汶川地震對(duì)工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的思考

汶川地震對(duì)工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的思考

對(duì)于前奏地震大力發(fā)展的建議國(guó)家的反恐措施和管理方式、地震工程的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)以及工程對(duì)地震的影響。汶川地震引起了涉及上述各方面工作的廣泛關(guān)注與討論,認(rèn)真吸取這場(chǎng)災(zāi)難的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn),有助于科學(xué)地推進(jìn)我國(guó)防震減災(zāi)事業(yè)的進(jìn)步。作者就地震區(qū)劃、抗震設(shè)防和抗震設(shè)計(jì)等問(wèn)題闡述了個(gè)人觀點(diǎn),企望引起討論并得出正確認(rèn)識(shí)。1概率地震危險(xiǎn)性分析方法汶川、成都、綿陽(yáng)、德陽(yáng)等地區(qū)的地震基本設(shè)防烈度為6度或7度,但在汶川地震中重災(zāi)區(qū)實(shí)際發(fā)生的地震烈度達(dá)8~11度;回顧世界各國(guó)發(fā)生的重大破壞性地震,其地震烈度也往往超過(guò)設(shè)防烈度。我們是否可寄希望于進(jìn)行“準(zhǔn)確”的區(qū)劃,使未來(lái)發(fā)生的地震動(dòng)等于或不超過(guò)設(shè)防地震動(dòng)呢?答案是否定的。強(qiáng)地震動(dòng)的發(fā)生具有極大的不確定性,與地震短臨預(yù)報(bào)目前不能實(shí)現(xiàn)相同,作為長(zhǎng)期地震預(yù)報(bào)的地震區(qū)劃也不能給出確定的準(zhǔn)確結(jié)果。目前世界各國(guó)進(jìn)行地震區(qū)劃的主要方法是統(tǒng)計(jì)分析方法,給出的是對(duì)未來(lái)發(fā)生的地震動(dòng)的概率估計(jì)。概率地震危險(xiǎn)性分析方法以一系列假定和有限的歷史資料為基礎(chǔ),在潛在震源區(qū)的劃分、地震活動(dòng)性估計(jì)、震源破裂方式和地震動(dòng)衰減關(guān)系等環(huán)節(jié)中均存在極大不確定性,顯然不能給出準(zhǔn)確的確定結(jié)果;而且,由于強(qiáng)烈地震的罕遇特性,其結(jié)果的正確性實(shí)際是不可驗(yàn)證的。試想,未來(lái)50年內(nèi)以10%的超越概率發(fā)生的地震動(dòng)乃是500年一遇的地震動(dòng),倘欲驗(yàn)證這種概率分析結(jié)果的正確性,至少需要幾千年的時(shí)間;至于二三千年一遇的罕遇地震,其統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證更是匪夷所思。細(xì)究地震區(qū)劃的問(wèn)題,我們不得不承認(rèn),概率方法嚴(yán)格講僅適用于處理大樣本不確定問(wèn)題,但破壞性地震資料遠(yuǎn)不滿足大樣本統(tǒng)計(jì)的條件。再者,地震危險(xiǎn)性分析給出的地震發(fā)生的統(tǒng)計(jì)估計(jì),充其量只屬先驗(yàn)概率的范疇,如何根據(jù)當(dāng)前的地震活動(dòng),確定未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的地震發(fā)生概率(后驗(yàn)概率),在理論和實(shí)踐上均無(wú)可遵循。地震區(qū)劃也還有根據(jù)地震地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行判斷的確定性方法,這種方法假定:曾經(jīng)發(fā)生過(guò)地震的構(gòu)造可能重復(fù)發(fā)生相同強(qiáng)度的地震;地質(zhì)條件相同的未發(fā)生過(guò)地震的構(gòu)造亦具有相同的地震活動(dòng)性。顯然,這種方法同樣面臨地震地質(zhì)資料并不充分的困難,且往往給出沒(méi)有時(shí)限的、難以防御的最大地震的估計(jì)。歸根結(jié)底,人類目前對(duì)于地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)和地震的發(fā)生只有很少的知識(shí),這些知識(shí)遠(yuǎn)不足以進(jìn)行準(zhǔn)確的地震區(qū)劃。2抗震設(shè)防烈度的提高是新形勢(shì)下人類經(jīng)濟(jì)技術(shù)能力的必盡管已發(fā)生過(guò)的破壞性地震的最大烈度均不超出11度,但將所有工程結(jié)構(gòu)都按照11度進(jìn)行設(shè)防是不現(xiàn)實(shí)的。其一,即使經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家也不具備這種經(jīng)濟(jì)能力;其二,即使具備這種經(jīng)濟(jì)能力,但現(xiàn)有的技術(shù)水平也不能使各類各種工程結(jié)構(gòu)在極其強(qiáng)烈的地震作用下仍能實(shí)現(xiàn)安全和功能保障。這種情況下,抗震設(shè)防只能是權(quán)衡工程結(jié)構(gòu)安全性需求和社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)能力的風(fēng)險(xiǎn)決策。以50年內(nèi)超越概率10%的地震動(dòng)作為設(shè)防地震動(dòng),是世界多數(shù)國(guó)家的共識(shí);在不同地區(qū),這一設(shè)防地震動(dòng)的加速度幅值從0.05g~0.40g不等;基于設(shè)防烈度的“小震不壞、大震不倒”是目前世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)能力有可能達(dá)到的抗震設(shè)防目標(biāo),也是應(yīng)長(zhǎng)期遵循的目標(biāo)。隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)能力的持續(xù)發(fā)展,抗震設(shè)防烈度將逐步提高。設(shè)防烈度的提高可有3種方式:①考慮經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展及其地區(qū)不平衡性,由抗震主管部門因時(shí)因地適當(dāng)提高抗震設(shè)防烈度;②借助破壞性地震的發(fā)生、由地震部門適當(dāng)提高震區(qū)的基本烈度;③明確將現(xiàn)行抗震設(shè)防烈度及抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為最低標(biāo)準(zhǔn),房屋業(yè)主和各行業(yè)主管部門可決策選擇更高的設(shè)防目標(biāo)。依據(jù)0.1g左右的地震動(dòng)加速度進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)的彈性設(shè)計(jì),考慮更強(qiáng)的地震動(dòng)采取構(gòu)造措施、提高結(jié)構(gòu)延性和耗能能力(大致等同于8度設(shè)防),可以保障結(jié)構(gòu)在強(qiáng)大破壞性地震作用下人員的生命安全;這已為日美等國(guó)家的破壞性地震所證實(shí),也是汶川地震經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。3預(yù)防我國(guó)抗辯事由的應(yīng)然舉措汶川地震中農(nóng)村民居大量倒塌,從技術(shù)角度分析其原因,不外乎未經(jīng)正規(guī)設(shè)計(jì)、構(gòu)件薄弱且缺乏整體性連接、建筑材料低劣和施工粗糙等。這并不完全是農(nóng)民沒(méi)有財(cái)力建造抗震住宅,在很大程度上是缺乏抗震意識(shí)和抗震技術(shù)指導(dǎo)造成的。長(zhǎng)期以來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不平衡導(dǎo)致我國(guó)村鎮(zhèn)尚屬抗震設(shè)防管理空白,當(dāng)前,應(yīng)借助加強(qiáng)農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和全面建設(shè)小康社會(huì)的契機(jī),將改變這一現(xiàn)狀提上議事日程。汶川地震中,一些學(xué)校教室倒塌或發(fā)生嚴(yán)重破壞,但周邊住宅建筑震害相對(duì)較輕(如映秀鎮(zhèn)漩口中學(xué)、都江堰新建小學(xué)、聚源鎮(zhèn)中學(xué)等)。這一現(xiàn)象的發(fā)生原因復(fù)雜,具體建筑的震害應(yīng)作具體分析,但應(yīng)當(dāng)承認(rèn),不同結(jié)構(gòu)類型和不同用途房屋的抗震可靠度存在事實(shí)上的差異,突出表現(xiàn)為學(xué)校教室建筑即使符合抗震設(shè)計(jì)要求,其抗震能力也比一般住宅建筑低。應(yīng)吸取這一震害教訓(xùn),遵循國(guó)內(nèi)外的成功經(jīng)驗(yàn),適當(dāng)修訂有關(guān)抗震設(shè)防分類的具體規(guī)定。遵循“以人為本”、構(gòu)建和諧社會(huì)的理念,對(duì)于人員集中的建筑、尤其是其中較為空曠存在抗震薄弱環(huán)節(jié)的建筑(如學(xué)校和醫(yī)院等),改進(jìn)其結(jié)構(gòu)選型并適當(dāng)提高其抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。4抗震設(shè)計(jì)的一般要求地震工程歷經(jīng)百年發(fā)展,已經(jīng)建立了結(jié)構(gòu)彈性地震反應(yīng)分析的基礎(chǔ)理論,并取得了抗震建筑設(shè)計(jì)的較為豐富的經(jīng)驗(yàn),這些理論和經(jīng)驗(yàn)集中體現(xiàn)于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2001)。汶川地震震害在驗(yàn)證我國(guó)現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》有效性的同時(shí),也提供了一些新的震害現(xiàn)象和經(jīng)驗(yàn),值得認(rèn)真考慮。值得思考的問(wèn)題包括:①汶川地震震區(qū)按6度或7度設(shè)計(jì)的建筑,總體上實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的抗震設(shè)防目標(biāo),其中不乏在達(dá)到或超過(guò)大震的地震作用下仍保持基本完好或僅有輕微損壞的建筑,這在極大提高了我們實(shí)施抗震設(shè)防信心的同時(shí),也應(yīng)引起我們對(duì)抗震結(jié)構(gòu)真實(shí)可靠度的深思。②若干百年的老舊建筑(如穿斗木構(gòu)架房屋)和未經(jīng)抗震設(shè)計(jì)但施工質(zhì)量良好的建筑比現(xiàn)代建筑的震害還要輕。③業(yè)經(jīng)抗震設(shè)計(jì)的不同類型建筑的抗震能力存在較大差異,暴露出學(xué)?？拐鹉芰Φ汀⒎课輼翘蓍g破壞嚴(yán)重、框架結(jié)構(gòu)的“強(qiáng)柱弱梁”設(shè)計(jì)概念未能實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題?？拐鹪O(shè)計(jì)包括概念設(shè)計(jì)、計(jì)算設(shè)計(jì)和采取抗震構(gòu)造措施等內(nèi)容,汶川地震震害表明,對(duì)于一般多層建筑,其抗震能力主要取決于正確的對(duì)抗震概念的把握、良好的整體性、加強(qiáng)的抗震措施及嚴(yán)格的施工質(zhì)量。地震作用計(jì)算的準(zhǔn)確性只就算法而言才有意義,對(duì)于實(shí)際工程的抗震設(shè)計(jì),由于設(shè)防地震動(dòng)具有極大的離散性,算法的準(zhǔn)確并無(wú)意義;相反,相對(duì)保守的算法才有助于提高結(jié)構(gòu)抗震可靠性。日本和美國(guó)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中,對(duì)一般建筑至今采用簡(jiǎn)化的、經(jīng)驗(yàn)的算法和保守的計(jì)算系數(shù),并不強(qiáng)調(diào)彈塑性時(shí)程分析;對(duì)于土木結(jié)構(gòu)的非線性模型及其本構(gòu)關(guān)系,我們只有很少的知識(shí),地震反應(yīng)分析只能作為抗震設(shè)計(jì)的參考,大震不倒還要以經(jīng)驗(yàn)的構(gòu)造措施作保障。(1)抗震措施是提高建筑抗震能力的有力保障,必須適當(dāng)加強(qiáng)。多數(shù)抗震構(gòu)造措施(如圈梁和構(gòu)造柱等)是實(shí)際震害經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),但是,實(shí)際震害并沒(méi)有提供有關(guān)不同程度的抗震措施對(duì)應(yīng)不同抗震能力的定量數(shù)據(jù),現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中區(qū)別設(shè)防烈度采用抗震措施僅是合乎邏輯的、旨在節(jié)省建設(shè)資金的主觀規(guī)定?？紤]以上背景、地震動(dòng)的極大不確定性、以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)能力的普遍提高,似宜加強(qiáng)中、低烈度區(qū)的抗震措施要求,如對(duì)設(shè)防烈度6~7度的一般建筑規(guī)定統(tǒng)一采用現(xiàn)行8度的構(gòu)造措施;對(duì)設(shè)防烈度更高的建筑或重要建筑規(guī)定采用更強(qiáng)的特殊構(gòu)造措施。(2)汶川地震房屋震害突出表明,強(qiáng)柱弱梁的概念設(shè)計(jì)思想在混凝土框架結(jié)構(gòu)中未能實(shí)現(xiàn),現(xiàn)澆樓板及其配筋極大提高了框架梁的剛度和強(qiáng)度,致使塑性鉸產(chǎn)生于柱端,少數(shù)出現(xiàn)梁端塑性鉸的結(jié)構(gòu)僅為無(wú)樓板的框架?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì),在考慮是否可能提高柱的設(shè)計(jì)彎矩并降低柱的軸壓比的同時(shí),似可探索實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的構(gòu)造措施,如在梁柱節(jié)點(diǎn)附近人為削弱樓板對(duì)梁的約束,使梁端形成可先期屈服的耗能段。(3)汶川地震中房屋樓梯間的破壞不僅阻滯了人員逃生而且直接造成了人員傷亡,這是修訂抗震設(shè)計(jì)要求應(yīng)予考慮的又一突出問(wèn)題。作為平時(shí)的交通通道和應(yīng)急情況下的逃生設(shè)施,樓梯間的抗震能力宜高于建筑的其他部分。鑒于其受力復(fù)雜、結(jié)構(gòu)整體性較弱,宜采用較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)體系和加強(qiáng)的構(gòu)造措施。(4)框架結(jié)構(gòu)的填充墻在汶川地震中普遍開裂,導(dǎo)致功能喪失產(chǎn)生重大經(jīng)濟(jì)損失乃至人員傷亡?？拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范的修訂有必要對(duì)填充墻的抗震設(shè)計(jì)要求作出更嚴(yán)格、具體的規(guī)定。宜區(qū)分填充墻的不同功能進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。對(duì)于只起隔斷作用的填充墻,宜采用輕質(zhì)、可與框架產(chǎn)生滑移變位的預(yù)制墻板;對(duì)于預(yù)期可因開裂而耗能的填充墻,應(yīng)增強(qiáng)其耗能機(jī)制并采取防止墻體因開裂而倒塌的構(gòu)造措施;對(duì)于希望增強(qiáng)體系抗側(cè)力剛度的填充墻,則應(yīng)仿照剪力墻進(jìn)行設(shè)計(jì)。后兩者的阻尼和剛度應(yīng)在計(jì)算中予以估計(jì),墻體布置應(yīng)遵循均勻?qū)ΨQ等原則。高、長(zhǎng)的大面積填充墻,應(yīng)增設(shè)圈梁和構(gòu)造柱加強(qiáng)與框架的連接。工業(yè)廠房砌體圍護(hù)墻倒塌仍是典型的破壞現(xiàn)象,高大的砌體圍護(hù)墻很難保障其與排架柱的可靠連接和穩(wěn)定性,解決這一問(wèn)題的根本措施是采用輕型預(yù)制墻板。(5)汶川地震震區(qū)的不少底層空曠房屋發(fā)生了不同形態(tài)和不同程度的損壞(如底層破壞、上層破壞和倒塌),其主要原因之一在于結(jié)構(gòu)的不規(guī)則。這類房屋有底框架砌體房屋,底層空曠的框架結(jié)構(gòu)房屋和大量底層結(jié)構(gòu)體系混亂且空曠的砌體房屋。宜針對(duì)這些現(xiàn)象加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)的審查和管理,從提高規(guī)則性出發(fā)對(duì)抗震設(shè)計(jì)要求作出更為具體和明確的規(guī)定。(6)汶川地震的地震地質(zhì)破壞是導(dǎo)致房屋毀壞和人員傷亡的重要原因。在建筑場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)中,與場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)的估計(jì)相比較,場(chǎng)地評(píng)價(jià)具有更為重要的意義和技術(shù)較為可行的特點(diǎn)。通過(guò)工程地質(zhì)勘察,避開滑坡、巖崩、滾石、泥石流、塌陷可能發(fā)生的場(chǎng)地,盡量避開軟弱土、不均勻土、液化土等場(chǎng)地,對(duì)提高房屋建筑抗御自然災(zāi)害的能力具有重大意義。另一值得商榷的問(wèn)題是斷層避讓問(wèn)題。斷層錯(cuò)動(dòng)是不可抗御的,斷層避讓在邏輯上合理,但可行性存在問(wèn)題?；顒?dòng)斷層的探測(cè)(含準(zhǔn)確定位和活動(dòng)性估計(jì))是目前尚未解決的重大科技難題,即使花費(fèi)巨大勘測(cè)投資也難以給出明確的結(jié)論。出露地表的位置明確的斷層,再次重復(fù)發(fā)生地震的事例很少,不少地震是在經(jīng)探測(cè)并未發(fā)現(xiàn)斷層的地點(diǎn)發(fā)生的。只要建筑不跨越斷層,即使在斷裂的幾米范圍內(nèi),房屋未發(fā)生毀壞的事例在世界各國(guó)和汶川地震中都不少見。因此,在城鎮(zhèn)規(guī)劃、改造和建筑選址中,不宜對(duì)斷層的大距離避讓問(wèn)題作強(qiáng)制性規(guī)定。5注重提高建筑抗震能力(1)抗震防災(zāi)事業(yè)不能寄希望于準(zhǔn)確的地震短臨預(yù)報(bào)和地震區(qū)劃,對(duì)復(fù)雜自然規(guī)律的探索不等于科技進(jìn)步的現(xiàn)實(shí),必須強(qiáng)調(diào)抗震設(shè)防、從實(shí)際出發(fā)采取切實(shí)可行和有效的措施提高工程結(jié)構(gòu)的抗震能力。(2)抗震設(shè)防烈度、抗震設(shè)防目標(biāo)、抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)都是權(quán)衡建筑抗震安全性和經(jīng)濟(jì)技術(shù)能力的風(fēng)險(xiǎn)決策;其中并無(wú)可供遵循的系統(tǒng)理論和分析模型。應(yīng)根據(jù)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平和地區(qū)不平衡性,與時(shí)俱進(jìn)逐步提高抗震設(shè)防水準(zhǔn)。當(dāng)前時(shí)期的重要任