鲁甸6.5级地震,震级不高,却是云南省继1988年澜沧-耿马大地震以来,对城镇现代建筑破坏最为严重的一次地震。极震区龙头山镇建有不同时期的各类建筑,主要有砌体结构、框架结构和农村自建房等,均为单层或多层建筑。其中以2000年以后建造的多层砌体和框架结构房屋居多,各类建筑震害现象较为典型。

　　 龙头山镇是鲁甸地震破坏最重的区域,位于龙头山镇的强震台同一时刻最大强震记录为东西向948.5gal,南北向704.9gal,矢量合成方向为NE 53°,与龙泉河谷走向基本一致。龙头山镇建筑震害表现出明显的差异性,最为突出是老街和新集镇之间的震害差异(图1)。图2为龙头山镇建筑震害分布图及最大水平地震记录。龙头山镇建设在狭长的龙泉河河谷右岸,老集镇靠山建设在三条冲沟形成的洪积扇缓坡上,地貌单元属二叠系玄武岩强风化形成的残坡积和坡洪积堆积地貌,坡度约10°～30°(图3),地层以碎石土为主,地形坡度大。该区建筑震害严重,绝大多数建筑严重破坏或倒塌,新、旧房屋均不能幸免,地震烈度达9度,为震害严重区(A区)。新集镇建设于龙泉河右岸低阶地上,地形相对平坦,坡度3°～5°(图3),地层主要为砾石土。该区多数建筑为2000年以后设计建设的房屋,以2～4层的框架结构、多层砌体房屋居多,震害轻微,仅个别建筑填充墙有轻微裂缝,地震烈度仅为6～7度,为震害轻微区(B区)。A区、B区地震烈度相差两度以上。 图4为同期建设,结构形式相同,仅一街之隔的建筑破坏情况。图4(a)、图4(b)建筑位于A区,遭到中等以上破坏;图4(c)、图4(d)建筑位于B区,基本完好。

　　 龙树断裂为鲁甸—昭通断裂带的重要分支,该断裂沿龙头山镇西北侧山麓通过,鲁甸—昭通断裂在晚更新世-全新世有明显活动迹象。地震后沿龙树断裂形成了一条走向NE60°的地裂缝,地裂缝沿线建筑破坏严重,与A区震害情况吻合(图5)。现场调查发现除龙树断裂外,龙头山镇老街和破坏较重的罗马口村尚有北西向断裂与之交汇,使建筑场地形成较为复杂的地质构造条件 ^[1]。断裂对建筑震害的影响机制较为复杂,断裂造成建筑场地岩体破碎,同时参与和不参与地震活动的断裂附近的地震动特性目前尚不是十分清楚,但震害现象表明,断裂附近建筑震害明显加重。

　　 唐山地震后,我国颁布的行业规范《工业与民用建筑抗震设计规范》(TJ 11—78)提出对多层砖房设置混凝土构造柱的要求,与传统的圈梁组合,既加强了砌体的约束,又提高了砌体的延性和结构的整体性。经历多次地震检验,证明砌体结构设置构造柱和圈梁的方法成本低,对抗震性能提高明显,在我国地震区得到广泛应用 ^[2]。

　　 龙头山镇抗震设防烈度为7度(0.10g),设计地震分组为第三组,但强震记录的地面水平加速度峰值达948.5gal,水平地震作用远大于规范的罕遇地震。震害调查表明,设置圈梁和构造柱等抗震措施的多层砌体,很少发生整体倒塌,倒塌的多为老旧房屋和抗震措施不到位的房屋。因此,提高砌体结构的抗震能力,主要是落实圈梁和构造柱等抗震措施。多层砌体房屋震害多数集中在墙体、构造柱、楼梯间及其他非结构附属构件的破坏。

　　 砌体刚度大,延性差,抗变形能力弱,在地震作用下易发生破坏。砌体墙通常产生:a)剪切型单向或双向斜裂缝;b)弯曲型水平裂缝。

　　 图6为多层砌体破坏机制示意图。建筑与地面运动主体方向一致的墙体受剪,以斜裂缝、“X”形裂缝为主,相反,与地面运动主体方向垂直的墙体受弯,墙体上部和下部易产生水平裂缝。若墙体上开洞则使墙体的刚度发生突变,门窗四角易出现剪切斜裂缝。

　　 剪切斜裂缝与水平裂缝往往同时出现在同一栋建筑墙体上。同一建筑相同方向布置的墙体多以某一类型的裂缝为主,与地面运动的方向关系密切,这一规律在龙头山镇尤为明显。龙头山镇房屋绝大多数建筑纵向与河谷走向(NE)一致,即地面运动的方向与建筑长轴方向一致(图2),导致房屋纵向墙体受剪,横向墙体受弯。统计龙头山镇建筑墙体的破坏形式,多数建筑纵墙以交叉、斜裂缝为主,而横墙则以水平向的弯曲裂缝为主。

　　 图7为龙头山小学4层砖砌体结构住宅,构造柱和圈梁设置完整,底层纵向墙体砖块碎裂(图7(a)、图7(b)),构造柱被剪断,钢筋外露变形(图7(c)),图7(d)为隔墙的破坏情况,纵向隔墙同样产生“X”形裂缝,横隔墙则产生水平弯曲型裂缝,建筑虽严重破坏,但尚能保持不倒。

　　 图8为龙头山镇政府3层砌体办公楼,构造柱和圈梁设置完好,底层纵向墙体几乎完全剪溃,发生较大的位移和变形(图8(a)、图8(b));构造柱被剪断,构造柱与砌体连接牢固(图8(c)),图8(d)为横隔墙水平裂缝,墙体倾斜,建筑摇摇欲坠,但未倒塌。

　　 图9为龙头山镇为数不多的建筑纵向为NW向的房屋,纵向墙体明显受弯而产生水平裂缝,同时由于缺乏可靠的连接措施而整体向外倒塌。

　　 墙体是多层砌体重要构件,房屋竖向荷载和水平地震剪力主要由墙体承担,砂浆的强度和砌筑质量是保证多层砌体抗震能力的重要因素。

　　 多层砌体的构造柱、圈梁加强了对砌体的约束,提高了砌体的延性和结构的整体性,同时也可视为砌体结构的第二道防线,在罕遇地震下,砌体结构墙体可能严重破坏,但由于构造柱和圈梁的作用,结构的变形能力加强,达到裂而不倒。如前述镇中心小学和镇政府办公楼经历超过设计“极罕遇地震”的地震作用而不倒。

　　 多层砌体构造柱的破坏形式多见压溃和剪切破坏,图10(a)为柱头剪切断裂;图10(b)为柱头压溃造成建筑倒塌;图10(c)为构造柱底部剪断;图10(d)为砌体构造柱及窗间墙剪切破坏。

　　 底层由于地震引起的水平剪力大,底层墙体破坏较其他层严重,甚至造成整体失稳,发生底层倒塌或各层连续倒塌。

　　 图11(a)为3层砌体房屋底层倒塌;图11(b)底层由于取消了临街的围护墙造成底层倒塌;图11(c)为3层砌体房屋底层和第2层倒塌。

　　 农村自建多层砌体房屋多未经过正规设计,抗震措施往往不到位,平面布局比较随意。立面上多数第2层以上楼层局部会挑出构造柱网以扩大面积,“头重脚轻”。结构的质心和刚度中心不一致,地震中容易发生扭转,加重结构的破坏(图12(a)、图12(b))。另外,部分房屋底层层高加高,取消面墙或开洞较多,造成底层刚度削弱,在地震中底层侧移动过大(图12(c)),破坏严重甚至倒塌(图12(d))。

　　 图13为一栋自建2层砌体房屋被相邻的硬山搁檩夯土墙房掩埋冲撞后保持完好,内部墙体无裂纹。所在村落的夯土墙房全部倒平。总体而言,农村自建多层砌体房屋,只要设置了构造柱和圈梁,房屋布局规则,小开间,其抗震性能较好。

　　 未设置构造柱或圈梁,竖向承重构件为砖墙或砖柱,部分楼屋盖采用预制混凝土空心板。没有构造柱的约束,纵、横墙之间的连接较差,受剪墙体容易产生裂缝,进而错位、破碎、散落,丧失竖向承载力而倒塌(图14);而受弯墙体由于缺少构造柱的约束,纵、横墙之间的连接较差,墙体易发生平面外变形,进而发生倒塌。解决上述问题的最有效方法就是合理设置构造柱和圈梁。

　　 石墙承重结构中,大多建筑石材为粗加工或未经加工的毛石、卵石,采用座浆法砌筑,楼屋盖为钢筋混凝土结构,且为1～2层结构。毛石砌体抗拉性能低,抗震性能主要取决于石材、粘结强度和构造措施。纵横墙的连接是石砌结构房屋中的一个薄弱环节,地震时房屋转角、开洞两侧易发生剪切破坏(图15(a)、图15(b))或压剪联合作用造成的竖向裂缝(图15(c)、图15(d))。石砌房屋的墙体较厚,石块粘结差,地震作用使墙体内外层砌块脱离坠落,部分房屋局部倒塌(图15(e)、图15(f))。

　　 多层砖房和毛石砌体房屋抗震性能差,在地震区应逐步取缔。

　　 框架结构体系总体抗震性能较好,在中等烈度区(6～8度区)震害一般较轻,主要破坏发生在围护墙和填充墙。在9度区的龙头山镇,多数框架结构达到“极罕遇地震不倒”,但部分框架结构也发生了严重破坏,个别结构甚至倒塌。框架结构房屋的破坏现象主要如下。

　　 震区框架结构的围护墙和填充墙材料主要为粘土砖和混凝土空心小砌块,由于在框架梁上用砌块直接砌筑,填充墙在地震中实际参与了结构受力。填充墙为脆性材料,强度低,变形能力有限,地震时对框架的变形产生限制作用,同时由于其抗侧刚度大,所分配的地震力较大,导致填充墙最早破坏。若填充墙上开洞则使填充墙的刚度发生突变,门窗四角容易出现剪切斜裂缝。图16为填充墙破坏机制示意。

　　 填充墙破坏的另一种形式是沿梁底部出现水平裂缝和沿柱侧产生竖向裂缝,通常与剪切斜裂缝伴生。墙体破坏形式与地面运动方向相关,同一建筑相同方向布置的填充墙多以某一方向裂缝为主,龙头山镇多数建筑纵向填充墙以交叉、斜裂缝为主(图17),而横向填充墙则以水平向的弯曲裂缝为主(图18)。

　　 与多层砌体相比,框架结构房屋填充墙由于缺乏与主体结构有效连接,往往在地震烈度区7～8 度区开始出现不同程度开裂,而设置了构造柱和圈梁的多层砌体墙体的破坏反而较轻,填充墙的破坏不仅给正常使用造成心理压力,严重时会造成人员伤亡,震后修复投入费用也较高。填充墙地震时首先破坏,作为框架结构体系的第一道抗震防线,能够消耗部分地震能量,对保护主体结构地震安全有一定作用,但是填充墙的设置应该在不影响框架变形的前提下,加强与框架的连接措施,形成协调的抗震体系,在中震时允许填充墙开裂,大震时填充墙可完全失效,地震作用主要由框架承担,但要保证填充墙不能倒塌。地震区框架结构填充墙应按规范砌筑配筋砌体。

　　 填充墙设置不合理,如窗上下部分的填充墙限制了框架柱上下部分的侧移变形,使窗间框架柱形成短柱,刚度大于房屋其他柱体而首先发生剪切破坏,继而在竖向荷载作用下柱体被压溃(图19)。

　　 避免这类破坏的措施是在填充墙与框架柱之间设置足够的变形间隙,并用柔性材料填充,为防止填充墙倒塌可配水平拉结筋(图20)。

　　 靠近柱节点区的柱体受压、剪、弯矩复合作用,受力复杂,震害主要集中在柱头和柱底。常见柱头产生塑性铰和剪切破坏,柱端保护层剥落,钢筋变形,混凝土压碎,柱端产生45°角斜裂,柱体倾斜(图21)。

　　 柱端破坏是在压、剪、弯矩共同作用下产生的,规范要求柱端保证“强剪弱弯”,希望柱端首先发生弯曲破坏形成塑性铰。地震中柱端剪切破坏,大多是因为箍筋配置不足,箍筋拉结等构造措施不到位导致的。从震害较为普遍的情况看,规范最小配箍率可能需要提高 ^[3]。

　　 除柱端的破坏之外,节点区也会由于抗剪能力不足导致剪切破坏,图21(a)为龙头山镇小学教学楼底层框架柱核心区产生剪切破坏,同时混凝土被压碎,纵向钢筋压屈,图21(b)、图21(c)为节点核心区压剪破坏,图21(d)为柱脚剪切破坏。

　　 框架结构平面布局不均匀,刚度偏心,地震时易引起建筑扭转,加重竖向构件的破坏。某5层框架平面布局不均匀(图22(a)、图22(b)),底层倒塌,同时产生明显扭转(图22(c)、图22(d))。

　　 “强柱弱梁”屈服机制,能使地震作用尽可能分散到所有框架结构的构件,使结构进入塑性阶段时塑性铰出现在梁端,并保证结构整体具有良好的延性。尽管规范提出了要求和措施,但在实际地震中诸多因素造成框架结构很少真正实现“强柱弱梁”,鲁甸6.5级地震也不例外。

　　 龙头山镇博爱卫生院两栋同为4层的框架结构建筑(图23(a)),其中原有建筑底层倒塌(图23(b)),新建业务用房主体完工,填充墙尚未砌筑。原设计考虑新建业务用房建成后与原有建筑内走道可连接,两栋建筑结构形式基本相同(图24)。原业务用房填充墙为粘土砖,采取与框架紧密结合的砌筑方式,各楼层填充墙布置上下基本完整,不存在首层填充墙缺失的情形。底层倒塌的原因是底层柱端破坏,竖向构件退出工作。建筑的第2～4层构件基本完好,甚至填充墙均未遭到破坏,原因是建筑构件所承受的地震作用不均匀,未能达到分散承担地震作用的效果,导致首层薄弱而集中破坏,“强柱弱梁”屈服机制未能实现。新建业务用房填充墙、装修、设备和活荷载均未附加,各楼层遭受的地震作用要小很多。图25(a)～(e)表明新建业务用房首层柱端产生压、剪破坏,混凝土碎裂崩落,钢筋压屈外露,框架梁完好,图25(f)表明第2层以上框架梁柱完好。可见,设置填充墙和未设置填充墙的两栋房屋均未实现“强柱弱梁”的效果,填充墙的设置与否对框架实现“强柱弱梁”影响小。

　　 通常认为影响“强柱弱梁”屈服机制产生的原因主要有:填充墙等非结构构件的影响;现浇楼板对梁的承载力和刚度加强;梁端超筋和钢筋实际强度超强;柱截面尺寸偏小;柱最小配筋率和最小配箍率偏小。

　　 根据填充墙的材料和砌筑方式,填充墙可分为参与结构受力和不参与结构受力两类。参与结构受力的填充墙与梁柱结合紧密,其抗侧刚度大、分配的地震力大,可作为整个结构系统的第一道抗震防线,对大震下减轻框架的破坏有益,但是由于填充墙强度低,地震中容易导致严重开裂和破坏,所以填充墙应采取必要的连接措施防止倒塌造成人员伤亡。同时填充墙由于刚度大,如果竖向布置不连续,造成各楼层刚度不均匀,未设置填充墙的楼层形成薄弱层(底层较常见),导致薄弱楼层严重破坏甚至倒塌,结构无法实现“强柱弱梁”屈服机制。合理的处理方法是将结构的围护墙设计为参与结构受力的填充墙,同时将可均匀布置在结构内竖向连续的隔墙,作为参与结构受力的填充墙,设计时应考虑填充墙对结构层刚度的影响。将其他隔墙,特别是竖向不连续的隔墙应设计为不参与结构受力的填充墙,砌筑时注意与框架梁柱保持一定的缝隙,保证不束缚框架的变形,但必须采取可靠的拉结措施防止大震下填充墙倒塌。

　　 框架结构实现“强柱弱梁”的条件是,梁柱节点处柱端实际受弯承载力之和ΣM_cua 大于梁端实际受弯承载力之和ΣM_bua,即ΣM_cua≥ΣM_bua。但由于地震作用的复杂性、现浇楼板的影响和钢筋屈服时超强等因素的影响,难以精确计算实现。因此规范采用增大柱端弯矩设计值,即提高柱端弯矩增大系数的方法,即ΣM_c=η_cΣM_b ^[4]。弯矩增大系数考虑了一定的梁端超配钢筋影响和钢筋实际强度超强的影响,而对楼板内钢筋对梁端弯矩的贡献考虑尚不足。从上述破坏现象看,现浇楼板对框架梁的抗弯承载力和抗弯刚度增大影响较大。《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[4]指出:当计算梁端抗弯承载力时,若计入楼板内的钢筋、且材料强度标准值考虑一定的超强系数,则可以提高框架结构“强柱弱梁”的程度。但具体如何考虑楼板影响没有更具体的规定。国内外相关研究表明,楼板内的钢筋会使框架梁的实际抗弯承载力增大20%～30%或更大 ^[5],若要达到“强柱弱梁”的目标,弯矩增大系数还需要提高。柱的最小配筋率可保证柱的基本受弯承载力,而最小配箍率则可保证对混凝土的基本约束,可使框架柱在发生较大的塑性变形时混凝土抗压强度得以维持,不致很快降低。弯矩增大系数提高必然使规范要求的柱的最小配筋率和最小配箍率提高,需采取可行的配筋构造方法,如连续箍筋,防止柱端混凝土强度严重退化,保证“强剪弱弯”。

　　 农村自建房屋结构体系比较混乱,鲁甸灾区农村90%以上的民居为硬山搁檩式房屋,按墙体材料可分为硬山搁檩夯土墙房屋和硬山搁檩砌体墙房屋。

　　 此类房屋夯土墙承重,个别采用毛石砌筑,夯土墙采用木板支模,就地取生土强筑,墙厚40～60cm;通常不设柱,木梁和檩子直接搭在夯土墙上,即“墙抬梁”,墙与梁无连接措施;两面坡木屋架,椽子搭在梁和檩上,瓦顶,多为2层。硬山搁檩夯土墙房屋抗震性能主要取决于夯土墙的强度,与生土的粘性、含水率及夯筑质量有关 ^[6]。夯土墙抗剪、抗弯强度和延性均较差,在竖向荷载和水平地震反复作用下,在纵横墙结合部和梁、檩下首先产生竖向裂缝(图26);纵横墙分开夯筑,结合部位连接差,地震时纵横墙相互碰撞,转角处墙体容易发生崩落(图27)。裂缝的加大和贯通使墙体的整体性丧失,失去约束的酥碎墙体进而在地震中发生局部倒塌或整体倒塌(图28)。硬山搁檩夯土墙房屋采取一些抗震措施可以提高其抗震性能,如选择粘性较好的生土,夯筑时加入稻草、竹筋;纵横墙交接处夯筑时模板制作成“L”形、“T”形,以保证纵横墙为统一整体;有条件的可用纤维布贴于墙面加固墙体。硬山搁檩夯土墙房屋虽然造价低廉,但抗震性能差,在高烈度区应逐步取缔。

　　 这类房屋也称砖木结构,墙体材料多数为粘土砖,部分采用水泥空心砖或多孔砖砌筑。楼板采用木制大梁置于砌体横墙上;屋盖采用三角形木屋架,木梁和檩子直接搭在夯土墙上,檩上做瓦屋面,多为1～2层。该类房屋破坏机制与硬山搁檩夯土墙房屋类似,其抗震性能取决于砌体墙的抗弯、抗剪能力和纵横墙、楼屋盖间的连接可靠度。硬山搁檩砌体墙房屋破坏最为典型的是龙头山镇骡马口村,墙体材料类型多样,结构混乱。图29为地震前后的骡马口村。由于砌体墙抗弯、抗剪强度弱,纵横墙之间、墙与楼屋盖之间没有可靠连接措施,又未设构造柱和圈梁,结构的整体性较差。地震时墙体开裂直至倒塌(图30)。

　　 鲁甸6.5级地震灾害较严重的原因主要是建筑物的抗震能力差和严重的地震地质灾害,据统计,鲁甸地震死亡人员中66%为房屋倒塌所致,特别是9度区房屋平均倒毁率高达81.49%。倒塌的房屋主要是农村自建房、老旧建筑和没有抗震措施或抗震措施不到位的建筑。严格按规范设计建造的房屋,即使在实际地震动高出设防地震动数倍时,绝大多数也未倒塌,特别是按照建筑抗震设计规范设计建造的建筑表现良好。

　　 震害调查表明,建筑抗震设防尚有许多问题需要研究及解决,例如:极震区龙头山镇一街之隔的建筑震害差异巨大,原因有待深入研究,也预示着建设工程场地选址的重要性和复杂性;无论砌体还是框架结构普遍出现的底层严重破坏或甚至倒塌;钢筋混凝土框架结构“强柱弱梁”机制未能实现;另外,农村自建房抗震设防需要加强技术指导;既有建筑急需开展抗震鉴定和加固等。通过对鲁甸地震建筑典型震害的分析总结,希望在建筑抗震设防方面得到一些启示,对建筑抗震设防工作有所借鉴。