从震害谈房屋建筑的抗震性能

2008年5月12日，在四川省汶川县发生的地震造成了巨大的人员和财产损失，也使得人们对日常居住的房屋，以及整个社会生活所涉及的各种公共建筑如办公楼、学校、医院、商场等的安全性引发了更多关注。

     一、地震与震害

     地震是地球表层的快速振动，它发源于地下某一点，该点称为震源。振动从震源传出，在地球中传播。地面上离震源最近的一点称为震中，它是接受振动最早的部位。地震发生时，最基本的现象是地面的连续振动，主要是明显的晃动。极震区的人在感到大的晃动之前，有时首先感到上下跳动。这是因为地震波从地内向地面传来，纵波首先到达的缘故。横波接着产生大振幅的水平方向的晃动，是造成地震灾害的主要原因。

     为了明确描述地震的大小和危害，专业上引入两个概念，即地震震级和地震烈度。震级是指地震的大小，是以地震仪测定的每次地震活动释放的能量多少来确定的。我国目前使用的震级标准，是国际上通用的里氏分级表，共分9个等级，在实际测量中，震级则是根据地震仪对地震波所作的记录计算出来的。地震愈大，震级的数字也愈大，震级每差一级，通过地震被释放的能量约差30倍。烈度是指地震在地面造成的实际影响，表示地面运动的强度，也就是破坏程度。影响烈度的因素有震级、距震源的远近、地面状况和地层构造等。

     一次地震只有一个震级，而在不同的地方会表现出不同的强度，也就是破坏程度。烈度一般分为12度，它是根据人们的感觉和地震时地表产生的变动，还有对建筑物的影响来确定的。一般情况下仅就烈度和震源、震级间的关系来说，震级越大震源越浅、烈度也越大。以本次汶川地震为例，震中汶川的烈度可达11度，破坏程度表现为该地区绝大部分房屋倒塌或严重受损，地形地貌发生改变，而距汶川100多公里的成都的烈度初步估计为6-7度，震害相对要轻得多。

     地震除了以地面震动的方式对房屋建筑产生破坏外，还会引发很多次生灾害，进一步增加地震的破坏性。这些次生灾害主要包括：地震引起火灾、水灾(海啸、水库垮坝等)、震后出现传染性疾病(如瘟疫)、有毒物质泄漏(含放射性物质)、停产(含文化、教育事业)、生命线工程被破坏(通讯、交通、供水、供电等)，以及社会动乱(大规模逃亡、抢劫等)。如1923年日本关东大地震死亡58420人，其中因地震引起火灾被烧死或因躲火跳河而淹死的人为全部死亡人数的95%；2004年印度尼西亚大地震发生在位于印尼苏门答腊岛上的亚齐省，地震引发的海啸席卷斯里兰卡、泰国、印尼及印度等国，导致约30万人失踪或死亡。

     二、从抗震性能看房屋建筑的工程抗震设计

     目前，我国抗震设计的目标是“小震不坏，中震可修，大震不倒”。即当地震烈度小于设防烈度时，房屋应基本完好；当地震烈度大于设防烈度时，房屋建筑即使产生较大破坏，也应保证不出现即时的垮塌，以使人员能够有逃生的时间。

     我国目前房屋建筑的结构形式主要有：

     砌体结构和框架结构，多见于多层建筑 从抗震性能的角度分析：砌体结构由于由砖、石等砌筑而成，砌块之间的连接较差，虽然设置了钢筋混凝土构造柱、圈梁等加强措施，但当遇到强震时，在水平和竖向交替振动作用下，砌块之间的连接容易被破坏，导致砌体松散，竖向受力构件破坏，建筑物垮塌；相比之下，框架结构能够 较为宽敞的使用空间，有利于建筑功能的组织和分割，但其抗侧刚度较弱，在强震作用下易出现较大位移，导致结构产生较严重破坏，因此也属抗震不利结构。

     钢筋混凝土剪力墙结构，多用于多高层住宅 钢筋混凝土剪力墙结构有较大的抗侧刚度，在地震作用下位移较小。经过抗震设计的剪力墙结构，在大震作用下，破坏会局限于门窗洞口处出现裂缝，而即使墙体开裂，各墙肢也可支承楼板，不会发生大规模的垮塌。从日本坂神地震的实例来看，钢筋混凝土剪力墙结构房屋未出现大的破坏，震害较轻。

     框架-剪力墙结构，主要用于公共建筑和多高层建筑 框架-剪力墙结构是在框架结构中合适的部位增设剪力墙，在 满足功能需要的大空间的同时，由增设的剪力墙 较大的抗侧刚度，提高结构的抗震性能。

     上述各种结构形式的抗震性能，即指结构在小震和大震下的表现各不相同。总体来说，钢筋混凝土剪力墙结构和框架-剪力墙结构的抗震性能较好，砌体结构和框架结构的抗震性能相对差一些。

     三、从减轻地震灾害看建筑结构新技术

     近年来，随着科学技术的发展，新技术、新材料甚至新的设计思想得到大量的应用，大大丰富了提高建筑抗震能力的手段。如使用更高强度的建筑材料，能够提高构件的极限承载能力并降低结构自重。而与之相比，新技术、新设计思想的应用，能够更有效地减轻地震灾害。其中，隔震和消能减震就是两种建筑结构减轻地震灾害的新技术。

     隔震技术在建筑结构中的应用 隔震技术是国际上热门的工程抗震新技术。它通过把隔震消能装置(如橡胶隔震垫)安放在结构物底部和基础(或底部柱顶)之间，把上部结构和基础“隔开”。这样，改变了结构的动力特性和动力作用，明显地减轻结构物的地震反应，达到“以柔克刚”的效果。国内外大量的试验和工程实践证明，隔震体系一般可使结构水平地震加速度反应下降60%左右，从而消除或有效减轻结构的地震损坏，提高建筑物及其内部人员的安全性。隔震体系具有很大的垂直承载力(50T～2000T)及很大的垂直压缩刚度，而其水平变形刚度较小(0.25kN/mm～1.8kN/mm)，水平极限变位值较大(10～50cm)，具有足够大的初始刚度，以抵抗风荷载和轻微地震，当强地震发生时，又能自由柔性滑动，而变形过大时，刚度回升，具有保护和限位作用，钢板夹层橡胶隔震垫具有较大的复位能力，在多次地震中自动瞬时复位。

     建筑结构消能减震技术的应用 结构消能减震技术的方法是指在结构的某些部位(如支撑、剪力墙、节点、连接缝或连接件等)设置消能阻尼装置或元件，通过消能装置产生摩擦非线性滞回变形耗能来耗散或吸收地震能量以减小主体结构的水平和竖向地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，以达到减震抗震的目的。这种方法主要用于高层或超高层建筑。隔震和消能减震技术目前在日本、美国已有了一定数量的应用，并在震害中有较好的表现。我国从九十年 始，也以试点的方式在一些工程中应用了这些技术并取得了一些好的经验。

     合理的建筑设计，也可提高建筑结构的安全可靠性 从建筑设计的角度出发，在正确的抗震理论指导下，依据合理的设计原则，同样可以提高甚至保证建筑结构的安全可靠性。这些原则包括结构构件应具备足够大的承载能力；结构应具有足够大的刚度以减小地震作用下的扭转和位移；结构应具有足够大的延性和耗能能力，这一点对结构在强震作用下的安全性尤为重要。延性是指构件和结构屈服后，具有承载力不降低或基本不降低、且有足够塑性变形能力的一种性能。延性大，说明塑性变形能力大，强度或承载力的降低缓慢，从而有足够大的能力吸收和耗散地震能量，避免结构倒塌。

     四、地震灾害对建筑行业的启示

     工程抗震是一门在实践中不断发展的学科，每一次地震都会为我们 新的信息，推动建筑抗震设计向更好的方向发展，从而提高建筑的安全性。我国的建筑结构抗震的设计与研究50多年来取得了巨大的进步。近年来，新技术、新建材以及新的设计思想得到越来越多的应用，建造出大批高质量的建筑。同时也应该看到，近年来在房地产行业，也确实存在着一些片面追求建筑造型的新奇独特，忽视建筑整体抗震性能的问题。无论如何，对建筑结构来说，良好的抗震性能一定来自于相对简单的体型，简单而直接的传力体系以及地震作用下结构的多道防线。

     考虑到地震可能造成的巨大灾难，防患于未然，未雨绸缪是非常必要的。在考虑房屋建筑抗震能力的同时，设计者也应高度重视由地震引发的次生灾害。对房屋建筑来说，最主要的次生灾害就是火灾，以及由地震引起的地质灾害。因此在今后房屋设计中有必要增加结构抗火设计，同时地基和基础的设计也应充分考虑到地基变形对房屋安全的影响。

     地震是一场灾难，为了最大限度地保护人民以及整个社会的利益，建筑行业有责任更加努力地工作，战胜灾难，建设美好家园。

来源:建筑时报