别墅和办公楼等为主。执行的《建筑抗震设计规范》经历了“89规范”和“2001规范”，混凝土结构均为现浇，各项工程均按照国家和地方政府相关规范和规定执行，设计、施工和监理等手续均齐全。所调查工程有已经竣工投入使用的工程(投入使用年限最长为10年)，也有正在处于主体施工和装修阶段的项目。通过认真总结分析，并按照业主需求，对于一些亟待解决的问题提出了相应抗震加固细则和措施。在阶段性结束以上工作后，认为有必要加以总结和反思，为今后的新建工程设计和既有结构改造加固提供参考。
1 震害调查
1.1 非结构构件震害
通过对四川省不同地区5个工程项目的认真勘查，震害从结构受力的角度可划分为两类：即非结构构件和结构构件的震害。二者区别在于，前者不会影响到整体结构的安全问题，而后者有可能引起结构体系局部、甚至整体的破坏或倒塌。
非结构受力构件震害较为普遍，而且种类较多，受损程度视具体位置各异。按照构件种类划分，主要有以下几种：
(1) 填充墙震害(图1～5)：各项工程的填充墙体均有不同程度的开裂，其中以框架结构墙体开裂最为严重。墙体开裂的主要部位和形式有：窗间墙X型贯通型裂缝、填充墙顶部与框架梁底交接处有水平贯通裂缝、混凝土梁支座处临近填充墙体有放射状斜裂缝、沿剪力墙或框架柱高度方向与填充墙交接处有竖向贯通裂缝、门窗洞口及预埋消火栓、电气柜等墙体边角部位有斜裂缝。某工程正在施工填充墙有局部震裂现象，特别是墙体顶部斜向砌筑的砌块有局部掉落情况。某框架结构塔楼屋顶小塔楼四面填充墙体整体坍塌，造成砸碎下部楼层门窗玻璃情况(图7)。
(2) 内、外墙装修面层震害(图6、8)：某高层住宅在一层入户大堂的外墙面砖局部脱落；某栋塔楼底层顶部外墙表面出现贯通斜裂缝，导致角部面砖整体脱落。户内卫生间和厨房墙面瓷砖在门窗洞口角部斜裂缝较为普遍。室内填充墙内在管线埋设位置局部抹灰面层掉落。由于填充墙在顶部和两侧开裂所引起的粉刷面层裂缝和掉灰现象明显。
(3) 变形缝震害(图9～11)：某工程两栋塔楼之间抗震缝在外立面上的填充材料沿高度方向几乎通高脱落；另一工程在屋面设置旗杆，其基础与侧向支撑杆锚固端跨越变形缝两侧，致使变形缝两侧墙体错位开裂；某工程变形缝之间原有建筑垃圾堆积严重，地震发生时，堆积物成为荷载传递路径，导致两侧相邻钢筋混凝土剪力墙开裂，甚至破坏。
1.2 结构构件震害
结构受力构件震害按照构件类型划分，即梁、柱和剪力墙等，主要震害有以下几种：
(1)楼板：某工程在某楼层梁板交接处底部，沿梁长度方向出现通长水平和放射状斜裂缝。某建筑物屋面挑板板底存在裂缝情况，但据考证，该裂缝在地震前已有，为温度应力引起的，并不影响结构的安全。
(2) 梁(图15)：对尚未竣工的工程调查发现，某工程局部框架梁底部和侧面有细微斜裂缝。
(3) 墙柱(图16～17)：部分钢筋混凝土剪力墙由于施工质量较差，地震造成局部保护层混凝土局部开裂、掉落，甚至有露出剪力墙内钢筋情况。刚施工的剪力墙，表面砂浆面层大块脱落，一般破坏部位常出现在施工缝或混凝土浇捣不密实处。柱的破坏多发生在梁、柱和填充墙体的交接处，框架柱局部混凝土脱落，有甚者在某框架结构出屋面小塔楼梁柱节点的梁底以下200～300mm范围，柱内混凝土全部压碎掉落，内部仅留被压屈的呈灯笼状纵筋！
(4) 楼梯间(图18)：楼梯梯板存在两侧和底部贯通的U型裂缝，且板底钢筋有局部拉断现象，此震害为首次发现。同时，位于楼梯间四周的梁柱，以及填充墙的破坏情况较其它部位更为严重。
(5) 装饰性构架(图13、19): 配合景观的装饰柱顶部有面砖，砌块开裂、脱落，事后发现高达10m左右的独立柱(无任何侧向支撑，顶部也没有和上部楼层梁板拉结)竟然完全采用砌块砌筑，内部没有发现混凝土芯柱和钢筋！处于屋面以上的混凝土装饰墙体，在其中、下部出现水平贯通裂缝，其中以一字型墙体震害较为严重。
(6)钢结构震害(图20～21)：所调查工程中仅一项是在屋面以上采用局部钢结构，由于建筑装饰需要设置钢结构梁柱，上部为空框架，无任何附加荷载，但其中有一道钢梁一端用于连接钢支座的预埋件被剪断，导致钢梁完全跌落于屋面，所幸另一侧钢梁仍然支承在支座上，但该处钢梁与支座连接的安装螺栓也被剪断。
2 震害分析
基于以上对震害调查，加以归类分析，对于今后设计和施工有一定的指导意义，主要有如下几点：
(1)就目前所调查的工程，虽然局部震害造成一定经济损失，但所幸没有造成人员伤亡情况，未出现结构整体或局部倒塌的情况，房屋经过适当维修加固后，均可继续投入使用，基本可说明各项工程基本能达到“三水准，两阶段”的抗震设防目标。
(2)无论何种建筑类型，填充墙体开裂引起的震害较为普遍，造成该震害产生的原因主要基于以下几个方面：第一，墙体局部施工质量较差，砌筑不平整，砌块之间砂浆不饱满等问题较为普遍，局部墙体砌筑不符合相关施工规范的要求。第二，增强墙体整体性的重要措施－设置拉结筋在个别工程发现没有完全加以执行。例如：前述某工程屋顶小塔楼四面填充墙体均发生整体垮塌，除了地震作用鞭梢效应明显外，事后现场回访，发现沿整层高度范围，框架柱与墙体之间均未发现设置拉结筋。而设置拉结筋的墙体，一般最严重的震害也仅为局部的墙体开裂和破损，不会发生上述情况。由此可见，此项构造措施的有效性和重要性！在以后的工程设计中，应在设计图纸中强调此项内容，并对业主和施工单位予以重点交代。第三，某工程设计要求在填充墙体门洞两侧、纵横墙相交处和墙长度超过6m以上均须设置构造柱的位置，震后调查，几乎均没有加以执行！故在门洞口处出现开裂较为普遍也在情理之中。
(3)初步统计发现：带剪力墙的结构与框架结构相比，后者墙体损坏和裂缝更为严重，即墙体的损坏程度与结构类型有一定的联系。剪力墙可明显增强结构体系的整体抗侧刚度，表现在震害上，带剪力墙的结构，其填充墙体的震害较轻，往往稍加维修就可继续投入正常使用。
(4)楼梯间区域震害较为严重，其中包括楼梯、梁柱和填充墙体等，其主要是由于楼梯间较其它位置相比，整体刚度较差，且存在楼层之间设梁板连接于框架柱，使得框架柱剪跨比较小，柱容易发生剪切破坏。而楼梯间四周每层填充墙体砌筑总高度和开始砌墙标高均不同于普通楼层位置，地震发生时，此区域变形与楼层不一致，故造成较为严重的震害。
(5)变形缝实际的施工情况不甚理想，没有完全贯彻设计意图，主要存在以下问题：相邻塔楼之间的空隙，建筑垃圾没有清理干净；某相邻两栋塔楼甚至在跨越缝之间设置旗杆基础和侧向支撑杆，其建筑构造措施不得当，变形缝形同虚设，没有发挥应有的作用。地震发生后，造成相邻混凝土墙和填充墙挤压和拉裂破坏，缝之间的填充材料大面积脱落等情况。在以后设计工作中，加强各专业之间的联系尤为重要，建筑专业与抗震有关的构造做法应征得结构专业同意方可用于施工。
(6) 由于施工质量的原因造成的震害较为常见，主要有以下几类：第一，结构构件：混凝土浇捣不密实，蜂窝、麻面现象常见，混凝土墙柱施工缝处理不当，导致不同时期浇筑混凝土粘接性能较差。在以上部位，均有不同程度混凝土开裂，甚至脱落等现象。第二，非结构构件：局部砖墙砌筑如前述原因，造成依附于墙体表面的粉刷层和面砖局部大面积脱落，以上震害虽不对结构主体造成伤害，但对于住户的财产损失较大，以后应对施工单位加强这方面的管理工作。
(7)应重视装饰性构架的抗震问题，不能盲目不经过结构设计就按照建筑外形要求施工，特别是一些造型不规则、大跨、高位的装饰性构件。现阶段为了追求建筑立面的独特造型，该类构件的使用也越来越普遍，以结构安全可靠作为设计原则，各个专业之间做好充分协调，是实现建筑立面创新造型的先决条件。
(8)钢结构震害调查，钢梁支座没有完全贯彻设计意图，设计要求支座一段简支固定，另一段简支滑动。滑动一侧支座设计要求，固定钢梁的螺栓在支座处留孔为椭圆形，实现钢梁和支座在外力作用下可以滑动，以便耗散能量。经勘查现场，该侧支座处实际上不能实现前述的滑动，最终导致钢梁和柱在往复荷载作用下，预埋件被完全剪断，钢梁脱落。
(9)值得一提的是，位于绵阳的某办公楼，结构体系为框筒结构，地下2层，地上26层，塔楼平面尺寸26.2mx32.8m，主体总高度97.7m，高宽比H/B=3.7,长宽比L/B=1.25,结构平面布置均匀、规整，各项指标在合理范围之内。实际震害除楼梯间填充墙有轻微裂缝外，整个大楼完好如初，也未造成人员伤亡和较大的财产损失，该建筑稍加维修，即可继续使用。由此可见，合理的结构平面布置加上精心的设计，是经得起大地震考验。
3 抗震加固措施
对某工程是否给以修复的结论，是按照当地政府组织相关专家通过建筑震害调查的基础上，分别提出建筑物存在的震害和破坏等级，得出震害评审结论。同时，结合业主的具体要求，设计单位以此为依据提出抗震加固指导细则和具体措施，并付诸于实施。就目前已经处理的部分工程大致可分为以下两类。
3.1 建筑构造抗震加固措施
3.1.1 墙体裂缝处理措施
针对墙体的开裂，本着经济和安全的原则，按照裂缝的开裂程度，分为两类处理方法，即当裂缝轻微时，采用水泥砂浆面层加固墙体即可；当裂缝较大时，采用钢筋网水泥砂浆面层加固墙体。具体加固施工要点如下：(1) 面层砂浆等级为M10，厚度为20mm。(2) 钢筋网钢筋直径为6mm，钢筋外保护层厚度不小于10mm，钢筋网与墙体空隙不小于5mm。网格间距对实心和空心墙体为300mmx300mm，空斗墙为200mmx200mm，且钢筋网与原有墙体应在墙面均匀设置拉结筋，并用水泥砂浆或环氧树脂砂浆固定于墙体，钢筋网穿墙拉结是保证加固墙体共同工作的重要措施。(3) 钢筋网四周应与梁板和墙柱连接，可采用锚筋、插入短筋和设置拉结筋等连接方法。钢筋网遇到门洞时，单面钢筋网宜将钢筋弯入洞口侧面周边锚固，双面钢筋网加固宜将两侧钢筋在洞口闭合，且在洞口尚应于钢筋网折角处设置竖向钢筋，以保证加固效果的整体性。(4) 对填充墙顶部出现的水平贯通裂缝的处理方法，经分析比较，可参考框架柱与填充墙交接处设置拉结筋的方法，在墙顶沿水平方向，每间隔500mm设置一个同墙体厚度的砂浆块体，且在其内部设置U形拉结筋，向上植筋锚入上部梁底部(图22)。此方法也可在以后新设计工程项目中予以实施，对于缓解此类型裂缝的出现是一个较为有效的措施。(5)目前常采用的砌块墙体(如：蒸压灰砂砖、加气混凝土砌块等)由于干缩变形大，当墙长较长时，往往在墙体内中部会出现两端小、中间大的竖向收缩裂缝，为防止或减轻此类裂缝，文献[1]规定：当采用非烧结砖砌筑的长度大于5m的实体墙，宜在每层墙高度中部设置2～3道焊接钢筋网片或3φ6的通长水平钢筋，竖向间距为500mm。由此可见，拉结筋所起的作用是多方面的，在今后的设计和施工中强调该项措施对保证建筑物安全和正常使用具有重要意义。
3.1.2 变形缝震害处理措施
变形缝出现较为普遍的震害，经调研发现，主要归咎于业主和施工单位对于抗震知识的欠缺，体现在对于变形缝周边的施工和管理上没有引起足够重视。例如：对于缝之间建筑垃圾的堆积，由于并不太影响建筑物正常使用，而不予及时清理，这在工程中很常见。但出现诸如前文所述的由于建筑垃圾堆积造成钢筋混凝土剪力墙严重破坏的情况也为首次发现。还有在工程中发现有跨越缝设置建筑装饰物，构造措施的实际处理不当是导致地震发生后出现临近墙体拉裂的主要原因。故对于上述震害的处理方法较为简单，即清理干净缝之间的建筑垃圾、对不合理的跨越缝之间的建筑构造措施予以改进是行之有效的方法，可大大减少此类震害的发生。
3.1.3 结构构件裂缝震害处理措施
对于经过专家鉴定，认为结构构件出现的裂缝不危及到整体或局部结构安全的前提下，可对此类情况的裂缝进行修补。而对承载力不足引起的裂缝，尚应采用适当的加固方法予以加固。针对不同宽度和深度的裂缝，其常用处理方法[2]有：表面封闭法、注射法、压力注桨法和填充封闭法。
3.2 结构构件抗震加固措施
3.2.1 梁板柱的抗震加固措施
就目前所调查的工程中，尽管没有发生结构整体的倒塌或倾覆情况，但局部出现梁板柱混凝土被压坏、钢筋被压屈的情况也存在。例如前文所述屋顶小塔楼由于鞭梢效应明显，导致梁柱节点处混凝土被整体压碎。针对此类情况，仅通过简单的维修加固是不能解决震害较为严重的问题，要根治的唯一措施即为局部拆除重建，并且重建时应弥补原有结构施工中不受重视的问题，尤其应强调的是构造措施应从严控制。
3.2.2 剪力墙的抗震加固措施
剪力墙的震害有两类较为严重，第一类是处于屋面以上的一字形剪力墙根部出现水平贯通裂缝，且在墙顶部与相邻一道剪力墙连接的梁支座处混凝土开裂并压碎(图23中C区域)，经过勘查，认为须局部拆除重建。并且改变剪力墙截面形式，将原位于屋面层以上的一字形墙体完全拆除，在端部增设与原墙体垂直的墙肢，改造为两段L形墙，两端墙肢互为支承，以增强各自墙肢的稳定性，增加的新墙肢区段竖向钢筋植筋入屋面梁内(图24)。
第二类为前述由于变形缝之间建筑垃圾相互挤压，导致某栋高层住宅(剪力墙结构，地下1层，地上24层)在2、3单元相邻处，位于9层边跨的一道一字型剪力墙(图23中标记为“A”的剪力墙)混凝土严重挤压破坏，且局部钢筋有变形。相邻栋位置(图23中标记为“B”的剪力墙)的剪力墙发生同样性质的破坏，不过剪力墙破坏没有前者严重，仅局部出现裂缝。针对以上两类震害，分别提出不同的加固方案。
A段剪力墙(图25)，首先采用临时支撑将剪力墙受损楼层以上的结构支撑牢靠，然后将拟凿除混凝土墙体分为三段，以先两端，后中间的原则施工，先凿除区，随即施工锚栓和锚板，立起钢柱(钢柱上均匀布置栓钉，以加强型钢与混凝土的粘接性能)，在钢柱顶端架设千斤顶，并根据现场情况，调节千斤顶的高度，顶紧上部保留剪力墙区段，以便能顺利传递竖向荷载。之后，绑扎该区域剪力墙水平和竖向钢筋，并向区方向水平分布钢筋预留长度400mm，浇筑该段墙体的混凝土，保证浇捣密实。在完成以上工作后，参考上述施工工序，同样应用于区。最后凿除区混凝土，竖向分布钢筋植筋，与原墙体内钢筋间隔布置，水平分布钢筋与预留筋单面焊接，钢筋绑扎完毕后浇筑混凝土。混凝土采用比原墙体混凝土强度等级高一级的微膨胀混凝土，且在新、旧混凝土交界面，凿除松动部分面层，将毛面清理干净，浇捣混凝土前应充分润湿，并涂刷界面剂。在完成剪力墙加固改造完成并达到养护时间后，在墙体两侧挂钢丝网片(φ6@400x400)，再抹水泥砂浆面层。具体加固的施工措施应符合文献[2]的相关规定。
B段剪力墙由于积压受损较轻，故不用拆除原剪力墙体，在该层在墙体两侧通高设置宽度为400mm条形钢板，将钢板粘贴于混凝土墙表面，再在预留位置的钻孔内，用螺栓对穿连接，两端螺帽拧紧。水平方向每间隔900mm设置一道钢板，相当于给墙体提供平面外约束，保证开裂墙体的稳定性，同时，对开裂裂缝采取前述方法予以处理。最后仍然在墙体两侧加挂钢丝网片，抹砂浆面层即可。
4 震后反思
随着汶川大地震震害调查的逐步深入，结合我国当前抗震领域的研究和发展现状，及时发现存在的问题和不足予以总结，便于调整和完善相关政策，是作为一名专业工作者的职责和义务。本文基于现有震害经验总结，提出以下几点初步认识，供同行参考。
(1) 通过唐山和汶川大地震发现的共性问题表明：以前建造的大量建筑物发生严重震害的主要问题在于抗震构造措施不当和施工质量不佳。而现在存在较为普遍的问题是，建筑造型为了一味追求户型采光、通风及独特的立面风格，大量住宅和公共建筑均存在不同程度的平面、立面布置不规则情况，即便是常见的剪力墙结构，诸如：局部凹凸不规则、平面布置存在“颈缩”现象、设置不利抗震的角窗等问题。抗震设计“打擦边球”问题较为普遍，解决以上问题的有效措施是：a) 借鉴唐山地震震后抗震加固成功经验，对经过专家鉴定，对尚有使用价值的建筑物采取经济有效的措施予以加固处理(如：砖混结构和填充墙体中的构造柱－圈梁体系等)，且对已建建筑的施工质量展开普查，真正做到防患于未然。b) 对于今后的新建工程，在立项审批时，结合工程项目的具体情况，特别是对于一些量大面广的建筑(例如:住宅、学校和医院等)，建议在项目设计前期，增设对结构体系不规则程度的初审环节，即从立项开始就多加考虑抗震问题。另外，对于目前日益增多的超限结构，由于其传力复杂，现有计算分析手段有限，在超限审查环节，应加大力度，从严控制，从根源上解决抗震不利的安全隐患。例如：框支剪力墙结构，标准层为实现户型的多样化，使得剪力墙布置长短和疏密不一致；而底层建筑功能希望框支柱整齐划一，竖向构件截面尺寸尽可能小。该项矛盾导致在转换层竖向构件上、下不连通情况严重，为实现上、下荷载的传递，须多级转换。显然上述结构体系很难达到经济和抗震性能双赢的局面。
(2) 对于震害的统计分析发现，框架结构的震害受损程度要明显高于带剪力墙结构。在今后设计中，对于高烈度地区，结构体系侧向刚度偏柔的框架结构为满足各项指标的要求，常规的方法即为增加梁柱截面尺寸，该措施不仅减少建筑有效使用面积，而且经济性较差。对于此类结构体系，现提倡在适当位置增设少量剪力墙，即形成带少量剪力墙的框架结构，可有效增加结构体系侧向刚度，适当减少梁柱截面尺寸，是提高结构抗震性能的一个有效措施和途径

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