雕刻在心中的汶川記憶

孫柏濤

孫柏濤，中國地震局工程力學研究所所長、二級研究員、博士生導師，國際地震工程協會（IAEE）執行理事和中國國家代表，聯合國災害評估與協調隊（UNDAC）評估專家，中國地震學會副理事長，清華大學、哈爾濱工業大學、大連理工大學等高等學校兼職教授。長期從事結構抗震、震害預測、房屋安全鑒定及地震經濟損失評估等領域的研究工作，先后主持國家973計劃課題、國家自然科學基金重點項目、國家科技支撐計劃課題、國際科技合作等近30個國家級和省部級科研項目，發表學術論文200余篇，主持編著《包頭西6.4級地震震害》等3部專著，主持或參與編制《地震災害預測及其信息管理系統技術規范》等11部國家技術標準，科技成果榮獲省部級科技獎勵6項。

在中國大陸近3000個縣級行政區域中汶川縣僅僅是其中之一，它并沒有任何特別之處。然而2008年5月12日這一天，在汶川發生了8.0級地震，使得汶川縣成為全中國乃至全世界都能記住的地名和方位。近百天的地震現場經歷給我們這些從事地震工程的科技工作者在各個方面留下深深的印記。

汶川地震是中華人民共和國成立以來繼唐山地震之后又一次造成如此之大經濟損失、人員傷亡和工程結構破壞的地震。這次地震人員傷亡小于唐山地震的原因主要有以下幾個方面：（1）1976年唐山7.8級地震屬于城市直下型地震，極災區（Ⅺ度）發生在人口稠密的大中型工業城市，而汶川地震的震中和發震斷裂發生在龍門山和成都平原的交界處，雖然災區的影響范圍（汶川8.0級地震Ⅵ度區及以上面積合計440442平方千米）大于唐山地震的影響范圍，但極災區內（Ⅺ度）人口較多的區域僅有北川縣城所在地和汶川縣的映秀鎮等，Ⅸ度以上高烈度區也只包括了都江堰市、綿竹市等數個經濟較為發達、人口較為稠密的縣級市；（2）按照我國當時經濟水平發展的狀況，1976年的唐山市及周邊地區的基本設防烈度是Ⅵ度區，但根據《TJ 11-74工業與民用建筑抗震設計規范》(試行)(簡稱74規范)，Ⅵ度及以下地區為不設防地區，所以當時的建筑結構抗震能力很差，地震發生時市區內和周邊地區幾乎所有的房屋倒塌或嚴重破壞。汶川地震時，我國施行GB 50011-2001《建筑抗震設計規范》(簡稱2001規范),汶川大部分地區的建筑按照Ⅶ度或Ⅶ度半進行抗震設防，因此城鎮的很多新建建筑符合設防標準，農村亦有少量的自建民居建設時有設防概念，如設有抗震效果較好的圈梁和構造柱等抗震建筑結構；（3）唐山地震發生在凌晨3點42分，人們處在建筑物內，且在熟睡中沒有自主避難意識。汶川地震發生在下午2點28分，地震發生時部分民眾在室外，室內的民眾也可以自覺地避難以減少傷亡。

奔赴都江堰

在汶川地震中，都江堰市是應該最先說一說的地方。大地震后的前兩天，因為人口比較稠密的都江堰市距離震中位置較近，也因當時通信網絡不暢通，從地震現場傳回的信息不對稱等諸多因素，大量的救援人員紛紛擁入都江堰，各行業的指揮部均設在了這個地方，此時的都江堰變成了一個異常擁擠的小城市。筆者也是首先奔赴都江堰。

都江堰市是一個有著較長建設歷史的中小城市，其建筑物的存量較多。隨著其經濟水平的快速發展，一些新型結構形式不斷出現，新型結構與老舊房屋并存，建筑的結構類型較多。但在既有建筑中未設防的結構占有較大比例，尤其是城區內的居民住房以未設防的砌體結構為主，即便是公共建筑中，也有部分未設防的砌體結構。本次地震中都江堰遭遇烈度是Ⅸ度，未設防砌體結構造成的災害最為嚴重，大部分未設防的砌體結構嚴重破壞或中等破壞，其中約有5%的房屋倒塌或者部分倒塌。

圖1是都江堰新建小學未設防砌體結構教學樓的倒塌現場，該結構是20世紀90年代以前建造的4層磚混結構，其布局是中間為樓梯間，樓梯間左側為教室，開間較大，而樓梯間右側是教師辦公室和開間較小的儲存間等。由于樓板和屋蓋均為預制板，并與承重墻體搭接，預制樓板之間沒有很好的拉接，地震中開間較大的教室因承重墻體移位，造成屋蓋和樓板從4層開始塌落一直到底，致使數百名小學生和教師遇難。從圖中亦可看到，距離新建小學教學樓僅十數米遠的城關幼兒園教學樓震后基本完好，因為這棟建筑是2000年以后按照Ⅶ度設防標準建設的結構。我國從2001年以后就禁止砌體結構使用裝配式的樓、屋面板，以保證結構具有更好的整體性。實際震害再一次印證了由裝配式的樓、屋面構件建造的砌體結構震害更為嚴重的特點。由于施工時很難保證預制構件之間的拉接，造成結構的整體性較差，地震時個別局部結構構件損壞后引發其他結構構件接續破壞，從而造成結構整體塌損。

圖1 新建小學4層未設防砌體結構倒塌

圖2 居民小區設防與未設防砌體結構震害對比

圖2 為都江堰某小區砌體結構震害的對比。中間完全倒塌的是未設防的砌體結構，塌損結構的瓦礫中壓埋了多名居民。由于塌損結構形成的瓦礫相互嵌入，且每一塊瓦礫質量又很大，無法用人力去搬動或實施救援。當時的都江堰倒塌現場很多，重型機械遠遠不能滿足各個場點的救援需求，回想建筑倒塌后趕回家救援或者地震中僥幸逃生的家屬那種無助、無奈的眼神和淚水，至今難以忘懷。而兩側新建的設防砌體結構由于整體性和施工質量較好，地震中僅遭受中等偏輕的破壞。在高烈度區的設防砌體結構完全倒塌的震例很少見，常見的最嚴重的破壞形式為底層塌損、2層以上傾斜的破壞形式。

圖3 底框架結構底層框架“坐層”震害

圖4 底框架結構過渡層砌體“坐層”震害

圖5 設防砌體結構底層塌損，結構整體傾斜

“走”進映秀鎮

大概是震后第3天，獲悉汶川縣映秀鎮的災害比都江堰要嚴重得多，遇難人數也很多，但是此時交通已經中斷了，車輛無法進去。其實都江堰市與映秀鎮的直線距離不算遠，但是岷江上唯一通往映秀鎮的廟子坪大橋已經是落梁破壞，我們烈度評定和災害調查小組7人在16日（震后第4天）從都江堰渡口乘坐沖鋒舟到漩口鎮附近登岸，天上細雨淅瀝，走在隨時有滑坡或滾石威脅的泥濘的路上，數百米就得翻越一次震后滑下的坡體，徒步近4個小時，終于在黃昏時分接近了映秀鎮。此時眼前的一切是我經歷過的所有地震現場從未見到過的震害場景。映秀鎮距離儀器測定的微觀震中最近，鎮里的所有結構達到了嚴重破壞或倒塌的破壞等級，最終確定該地區的影響烈度為Ⅺ度。

圖3和圖4是底框架結構中兩種典型的震害現象。前者是由于底部框架部分空曠，上部砌體結構承重墻和隔墻較多，造成底部框架和上部砌體剛度差異過大，剛度相對弱的底部“坐層”。反之，后者是底部框架部分隔墻增多，剛度加大，使得過渡層砌體破壞嚴重，產生中間“坐層”。大量的震害表明，在高烈度區不宜采用該類結構形式。因為設計時較難控制底部框架和上部砌體的剛度比，同時，在使用時用戶還經常改變其使用功能，將框架中的填充墻拆除以擴大內部使用空間，造成底層剛度削弱。

北川！北川！

北川縣城的震害與映秀鎮一樣，同樣令人痛心，最終北川縣的影響烈度被確定為Ⅺ度。但是，由于北川是縣城所在地，經濟相對發達，結構類型較為多樣。縣城的老城區多以砌體結構和底框架為主，設防與未設防結構各占50%左右。縣城的新城區設防結構的比例較大，其中鋼筋混凝土框架結構占有相當的數量。

北川地區的基本設防烈度是Ⅶ度半（0.15g），但是在遭遇Ⅺ度罕遇地震時，絕大部分的建筑結構產生了嚴重破壞或者倒塌。圖5為4棟五層設防砌體結構地震中的表現，震害特點均為底層結構被剪斷、發生“坐層”破壞。由于上部結構設有圈梁和構造柱，整體性較好，當底層發生破壞后，后續地震力無法傳遞到上部結構才使得沒有完全垮塌。

在我國大陸的歷次地震中，鋼筋混凝土框架結構發生嚴重破壞及以上的震例并不多見，其主要原因是：（1）近些年超大地震頻次較少，高烈度影響區（Ⅸ以上）不多；（2）發生在發達地區的地震數量少，小城市和鄉鎮地區框架結構不多見；（3）框架結構一般都是設防且正規施工建設的結構形式，抗震能力較好。但是，在本次地震中框架結構的震害特點與以往不同。通常情況，底層破壞較為嚴重，原因是底層承受的地震剪力最大，但是若結構中間層有剛度薄弱層，破壞就會首先產生在薄弱層的構件上。圖6是縣城新區內的北川大酒店震害，底層柱頭被剪斷，結構向右傾斜。

圖6 鋼筋混凝土框架結構底部柱頭被剪斷

地震災區結構特點及破壞情況

四川省是我國的人口大省之一，通常有人居住的地方就有工程結構，所以災區建筑結構存量較多，且有以下幾個特點：（1）市區內房屋結構多以砌體結構為主，多數居民住宅樓都是該結構類型。20世紀90年代以前所建的砌體結構多為不設防結構，90年代之后建設的砌體結構一般都按照當時的設防標準進行了設防。另外，還有一定比例的底框架和框架結構，這部分類型結構多數是90年代后建造的，大都符合7度或者更高烈度的設防要求；（2）城郊、鄉鎮和農村地區建設過程中由于缺乏有力的監管，自建的砌體結構和穿斗木構架結構居多，多數自建砌體結構的建設質量和設防狀況堪憂，即便部分砌體結構增加了一些構造措施，如圈梁和構造柱，但也很難滿足規范要求。穿斗木構架結構多以磚砌體作為圍護墻和內隔墻，與支撐木柱幾乎無連接；（3）地震影響區內的綿陽和德陽是我國重工業比較集中的地區，空曠的鋼筋混凝土框架和排架廠房也是存量較多的結構類型。

在這次地震中，不同結構類型破壞特點和程度是有很大差別的。

砌體結構：由于老舊的砌體結構樓板和屋面板大都是預制板，未設防的砌體結構破壞最為嚴重。地震中因承重墻體破壞或移位，造成預制板整塊塌落，使得結構整體或局部破壞。在Ⅶ度及以上地區就有部分該類結構嚴重破壞。而設防砌體結構抗震能力較好，在Ⅸ度區才會出現部分嚴重破壞現象。其破壞特點是底層結構首先破壞，直至倒塌，通常稱之為 “坐層”破壞。

底框架結構：該類結構一般都是設防結構，其構造特點是底一層或底兩層為框架，上部為設防砌體。在低烈度區域，其震損表現與設防砌體結構相差不多，但在Ⅷ度及以上地區就有明顯差異，其震損程度要遠高于設防砌體結構。震害特點若是底層框架部分的剛度大，則過渡層砌體破壞嚴重；若是底層框架部分空曠，填充墻少，剛度較小的話，底層框架部分則破壞嚴重。

鋼筋混凝土框架結構：我國大陸框架結構震害在以往的地震中出現的震例不多，本次地震該結構類型在高烈度區出現了不同的震害現象。鋼筋混凝土框架結構整體抗震能力較好，在Ⅸ度地區出現中等或嚴重破壞，在Ⅹ度及以上地區部分框架結構倒塌。震害特點是底層框架或剛度薄弱層框架的柱頭出現塑性鉸、斷裂，直至整體結構倒塌。影響區內框架結構多為單跨外廊式建筑，這種形式的框架不符合多道設防的概念設計，其震害程度比多跨框架結構形式要重的多。為此在GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》的修訂時限制了單跨框架結構形式的使用。

穿斗木屋架結構：該類結構是西南地區村鎮傳統的結構類型，圍護墻和內隔墻一般為磚砌體或片石砌體。在低烈度區就出現墻體與木構架柱分離，在高烈度區出現墻體塌損的震害現象。由于木構架整體性較好，又具有韌性，結構整體倒塌震例較少。

框（排）架廠房：框架廠房結構的震害特點與上述框架結構類似，但由于廠房內部空曠，內部隔墻較少，使得震害稍重于一般公（民）用框架結構；排架廠房結構的抗震能力較好，在低烈度區的震損并不嚴重，在Ⅸ度及以上地區排架柱的根部出現斜裂縫、斷裂等震損現象。由于排架廠房的屋面質量較輕，完全倒塌的震例并不多見。

地質災害使得結構完全倒塌或者被掩埋是本次地震災區最為常見的災害形式。地震時前山斷裂出露地表的有90余千米，中央斷裂是本次地震的主要發震斷裂，出露地表的有200余千米。跨越出露地表斷層的工程結構基本全部倒塌。滑坡、崩塌或滾石等地質災害造成的工程結構被壓埋或者撞擊是另一種災害形態。

宏觀地震烈度分布圖

劃定地震影響區域的范圍，也就是地震的宏觀烈度，是地震應急工作中最先要做的任務之一，因為它對災區應急救災、經濟損失評估與恢復重建等有著重要的指導作用。數百位地震科技工作者在災區奮戰了數十個日夜，行程十數萬千米，依據災區建筑結構的破壞程度以及地質災害等宏觀現象等，完成了《汶川8.0級地震烈度分布圖》（第一稿），如圖7（a），該烈度圖對指導地震應急期救災及后續災區的恢復重建發揮了積極作用，該版的烈度圖更著重于災區的影響范圍。因為一次實際地震的烈度分布對地震學和地震工程學科技工作者在今后的研究工作中有著非常重要的科學價值，為了提高烈度圖的科學性和準確性，中國地震局工程力學研究所研究員袁一凡懷揣著對科學研究的責任感，帶領一個團隊的地震工作人員，本著科學嚴謹的態度，用了相當長的時間對烈度圖進行了認真仔細的復核，繪制了《汶川8.0級地震烈度分布圖》（第三版），如圖7（b）。

圖7 汶川8.0級地震宏觀烈度圖

結語

汶川地震后全國上下迅速展開了規模空前的救援和震后恢復重建工作，不到3年的時間在災區的原址上，一座座新的城市、鄉鎮和農村重新展現出來，他們比震前的結構具有更好的抗震性能和功能。在這個過程中，彰顯了我們國家制度的優越性，充分體現了中國政府的領導力和執行力，災區人民展現了頑強不屈的品德，全國人民乃至世界人民給予了無私的大愛，使得我國各族人民更具有凝聚力和自信心，這種精神將始終激勵我們前行。