汶川地震中極震區砌體結構教學樓典型震害分析1

周 強 孫柏濤

1）哈爾濱工程大學航天與建筑工程學院，哈爾濱150001

2）中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080

汶川地震中極震區砌體結構教學樓典型震害分析1

周 強1）孫柏濤1，2）

1）哈爾濱工程大學航天與建筑工程學院，哈爾濱150001

2）中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080

汶川8.0級大地震造成了巨大的損失，大量學校建筑遭受嚴重破壞，其中大部分是砌體結構教學樓。在此次地震中，極震區北川縣擂鼓鎮城區內的初中、小學和幼兒園等砌體結構教學樓的破壞極其嚴重，結構特征和震害現象十分典型。本文詳細地介紹了擂鼓鎮城區內5棟砌體結構教學樓的結構構造特點和震害現象特征，同時，總結歸納了砌體結構教學樓的典型震害并分析了震害原因；討論并分析了建筑含墻率、開間大小、高寬比等因素對建筑的抗震能力的影響；通過結構易損性分析方法對教學樓在不同烈度下的破壞狀態進行了計算，并與實際震害進行了對比分析；最后，為災后教學樓的重建工作提出了建議。

汶川地震 砌體結構 教學樓 典型震害分析 易損性分析

引言

2008年5月12日，四川省汶川縣（東經103.4°，北緯31°）發生了里氏8.0級地震，震中位于汶川縣映秀鎮，震中烈度為11度，中國大半地區有明顯震感，這是新中國成立以來最為強烈的一次地震。據統計，汶川大地震共造成50萬間房屋倒塌，其中包括約6898棟校舍。在世界各地發生的歷次地震中，大量學校建筑遭受嚴重破壞的現象普遍存在，如臺灣 1999年“9.21”地震中，辦公建筑和醫院建筑的破壞率分別為0.8%和0.2%，而學校建筑破壞率達2.2%（王亞勇等，2001）；2003年土耳其Bingol MS6.7級地震中，因大量教學樓的嚴重破壞，導致31000多名學生無教室上課（Adem Dogangun，2004）。教學樓的嚴重破壞或倒塌是造成大量師生傷亡的最直接原因，因此引起了社會各界的強烈關注。砌體結構教學樓在我國各地普遍使用，在汶川地震中砌體結構教學樓的破壞尤為嚴重，其抗震性能的好壞與地震中學校師生的人身安全有著密切的聯系。

在重災區北川縣，抗震設防烈度為 7度，設計基本地震加速度為 0.1g （中華人民共和國建設部，2008）。擂鼓鎮位于北川縣境東南，距縣城8km，是縣城通往安縣和綿陽的門戶，幅員面積145km2，人口1.7萬，轄30個行政村1個街道居委會，成青公路穿鎮而過。在汶川地震中，擂鼓鎮是緊鄰北川縣城受災最重的鄉鎮之一，城區內的初中、小學和幼兒園等教學樓破壞極其嚴重，震害現象十分典型。

本文依據地震現場實地調查資料，對極震區擂鼓鎮城區內的3棟初中教學樓、1棟小學教學樓以及1棟幼兒園教學樓，共計5棟砌體結構教學樓的建筑概況和震害現象特征予以了詳細介紹，并對這些教學樓的典型震害進行了分析，同時結合理論計算進行了討論，提出了一些建議。

1 建筑概況及震損情況（劉恢先，1986；孫柏濤等，2000；中國科學院工程力學研究所，1979；中國石油化工總公司抗震辦公室，1991）

1.1 擂鼓鎮初中1號教學樓（No.1樓）

1.1.1 建筑概況

該教學樓1993年建成，主體3層，結構類型為砌體結構，縱橫墻承重，縱墻厚370mm，橫墻厚240mm，樓板及屋蓋為預制板，平面布置如圖1（a）所示。該樓設防烈度為7度，各層均設有圈梁（構造柱布置見平面簡圖，下同），砂漿強度等級為M5，建筑高寬比為1.4，各層含墻率（即各樓層縱橫墻有效斷面積之和（扣除門、窗孔）與相應樓層建筑面積的比值）均為8.39%。

1.1.2 震損情況

震害主要集中在底層，墻體普遍出現通透性貫穿交叉斜裂縫；圖1（a）中A和B軸上的圈梁及門窗過梁普遍出現嚴重裂縫，部分斷裂，而且主要集中于大開間的教室處，其它部位圈梁震害明顯偏輕；墻體普遍沿圈梁底部出現水平裂縫；1和10軸上的構造柱在與圈梁連接處出現嚴重裂縫，其它構造柱在與圈梁連接處出現明顯裂縫。

圖1 擂鼓鎮初中1號教學樓Fig. 1 The No.1 teaching building of Leigu junior middle school

2—3層震害相對較輕。2層多數墻體出現通透性斜裂縫，少數墻體出現通透性貫穿交叉斜裂縫；3層少數墻體出現通透性斜裂縫。該建筑的震害等級為毀壞。

1.2 擂鼓鎮初中漢龍教學樓（No.2樓）

1.2.1 建筑概況

該教學樓2004年建成，主體3層，結構類型為砌體結構，縱橫墻承重，墻厚均為240mm，樓板及屋蓋為預制板，平面布置如圖2（a）所示。該樓設防烈度為7度，各層均設有圈梁，砂漿強度等級為M5，建筑高寬比為1.1，各層含墻率均為5.94%。

1.2.2 震損情況

震害主要集中在底層，圖2（a）中B軸向的縱墻大多數出現嚴重裂縫，部分倒毀；窗間磚壁柱普遍斷裂、錯位；E軸上的縱墻震害明顯輕于B軸上的縱墻；橫向墻體的震害輕于縱向墻體；4、5軸間的外廊柱倒毀，其它外廊柱在頂部和底部普遍出現水平裂縫；B軸與3、4、5軸相交處構造柱斷裂，其它構造柱也普遍在門、窗洞口上沿高度附近出現明顯裂縫。

2—3層震害相對較輕，震害分布與底層相似，2層縱墻普遍出現通透性斜裂縫；3層部分墻體出現通透性斜裂縫。該建筑的震害等級為毀壞。

圖2 擂鼓初中漢龍教學樓Fig. 2 Hanlong teaching building of Leigu junior middle school

1.3 擂鼓鎮初中2號教學樓（No.3樓）

1.3.1 建筑概況

該教學樓1993年建成，主體3層，結構類型為砌體結構，縱橫墻承重，墻厚均為240mm，樓板及屋蓋為預制板，平面布置如圖3（a）所示。該樓設防烈度為7度，各層均設有圈梁，砂漿強度等級為M2.5，建筑高寬比為2.4，各層含墻率均為7.60%。

1.3.2 震損情況

震害主要集中在底層，大多數樓板掉落，圖3（a）中3、5軸間部位倒毀；縱墻墻體普遍出現通透性斜裂縫，且多為沿著磚塊出現的階梯型裂縫；A、B、C軸上的縱墻普遍沿圈梁底部出現水平裂縫；1、2、6軸上的橫墻出現多道通透性貫穿交叉斜裂縫；C軸與6軸相交處構造柱斷裂、露筋。

圖3 擂鼓初中2號教學樓Fig. 3 The No.2 teaching building of Leigu junior middle school

2—3層除中間倒毀部分外，震害相對較輕，震害分布與底層相似；2層多數墻體出現通透性斜裂縫，墻體普遍沿圈梁底部出現水平裂縫；3層震害輕于2層。該建筑的震害等級為毀壞。

1.4 擂鼓鎮小學校（No.4樓）

1.4.1 建筑概況

該小學2000年建成，主體3層，結構類型為砌體結構，縱橫墻承重，墻厚均為240mm，樓板及屋蓋為預制板，平面布置如圖4（a）所示。該樓設防烈度為7度，各層均設有圈梁，砂漿強度等級為M5，建筑高寬比為1.5，各層含墻率均為4.34%。

1.4.2 震損情況

以圖4（a）中10軸伸縮縫為界，右側倒毀，未倒一側震害相對較輕。未倒部分的震害主要集中在底層，橫墻震害重于縱墻震害；橫墻普遍出現通透性斜裂縫；縱墻普遍出現斜裂縫，少數為通透性斜裂縫，裂縫主要集中于門窗洞口角部；C軸與10軸相交處構造柱在與圈梁連接處出現嚴重裂縫；外廊柱未見明顯破壞。

2—3層震害明顯輕于底層，震害分布與底層相似。該建筑的震害等級為毀壞。

1.5 擂鼓鎮中心幼兒園（No.5樓）

1.5.1 建筑概況

該幼兒園2000年建成，主體3層，結構類型為砌體結構，縱橫墻承重，墻厚均為240mm，樓板及屋蓋為預制板，平面布置如圖5（a）所示。該樓設防烈度為7度，各層均設有圈梁，砂漿強度等級為M5，建筑高寬比為1.1，各層含墻率均為7.87%。

圖4 擂鼓鎮小學校Fig. 4 The building of Leigu primary school

1.5.2 震損情況

震害主要集中在底層，圖5（a）中D軸上介于3和4軸之間的磚壁柱中部酥碎，另外3個磚壁柱均在中部斷裂；橫墻普遍出現通透性斜裂縫；縱墻中出現的嚴重裂縫主要分布于3、4軸和5、6軸間的窗間墻。

2—3層震害相對較輕，2層部分橫墻體出現通透性斜裂縫；3、4軸和5、6軸間的門窗洞口角部出現通透性斜裂縫；3層少數橫墻出現通透性斜裂縫；縱墻在3、4軸和5、6軸間的門窗洞口角部出現通透性斜裂縫。該建筑的震害等級為嚴重破壞。

圖5 擂鼓鎮中心幼兒園Fig. 5 The building of Leigu central kindergarten

2 震害分析

2.1 典型震害及原因

從歷史經驗看，地震中砌體結構教學樓的破壞普遍重于其它類型房屋，究其原因，這與其自身結構特征有很大的關系。教學樓因其功能的要求，開間和進深都比較大，為了滿足采光和通風需要，縱墻上開有較多門窗洞口，使得縱墻抗剪能力較弱，在地震作用下容易出現破壞。在汶川地震中，擂鼓鎮是緊鄰北川縣城受災最重的鄉鎮之一，烈度為11度，城區內房屋破壞非常嚴重。本文所選的初中、小學和幼兒園等教學樓均是當地典型學校建筑，結構特征和震害現象十分典型，具有普遍意義。分析以上砌體結構教學樓的典型震害和原因主要為：

（1）墻體破壞

墻體破壞在各教學樓中普遍存在，裂縫是其主要震害形式。當地震作用平行于縱、橫墻時，它們常因受剪強度不足而產生斜裂縫（如圖6所示），在地震往復作用下進一步形成交叉斜裂縫，當地震作用沿斜向時，縱、橫墻均可能出現交叉裂縫（如圖7所示）。樓板下水平裂縫的出現，通常是由于樓板與墻體連接強度不夠，在地震作用時變形不協調而產生。外縱墻和大開間教室的墻體，往往受彎剪作用也容易在窗臺和窗頂標高處產生水平裂縫（如圖 6、圖7所示）。

圖6 墻體斜裂縫和水平裂縫（No.4樓）Fig. 6 Diagonal and horizontal cracks of masonry wall(No.4 building)

圖7 墻體交叉裂縫（No.1樓）Fig. 7 Cross cracks of masonry wall(No.1 building)

（2）縱橫墻連接處破壞

縱橫墻連接處的破壞主要是由于縱橫墻缺少可靠連接，在地震作用下縱橫墻連接處往往產生豎向裂縫（如圖8所示），甚至縱墻外閃或倒塌，特別是處于房屋端部的墻角部位受到相鄰結構的約束相對較弱，而地震對房屋的扭轉作用對其影響較大，更容易遭受地震破壞。對于設置在縱橫墻交接處，特別是房屋端部的構造柱的破壞主要表現為開裂、混凝土酥碎、縱向鋼筋斷裂等，這與房屋遭受較大的水平地震剪力、整體傾覆力矩及豎向振動等綜合因素有關（周鐵鋼等，2008）。

（3）樓梯間局部破壞

樓梯間的剛度一般較大，所承受的地震作用也較大，梯段平臺與樓層存在錯層，樓板對其約束減弱，空間剛度差，特別是在頂層，墻體較高，穩定性差，當地震烈度較高時，樓梯間墻體會出現局部嚴重破壞或局部倒塌（如圖9所示）。

圖8 縱橫墻連接處破壞（No.3樓）Fig. 8 Connection damage of longitudinal and cross walls (No.3 building)

圖9 樓梯間倒塌（No.3樓）Fig. 9 Stairwell collapse(No.3 building)

（4）樓（屋）蓋破壞

樓（屋）蓋的破壞主要是由于預制樓板與墻體或梁連接不牢或擱置長度不夠而導致樓板錯位甚至掉落而引起（如圖8、圖9所示）。

以上是所調查的5棟砌體結構教學樓的一些主要震害特征，此外，還有諸如裝飾構件掉落和抹灰掉落等震害。引起以上各教學樓的震害因素很多，歸納起來主要為墻體自身強度不夠而產生的破壞，以及結構各構建之間缺乏可靠連接而產生的破壞。

2.2 各教學樓震損情況對比分析

通過對上述5棟教學樓的建筑概況及震損情況進行對比，可以看出：

（1）在No.1、2、3、5四棟教學樓中，No.3樓的實際砂漿強度等級最低，而且高寬比最大，在實際震害中出現局部倒毀，震害重于No.1、2、5教學樓。

（2）No.2樓的教室開間和進深最大，其教室墻體的破壞要重于其它教學樓教室的墻體。

（3）No.1、2、4、5 四棟樓的砂漿強度等級相同，高寬比也比較接近，但No.1和No.5樓的含墻率相對較高，墻體震害輕于含墻率較低的No.2和No.4樓。

（4）No.3樓的樓梯間在地震中倒塌，而其它教學樓的樓梯間未倒。

（5）有開洞墻體在洞口周圍出現的震害較多。

（6）5棟教學樓的樓（屋）蓋均采用預制板，僅No.3樓的樓板出現明顯錯動和掉落，其它4棟教學樓的樓板震害明顯較輕。

2.3 小結

通過以上震害分析可知：

（1）5棟砌體結構教學樓均經過抗震設計，在汶川地震中基本上滿足了“大震不倒”的抗震設防目標，可見教學樓這類空曠建筑在經過抗震設計后，如果施工質量得到保證，也可以具備較強的抗震能力。

（2）砂漿強度、開間和進深尺寸、高寬比、含墻率、樓梯間的布置和平立面布置等都是影響結構抗震能力的主要因素。

（3）與周圍砌體結構住宅樓相比，教學樓的震害普遍較重，可見開間和進深尺寸以及含墻率是影響結構抗震性能的重要因素。另外，教學樓窗間墻的破壞通常要重于住宅樓，這與教學樓窗間墻較窄、房屋空曠有關。

（4）洞口周圍墻體是結構的薄弱部位。

（5）No.2和No.3教學樓的每層均布置有圈梁和構造柱，地震后首層墻體破壞都非常嚴重，但沒有出現整體倒塌現象，說明圈梁和構造柱能有效提高房屋的抗倒塌能力。

（6）如果預制樓板之間以及與墻體之間連接牢靠，預制板樓（屋）蓋也可具有較好的抗震性能。

3 結構易損性計算分析

3.1 結構易損性計算

砌體結構地震易損性分析方法（尹之潛等，2004）以地震加速度峰值為輸入參數，克服了以往以烈度為輸入參數的易損性分析方法（尹之潛等，1996）依賴于地震的宏觀現象等缺陷，并與新地震區劃圖接軌，在國內得到了廣泛的應用。依據上述5棟砌體結構教學樓的實地調查數據，通過理論計算得到了各教學樓在不同烈度時的超越強度倍率值E，然后通過表1可查得其震害等級。

表1 震害等級對應的超越強度倍率的上下限（尹之潛等，2004）Table 1 The upper and lower limits of beyond strength correspond to the damage grade (Yin Zhiqian, 2004)

各建筑物底層在不同烈度下的易損性分析結果如表2所示。

表2 各建筑物底層在不同烈度下的震害等級Table 2 Damage grades of the first floor from different buildings under different intensities

3.2 計算結果分析

通過對各教學樓的實際破壞狀態與易損性分析結果進行對比分析，可知5棟教學樓總體上均符合我國抗震規范中“三個水準”的抗震設防目標。在地震烈度為11度時，除No.5樓實際震害等級為嚴重破壞外，其余各教學樓震害等級的計算結果與實際震害等級基本吻合。事實上，建筑物的破壞狀態是許多震害影響因素綜合作用的效果（孫柏濤等，2008），在理論上很難對其做全面的考慮，理論計算結果與實際震害損失之間有時會有一定的差別。

4 結束語

汶川大地震造成了大量教學樓的嚴重破壞和倒塌，教訓是慘重的。鑒于我國當前的經濟水平，對于教學樓這類重要建筑，砌體結構依舊是其主要結構類型之一，如何保證砌體結構教學樓的抗震性能是值得關注的。通過對上述5棟教學樓的典型震害分析，我們為災后教學樓的重建工作提出如下建議：

（1）通過在洞口周圍墻體配置鋼筋等方式，對其進行適當加強，以減輕開洞墻體的震害。

（2）加強預制板間以及墻體間等結構構件的連接，以增強結構的整體性。

（3）在滿足功能要求的情況下，減小開間和進深尺寸以及洞口數量，注意結構的平立面及樓梯間布置。

（4）如果條件允許，可適當提高教學樓的抗震設防標準或采用框架結構等抗震性較好的結構類型。

（5）加強各項管理，確保設計和施工質量，同時做到對建筑的合理使用和適時維護。

劉恢先，1986. 唐山大地震震害（二）.北京：地震出版社.

孫柏濤，孫得璋，2008. 建筑物單體震害預測新方法. 北京工業大學學報，34（7）：701—703.

孫柏濤，孫福梁，李樹楨，菇繼平，杜瑋，2000. 包頭西6.4級地震震害. 北京：中國科學技術出版社.

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Seismic Damage Analysis of Typical Masonry Teaching Buildings in Meizoseismic Area of Wenchuan Earthquake

Zhou Qiang1)and Sun Baitao1,2)

1）College of Aerospace and Civil Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
2）Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Harbin 150080, China

The Wenchuan earthquake with MS8.0 caused huge loss and severe damage of school buildings, among which most are masonry teaching buildings. In this earthquake, Leigu town, which adjoins Beichuan county, was the most seriously damaged place. The masonry teaching buildings of middle schools, elementary schools and kindergartens were damaged severely and the architectural feature and earthquake disaster phenomenon are very typical. The characteristics of structures and seismic damage of five masonry teaching buildings in Leigu town are introduced in detail in this paper. At the same time, the typical seismic damage and the damage causes of these masonry teaching buildings are given. The effecftive factors on seismic behavior such as the wall ratio, bay and height-width ratio are analyzed. By means of structure vulnerability analysis, damage states of these buildings,under different intensity, are calculated and used for comparative analysis with actual damage states. Finally, some reasonable suggestions on the reconstruction of teaching buildings after disaster have been given.

Wenchuan earthquake; Masonry structure；Teaching buildings; Typical seismic damage analysis;Vulnerability analysis

周強，孫柏濤，2010. 汶川地震中極震區砌體結構教學樓典型震害分析. 震災防御技術，5（4）：467—476.

國家973計劃課題（2007CB714205）、國家自然科學基金重點項目（50938006）、科技部國際合作項目（2010DFA71240）資助

2010-10-11

周強，男，生于1983年。博士研究生。主要研究領域：結構抗震、災場仿真技術。E-mail: zhouqiang09@hrbeu.edu.cn