多層建筑結構地震破壞倒塌機理新認識

羅若帆，郭迅，董孝曜，張欽哲

（1.中國地震局工程力學研究所地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080；2.嘉應學院土木工程學院，廣東 梅州 514015；3.防災科技學院中國地震局建筑物破壞機理與防御重點實驗室，河北 三河 065201）

引言

雖然關于填充墻的研究開展較早，研究成果也較多，但較少系統地從實際震害的角度對結構整體進行探討。汶川地震中，大量現代多層建筑破壞倒塌［2］。此后我國發生的多次破壞性地震，如2010年玉樹地震［13］，2013年蘆山地震［3］，2014年魯甸地震［14］，2017年九寨溝地震［15］，2019年的長寧地震［16］，2021年漾濞地震［17］以及瀘縣地震中［18］，均有不少舊建筑和新建建筑發生極其嚴重的破壞。然而在歷次破壞性地震的極震區均存在同類設防的部分多層建筑保存完好或僅發生輕微破壞。這表明現階段對結構倒塌機理與抗倒塌能力的認識仍不夠充分。文中選取多層建筑結構地震破壞的典型案例進行研究，依據對震害現象的調查和分析，提出結構地震破壞倒塌的“變形飽和”假說。根據我國典型多層建筑的結構形式及施工方式，設計了3組擬靜力試驗，驗證多層建筑結構“變形飽和”破壞倒塌機理。

1 震害現象分析

為深入剖析結構及構件破壞原因，選取汶川地震、蘆山地震、魯甸地震及漾濞地震典型多層建筑為例，以地震剪力最大，破壞最嚴重的首層為研究對象，分析結構及各構件的震害現象及其原因。

1.1 “強柱弱梁”與“弱柱強梁”模式

汶川地震后北川新城防保中心通廊，梁由于上部空曠，無填充墻約束，僅單側有樓板，最終梁端出現塑性鉸，為“強柱弱梁”式的破壞［19］（圖1（a））。在房屋建筑的實際震害中，由于填充墻、樓板等約束作用，極少出現“強柱弱梁”的破壞模式［20］。汶川地震后都江堰的一座臨湖別墅，由于底層架空，2層以上存在大量填充墻，剛度突變導致首層成為軟弱層，最終出現大量柱端塑性鉸，2層以上基本不壞，形成“弱柱強梁”式的層屈服破壞［21］。該建筑首層因無填充墻約束，所有柱都具有較好的延性，結構整體運動位移并未達到倒塌極限位移，因此并未倒塌（圖1（b））。北川禹荷花園酒店，地震發生時該建筑尚未砌筑填充墻，最終破壞程度較輕。由于樓板的約束作用，也未出現梁端破壞的情況，僅部分柱端形成塑性鉸，梁柱節點區出現局部損傷（圖1（c））。

圖1 “強柱弱梁”和“弱柱強梁”機制Fig.1 Mechanism of strong column weak beam and weak column strong beam

1.2 脆性破壞模式

無論是“強柱弱梁”的破壞模式，還是“弱柱強梁”的層屈服破壞模式，構件的延性都能得到充分利用。然而在實際震害中，大量建筑的主要受力構件發生了脆性破壞。蘆山地震后一座底商多層建筑，沿結構縱向的外側第1道軸線上無填充墻的柱未發生破壞，第2道軸線上填充墻與柱組合體則出現脆性性質明顯的剪切破壞（圖2（a））。魯甸地震后龍頭山中學教學樓，走廊內側的框架柱因半高填充墻的約束形成短柱，發生明顯的剪切破壞（圖2（b））。汶川地震后北川種子站，梁沒有發生破壞，充分配筋的底層柱也未出現端部塑性鉸，而是與填充墻組合后，發生嚴重的剪切破壞（圖2（c））。

圖2 結構構件的脆性破壞Fig.2 Brittle failure of structural compoments

1.3 表現好與表現差的結構對比

在歷次地震的極震區，均同時存在發生嚴重破壞甚至倒塌的建筑和破壞輕微甚至完好無損的建筑。北川電信局宿舍相鄰的一棟底商多層建筑，首層的縱向第1道軸線無墻體，其余軸線上則存在大量開洞填充墻，該建筑首層發生沿街道方向的倒塌（圖3（a））。北川電信局宿舍是典型的砌體結構，縱向第1道軸線因增加了翼墻，3道軸線的墻柱分布較為接近，震后近乎完好（圖3（b））。映秀鎮漩口中學教學樓，縱向第1道軸線由空曠的外廊柱組成，第2、3道軸線由帶填充墻的框架柱組成，發生了疊瓦式的倒塌（圖3（c））。漩口中學教學樓之間的連廊建筑，底層無填充墻，出現柱端塑性鉸，因充分發揮了柱的延性，并未倒塌（圖3（d））。漾濞地震后花椒園小學教學樓，其建筑形式與漩口中學相似，部分構件發生了不同程度的破壞（圖3（e））。與花椒園小學教學樓平行的一棟宿舍樓，填充墻在縱向3個軸上的分布比較均勻，震后完好無損（圖3（f））。

圖3 表現好與表現差的結構Fig.3 Structures performed well and badly

同一建筑中，不同特征的構件也存在嚴重破壞和基本完好的情況。魯甸龍頭山中學教學樓縱向第1道軸線上無填充墻的框架柱幾乎完好，僅部分柱的裝飾層發生脫落，而第2道軸線上的墻柱組合體則出現了嚴重的脆性破壞（圖4（a））。蘆山縣的一棟底商建筑，縱向第1道軸線的柱完好無損，第2道軸線的墻柱組合體則出現了嚴重的脆性破壞（圖4（b））。

圖4 表現好與表現差的構件Fig.4 Components performed well and badly

對未倒塌的建筑震害調查發現，大多數建筑橫向多道滿砌填充墻均未破壞，或因結構整體的縱向運動而發生出平面的破壞。縱向不帶墻體的柱均未發生破壞，而墻柱組合構件則發生明顯的脆性破壞。選取2021年5月21日漾濞地震后的花椒園小學教學樓和宿舍樓為代表進行剖析（圖3（e）、（f））。

全面貫徹落實“三條紅線”，編制完成《太湖流域水量分配方案》并通過了水利部審查，啟動新安江水量分配方案編制工作,認真做好最嚴格水資源管理制度考核、評估各項準備工作；完成水資源監控能力年度建設任務，部分站點已投入運用；積極推進上海迪士尼等重點項目取水許可管理，加強水資源論證，許可項目水量平均核減15%左右,組織完成節水型社會建設試點中期評估和驗收有關工作；《太湖流域水功能區管理辦法》經水利部印發實施，有力促進了太湖流域的水功能區監督管理工作。

花椒園小學3層鋼筋混凝土框架結構教學樓和宿舍樓的首層3維示意圖如圖5（a）、（b）所示。由圖5可知，2棟建筑橫向分別有5片和6片不開洞橫墻，剛度和承載力均較高，且各軸構件剛度和承載力較接近，地震作用下各軸構件內力分配均勻，并未發生破壞。因多道橫墻的約束，結構的扭轉效應也很小。而縱向僅3道軸線，因使用功能需要，需大量開洞，剛度與承載力大大降低，在樓板的帶動下，結構發生較明顯的縱向平動。由于樓板和梁沒有破壞，各豎向構件的頂點位移基本相同。因此可將各特征構件的本構關系示意曲線在同一坐標系下進行對比，如圖6（a）所示。以教學樓的縱軸為例，第2道軸線門窗間墻因承載力低、極限位移小而先行破壞（圖3（e））。帶填充墻的混凝土柱，因剛度大，變形能力小，率先達到開裂位移而出現墻柱整體的剪切裂縫（圖3（e））。第1道軸線和第3道軸線的構件均尚未達到其開裂所需位移。宿舍3個軸的構件均帶填充墻，剛度和承載力較均勻，各軸構件均勻分擔地震剪力，結構運動位移并未達到構件開裂所需位移，因此宿舍完好無損。

圖5 花椒園小學教學樓和宿舍3D示意圖Fig.5 3D views of teaching building and dormitory of Huajiaoyuan elementary school

圖6 剪力－位移關系示意圖Fig.6 Schematic diagram of shear force-displacement relationship

將2個建筑各軸線上主要特征構件的本構關系示意曲線繪制在同一坐標系下，如圖6（b）所示。可知，教學樓第2道軸線均為脆性性質明顯的構件，在小位移下已經出現斜裂縫，而第1和第3道軸線上的構件承載力低、延性好，尚處于承載力和位移的初始階段。若承受更大的地震力，第2道軸線的大量構件將首先發生嚴重的脆性破壞，進而可能直接導致結構倒塌，因脆性構件的極限位移極小，此時其余各軸構件的延性無法得到發揮，同時也未能貢獻出最大的承載力。而宿舍樓3個軸線剛度和承載力較為接近，各軸構件可較為均勻地發揮其承載力貢獻，結構總承載力較大。與教學樓相比，更不容易發生破壞和倒塌。

2 “變形飽和”假說

基于對多層建筑的震害調查與分析，發現大多數建筑因使用功能的要求，具有相似的墻體分布模式。因分隔空間需要，橫向存在數量較多的不開洞填充墻，而縱向軸線填充墻較少，且大面積開洞，開洞程度和位置各不相同。由于橫向各軸構件的剛度及承載力非常均勻，通常不會首先破壞。筆者對未倒塌的建筑進行了實際震害的調查，調查結果顯示縱向墻柱發生不同程度破壞的同時，橫墻均未發生破壞［17］。在多道不開洞橫墻的約束下，扭轉效應也很小。王波等［22］開展了振動臺試驗，監測了結構沿長邊方向兩側的橫向位移，監測結果顯示兩端位移計的信號基本重合，表明結構未發生實際的扭轉。因此承載力薄弱的縱向將首先發生破壞，剛度大、變形小的構件成為結構破壞和倒塌的觸發點，重力作用成為結構倒塌的最終條件。據此提出結構地震破壞倒塌的“變形飽和”假說。

“變形飽和”定義為結構中部分構件達到其變形極限時，將首先發生破壞，一定數量的構件破壞后，豎向受力構件將因無法承受結構整體的重力作用而發生倒塌，其余高延性構件的延性無法得到發揮，也不能貢獻其最大承載力。圖7（a）所示為縱向各軸存在承載力高、變形小的強脆構件及承載力較低、延性較好的弱延構件混搭的結構。強脆構件因剛度大，內力高倍凝聚，當達到其變形極限時，發生小變形的脆性破壞。一定數量的脆性構件破壞后，容易直接引起結構的倒塌。此時延性較好的構件僅貢獻了極限承載力的一部分，良好的延性更是無法發揮出來。由于填充墻的存在及其相似的分布規律，此類結構數量較多，在較強地震作用下非常容易發生破壞和倒塌。典型的學校外廊式教學樓、底商多層建筑均屬于這種類型。圖7（b）所示為縱向各軸大部分構件均為弱延構件的結構，所有構件的延性均能得到發展，飽和點可定義為位移極限點，結構運動位移易達屈服點，但難以到達極限位移，不易倒塌。底層架空的結構則屬于這種類型。圖7（c）所示為大部分構件均為強脆構件的結構，因剛度和承載力分布均勻，總承載力極高，通常也較難達到飽和點。學校內廊式教學樓、縱向第一道軸線帶翼墻或翼柱的底商建筑及其他墻體在各軸線上分布均勻的建筑則屬于這種類型。

圖7 變形飽和機制示意圖Fig.7 Schematic diagram of deformation saturation mechanism

圖1～圖4所展示的實例中，電信局宿舍相鄰底商建筑（圖3（a））、漩口中學教學樓（圖3（c））、漾濞花椒園小學教學樓（圖3（e））、魯甸龍頭山中學教學樓（圖4（a））及蘆山底商建筑（圖4（b）），均存在剛度不一致的豎向構件。此類建筑屬于圖7（a）所示的類型。

都江堰臨湖別墅（圖1（b））、北川禹荷花園酒店（圖1（c））及映秀漩口中學連廊建筑（圖3（d））均為首層無填充墻的建筑，所有柱子都能發揮其延性，柱端出現塑性鉸，但均未倒塌。其中禹荷花園酒店因尚未完工，全樓均無填充墻，自重較輕，破壞程度也相對較輕。此類建筑屬于圖7（b）所示的類型。

北川電信局宿舍在外側軸線的柱上設置了翼墻，從而各軸構件剛度相近，地震力分配較為均勻，在巨大的地震力下，相鄰建筑已經倒塌，此建筑近乎完好（圖3（b））。花椒園小學宿舍也因各軸墻體分布較為均勻，剛度和承載力相近，震后完好無損（圖3（f））。此類建筑屬于圖7（c）所示的類型。

3 實驗驗證

3.1 實驗設計

震害調查發現，破壞嚴重及保存完好的大量多層建筑中，主要存在3種不同特征的豎向受力構件。第1種是無填充墻的鋼筋混凝土柱構件，主要存在于外廊式教學樓的外廊柱、底層商鋪建筑外側大開間形成無填充墻的柱及存在架空層的底層框架柱。第2種是先施工鋼筋混凝土柱后砌筑墻體的構件，主要存在于框架結構中因開門窗洞口所形成帶填充墻的框架柱。第3種是先砌墻體留馬牙槎再施工鋼筋混凝土柱的構件，主要存在于砌體結構及采用這種施工工藝的框架結構和混合式結構。

考慮結構形式及施工方式，設計了3組比例為1：4的平面框架模型，分別為無墻框架模型（PF）、后砌墻框架模型（LW）和先砌墻框架模型（FW）。模型詳細尺寸和配筋方式如圖8所示。為滿足縮尺構件合理配筋率和粘結強度的要求，柱鋼筋采用AQ100GJC型低屈服點鋼，實測屈服強度為154.2 MPa，混凝土抗壓強度為15.6 MPa。墻體采用50 mm厚小型灌漿砌塊砌筑，實測砌塊抗壓強度為8.3 MPa，砌筑砂漿抗壓強度為6.1 MPa。設計梁尺寸大于柱尺寸，以模擬梁－梁上填充墻－樓板組合體所形成的大剛度，以確保梁不發生破壞。實際工程結構在同一軸線上具有多個構件經由樓板和梁并聯而成，為更準確模擬構件的受力情況，在平面內設置了3個相同特征構件組成兩跨，LW模型和FW模型的邊緣設置窗下墻和鋼筋混凝土短柱來模擬邊界條件。根據典型多層建筑首層豎向構件實際受力情況，設計軸壓比為0.3。為保證軸向荷載的穩定性，制作了兩榀相同的平面模型，通過蓋板連接在一起，蓋板上通過配重鐵塊進行堆載。這種方式可無需考慮千斤頂的摩擦力誤差，同時可保證豎向荷載始終保證恒定不變。3組實驗模型如圖9所示。

圖8 實驗模型尺寸和鋼筋布置（單位：mm）Fig.8 Test model frame dimensions and reinforcement arrangement（Unit：mm）

圖9 擬靜力試驗模型Fig.9 Pseudo static test models

3.2 破壞模態

無填充墻的框架模型由于沒有填充墻的約束，呈現典型的雙曲變形，最終形成柱上下端塑性鉸的延性破壞，破壞模態如圖10（a）所示。帶后砌墻的框架模型由于窗下具有大剛度的連續填充墻，窗下墻構成上半部分窗間墻柱的嵌固端，窗間墻柱組合體首先出現剪切裂縫，隨著荷載的增大，墻柱之間有分離趨勢，最終鋼筋和混凝土之間發生粘結破壞，破壞模態如圖10（b）所示。帶先砌墻的框架模型由于馬牙槎的咬合作用，窗間墻柱結合效果較好，構件變形更小。達到峰值荷載時，交叉斜裂縫不斷開展，墻柱組合體發生剪切破壞，模型毫無預兆直接倒塌，倒塌前破壞模態如圖10（c）所示。

圖10 破壞模態Fig.10 Failure modes

3.3 荷載位移關系

3個模型的滯回曲線如圖11所示。無填充墻的框架模型滯回性能表現為承載力較低，但延性和耗能能力較高（圖11（a））。帶后砌墻的框架模型承載力較高，延性較差，除填充墻與柱組合體水平方向的承載力貢獻外，結構沿水平方向運動時，梁的位置也同時不斷下降，填充墻提供的豎向支撐阻礙梁的下沉。位移增大的過程中曲線有明顯的上揚，即后半段剛度不斷增大，這是墻體對梁的反作用力不斷增大的體現。這也是滯回曲線顯著捏縮，且捏縮程度遠大于無填充墻框架模型的主要原因（圖11（b））。帶先砌填充墻的框架模型因通過馬牙槎與混凝土柱緊密結合，組合效應最大。從滯回曲線可以看出，因墻柱始終緊密結合，后期未出現明顯分離趨勢，構件剛度下降較慢，承載力最高，極限位移最小（圖11（c））。

圖11 滯回曲線Fig.11 Hysteretic curves

為體現同一結構中不同特征構件組合的情況，將3個模型的骨架曲線繪制于同一坐標系下，如圖12所示。以這3個實驗模型作為結構中3種特征構件的代表進行組合。根據圖1～圖4所代表的大量實際工程案例，分別考慮3個PF構件組合、3個FW構件組合、2個PF構件和1個FW構件組合、2個PF構件和1個LW構件組合4種工況。PF構件由于具有較好的延性，取承載力下降到85%時的位移為極限位移，FW和LW構件脆性性質明顯，以承載力最大值所對應位移作為極限位移。不同特征構件組合后，以最小位移為該結構的極限位移，以最小位移所對應的各構件荷載之和作為結構的極限承載力。對組合后的最大承載力和最大位移為基準進行歸一化。組合數據見表1，歸一化承載力和位移對比見圖13。

表1 特征構件組合Table 1 Combination of characteristic components

圖12 骨架曲線Fig.12 Skeleton curves

圖13 歸一化承載力和位移Fig.13 Normalized capacity and displacement

工況1代表所有構件均為弱延構件的結構，組合后的歸一化承載力最低，僅為0.26，但極限位移極大，為1.0。這類型的結構雖然承載力不高，在大震下容易屈服，但延性能得到較大程度的發揮，難以達到結構倒塌所需的位移，不容易發生倒塌。都江堰臨湖別墅（圖1（b））、北川禹荷花園酒店（圖1（c））和漩口中學連廊建筑（圖3（d））即為此類型建筑。

工況2為絕大部分構件均為強脆構件的結構，組合后的歸一化承載力最高，為1.0，但極限位移最小，為0.25。這類型的結構各構件剛度和承載力分布均勻，總承載力高，雖極限位移小，但因承載力極高而不易發生破壞。北川電信局宿舍（圖3（b））即為此類型建筑。

工況3代表部分構件為弱延構件，部分構件為先砌墻后澆柱的強脆構件混搭的結構，承載力為0.47，極限位移為0.25，結構極限位移受到一定數量的強脆構件控制，且因存在一定數量的弱延構件，結構總承載力不高。這類型的結構在大震下容易發生破壞甚至倒塌。蘆山底商建筑（圖2（a））、北川種子站大樓（圖2（c））和北川電信局宿舍相鄰底商（圖3（a））均為此類型建筑。

工況4代表部分構件為弱延構件，部分構件為先澆柱后砌墻的強脆構件混搭的結構，承載力為0.32，極限位移為0.44，與工況3類似，因存在混搭的情況，結構總承載力不高，極限位移也不大。這類型的結構在大震下同樣易發生破壞甚至倒塌。魯甸龍頭山中學教學樓（圖2（b））、映秀漩口中學教學樓（圖3（c））和花椒園小學教學樓（圖3（e））即為此類型建筑。

4 結論

（1）多層建筑結構實際震害中，由于填充墻和樓板的組合作用，“強柱弱梁”的破壞模式難以實現，部分建筑發生“弱柱強梁”的層屈服破壞模式，但引起倒塌的實例也相對較少。震害嚴重的建筑中，大多數均存在縱向各軸構件剛度差異較大的情況，剛度大的構件分配內力大，因變形能力小而率先發生脆性破壞。而保存完好的建筑中，各軸構件剛度較為接近，可均勻分配內力，且結構總承載力較高。

（2）基于震害調查和分析，發現大部分多層建筑的橫向剛度及承載力均高于縱向，且橫向各軸構件剛度和承載力較為接近，不會首先發生破壞。多道橫墻的約束下，結構難以扭轉。破壞將首先發生于各軸構件剛度不均勻的縱向。由此提出結構地震破壞倒塌的“變形飽和”假說，部分構件因剛度大、變形能力小而率先破壞，成為結構破壞和倒塌的觸發點。由此可解釋實際震害中結構各構件破壞的先后順序，以及結構倒與不倒的原因。

（3）根據實際工程中主要存在的3種特征構件，設計驗證性實驗。無墻框架柱構件的承載力低，但變形能力極高，耗能能力強；后砌墻柱組合構件因墻體水平向和豎向的剛度及承載力貢獻，剛度較大、承載力較高，但變形能力較差；先砌墻柱組合構件因墻柱緊密結合，大大地提高了剛度和承載力，同時變形能力則更差。

（4）通過3種特征構件的組合驗證“變形飽和”的破壞倒塌機理。剛度小、延性較好的構件組合，承載力雖然較低，但具有良好的延性，可依靠延性耗能；剛度大、承載力高的構件組合，延性雖差，但承載力極高，可依靠承載力硬抗；不同剛度和延性的構件混搭，承載力不高，變形能力較小，容易發生破壞及倒塌。