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四川汶川5.12大地震的启示
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内容提示：通过四川汶川5.12地震的亲身体验,地震引起的地面波是建筑物、构筑物破坏的直接原因。这种地面面波不但使建筑物产生水平加速度和竖向加速度而受其害,而且作用于建筑基础上使建筑物直接受害。地震对建筑物的破坏机理需要探究,目前情况下,抗震概念设计则相当重要。
四川汶川5． 12 地震发生已将近3 年余，经历地震的感受终身难忘。震后，根据媒体报道，震中在汶川，宝鸡距汶川的直线距离500km 以上，那么，宝鸡市基本属于中震区，根据地震中亲历的现象有以下启示。（参考《建筑中文网》）
1 地震面波是建筑物振动的直接原因，面波与衰减的正弦波相似
目前大都认为，地震产生的体波，分压缩波( P波) 和剪切波( S 波) 。P 波传播快，衰减快，引起地面的竖向震动。S 波传播慢，衰减慢，引起地面的水平震动，远震主要由S 波引起。面波则是由于体波的作用而产生。从而说明了地震波穿过高山、大川、河流的传播特性和引起地面运动的基本特性。受汶川地震的启示，面波对建筑物直接造成破坏。对于浅源地震，体波作用形成的面波是否可以换个角度来考虑，将地壳视为传波的介质，在强大的地震能量面前，地壳将能量以波的形式向外传播，这种介质的厚度是巨大的，高山峡谷、河流水体仅对其均匀性有影响，但不会阻断介质，就像在水中投入石块( 或水中爆破) 泛起的波纹那样。距震源近处波峰高而波长小，距震源远处波峰低而波长大。如图1 所示。
根据这个理念，强震中会岩层断裂、破碎，造成地面裂缝、塌陷、错位、液化、崩塌等次生地质灾害，相应建筑抗震应以地震预报、逃离、躲避、应急救援为策略，将建筑物的抗震能力定位在适当的水平，而不应采取不惜财力的加强建筑物抗震能力的手段，否则，造成的后果只能是灾难加重。而在非震中区，增强建筑的抗震能力，把握好“小震不坏、中震可修、大震不到”的抗震设防原则又非常重要。根据这个理念，在建筑抗震的试验研究中，试验台应模拟地面面波的特性，将试验台的基座制成可变换出各种正弦波的装置，正弦波的传播方向、波幅、波长是可以变化和调整的，以模拟地震的真实性。从而得到结构的动力特性，检验隔振建筑和消震建筑的特性。
2 建筑物的破坏与面波的特性相关，即建筑物所受的地震力( 速度、加速度) 、产生的位移与面波的振幅、波长及波形特征相关
如图2 所示，在面波作用下地面P 点单质点m产生位移Δ，地面加速度产生的地震力引起的结构变形δ1 ＜ Δ ，这正是地震时观察到的建筑物变形值远大于弹性位移值的原因。面波的波长越短、振幅越大，则m 质点的位移和地震加速度越大。若在P 点放置地震观测设备则可以测定该点地面运动的特性( 如水平和竖向地震加速度) 。但是，不能用一个单质点的地震特性去准确模拟或等同建筑物的地震受力特性。
( 1) 单质点与建筑物相比是一个小点，而建筑物有较大的高度，面波的作用使得单质点和建筑物的角加速度也许差不多，但线加速度则有很大差异。建筑物的加速度应大于地面加速度，建筑物高点的加速度应大于低点的加速度。
( 2) 建筑物有较大尺度的长、宽、高，在面波的作用下，同一高度处各点的加速度在同一时刻是不同的，各点的地震力不同，造成结构杆件之间拉压弯扭。并非同一楼层各点的加速度是相同的，并非只有楼层之间的剪力，而是同一楼层的杆件也出现复杂的应力状态。
( 3) 在面波作用下，建筑物的基础发生变形，相对产生支座位移，使建筑物出现复杂的受力状态。即使不考虑地震加速度产生的地震力的影响，这种变化着的支座位移足以使建筑物破坏。5． 12地震发现一个共同的特点，宝鸡地区凡是地基基础好的建筑物破坏轻微或几乎无破坏。相反，地基软弱、基础刚度和整体性差的建筑破坏严重。( 4) 在面波作用下，建筑物产生较大的位移Δ ，存在有不可忽略的重力二阶效应。
3 面波作用下建筑易发生扭转破坏
如图( 3) 所示，当面波波峰( 波谷) 通过建筑物时，建筑物两端的加速度方向相反，地震力使建筑物扭转。另一方面，基础的变形也使建筑物产生扭转位移。扭转的程度与建筑物的体量大小、面波的方向和性质、基础的整体性及刚度、建筑物的侧向刚度诸多因素有关。5． 12 地震使宝鸡市陈仓区城内建筑破坏严重，有些建筑的平面突出部分和角部墙体塌落或严重裂缝，具有明显扭转破坏的特征。宝鸡市陈仓区城属于一个小台塬地形，城区高而周边低，地震面波波幅相对较大，故建筑扭转破坏特征明显。图4 为宝鸡市陈仓区楼外楼商场在5． 12地震时，角部框架柱的震害情况，此时的填充墙已全部甩出。
由于面波的作用，即使是建筑平面规则，体型规整、竖向刚度和侧向刚度均匀的建筑也可能产生明显的扭转效应。当然那些不规则和刚度不均匀的建筑的扭转效应则会更大。
相同高宽比、相同长宽比的建筑，体型大者可能跨越几个地震面波，体型小者可能跨越一个或不到一个地震面波，所产生的地震效应不尽相同。就地震面波而言，不可能是规则的正弦波，由于地层结构的复杂性，其波的特性和传递方向也非正弦的、定向的，可能是若干个不同特性、不同方向的正弦波的叠加。地震面波的复杂性决定了建筑物所产生的地震效应的复杂性。
5． 12 地震对宝鸡地区造成的地震烈度约6 ～ 7度，由于属中、远震，对刚度大的房屋( 如多层房屋、砖混结构房屋) 影响较小，对刚度较小的房屋( 如高层建筑、较柔结构的房屋) 、砖木危旧房屋、构筑物等影响较大。对经过地震灾害和灾后重建的人们有诸多教训和反思。笔者对《建筑抗震设计规范》( GB50011—2010) 中关于抗震结构概念设计的思想和设计要求深为赞叹，因为地震及其对建筑物的作用是随机的、复杂的，尚需不懈地探索、认识和研究。目前，做好抗震结构的概念设计显得尤为重要。
参考文献
［1］ 龚思礼． 建筑抗震设计手册［M］． 2 版． 北京: 中国建筑工业出版社， 2003．
［2］ GB50011—2010 建筑抗震设计规范［S］． 北京: 中国建筑工业出版社， 2010．
［3］ 丰定国． 工程结构抗震［M］． 北京: 地震出版社， 2005． 来源: 《建筑中文网》.
1 地震面波是建筑物振动的直接原因，面波与衰减的正弦波相似
目前大都认为，地震产生的体波，分压缩波( P波) 和剪切波( S 波) 。P 波传播快，衰减快，引起地面的竖向震动。S 波传播慢，衰减慢，引起地面的水平震动，远震主要由S 波引起。面波则是由于体波的作用而产生。从而说明了地震波穿过高山、大川、河流的传播特性和引起地面运动的基本特性。受汶川地震的启示，面波对建筑物直接造成破坏。对于浅源地震，体波作用形成的面波是否可以换个角度来考虑，将地壳视为传波的介质，在强大的地震能量面前，地壳将能量以波的形式向外传播，这种介质的厚度是巨大的，高山峡谷、河流水体仅对其均匀性有影响，但不会阻断介质，就像在水中投入石块( 或水中爆破) 泛起的波纹那样。距震源近处波峰高而波长小，距震源远处波峰低而波长大。如图1 所示。
根据这个理念，强震中会岩层断裂、破碎，造成地面裂缝、塌陷、错位、液化、崩塌等次生地质灾害，相应建筑抗震应以地震预报、逃离、躲避、应急救援为策略，将建筑物的抗震能力定位在适当的水平，而不应采取不惜财力的加强建筑物抗震能力的手段，否则，造成的后果只能是灾难加重。而在非震中区，增强建筑的抗震能力，把握好“小震不坏、中震可修、大震不到”的抗震设防原则又非常重要。根据这个理念，在建筑抗震的试验研究中，试验台应模拟地面面波的特性，将试验台的基座制成可变换出各种正弦波的装置，正弦波的传播方向、波幅、波长是可以变化和调整的，以模拟地震的真实性。从而得到结构的动力特性，检验隔振建筑和消震建筑的特性。
2 建筑物的破坏与面波的特性相关，即建筑物所受的地震力( 速度、加速度) 、产生的位移与面波的振幅、波长及波形特征相关
如图2 所示，在面波作用下地面P 点单质点m产生位移Δ，地面加速度产生的地震力引起的结构变形δ1 ＜ Δ ，这正是地震时观察到的建筑物变形值远大于弹性位移值的原因。面波的波长越短、振幅越大，则m 质点的位移和地震加速度越大。若在P 点放置地震观测设备则可以测定该点地面运动的特性( 如水平和竖向地震加速度) 。但是，不能用一个单质点的地震特性去准确模拟或等同建筑物的地震受力特性。
( 1) 单质点与建筑物相比是一个小点，而建筑物有较大的高度，面波的作用使得单质点和建筑物的角加速度也许差不多，但线加速度则有很大差异。建筑物的加速度应大于地面加速度，建筑物高点的加速度应大于低点的加速度。
( 2) 建筑物有较大尺度的长、宽、高，在面波的作用下，同一高度处各点的加速度在同一时刻是不同的，各点的地震力不同，造成结构杆件之间拉压弯扭。并非同一楼层各点的加速度是相同的，并非只有楼层之间的剪力，而是同一楼层的杆件也出现复杂的应力状态。
( 3) 在面波作用下，建筑物的基础发生变形，相对产生支座位移，使建筑物出现复杂的受力状态。即使不考虑地震加速度产生的地震力的影响，这种变化着的支座位移足以使建筑物破坏。5． 12地震发现一个共同的特点，宝鸡地区凡是地基基础好的建筑物破坏轻微或几乎无破坏。相反，地基软弱、基础刚度和整体性差的建筑破坏严重。( 4) 在面波作用下，建筑物产生较大的位移Δ ，存在有不可忽略的重力二阶效应。
3 面波作用下建筑易发生扭转破坏
如图( 3) 所示，当面波波峰( 波谷) 通过建筑物时，建筑物两端的加速度方向相反，地震力使建筑物扭转。另一方面，基础的变形也使建筑物产生扭转位移。扭转的程度与建筑物的体量大小、面波的方向和性质、基础的整体性及刚度、建筑物的侧向刚度诸多因素有关。5． 12 地震使宝鸡市陈仓区城内建筑破坏严重，有些建筑的平面突出部分和角部墙体塌落或严重裂缝，具有明显扭转破坏的特征。宝鸡市陈仓区城属于一个小台塬地形，城区高而周边低，地震面波波幅相对较大，故建筑扭转破坏特征明显。图4 为宝鸡市陈仓区楼外楼商场在5． 12地震时，角部框架柱的震害情况，此时的填充墙已全部甩出。
由于面波的作用，即使是建筑平面规则，体型规整、竖向刚度和侧向刚度均匀的建筑也可能产生明显的扭转效应。当然那些不规则和刚度不均匀的建筑的扭转效应则会更大。
相同高宽比、相同长宽比的建筑，体型大者可能跨越几个地震面波，体型小者可能跨越一个或不到一个地震面波，所产生的地震效应不尽相同。就地震面波而言，不可能是规则的正弦波，由于地层结构的复杂性，其波的特性和传递方向也非正弦的、定向的，可能是若干个不同特性、不同方向的正弦波的叠加。地震面波的复杂性决定了建筑物所产生的地震效应的复杂性。
5． 12 地震对宝鸡地区造成的地震烈度约6 ～ 7度，由于属中、远震，对刚度大的房屋( 如多层房屋、砖混结构房屋) 影响较小，对刚度较小的房屋( 如高层建筑、较柔结构的房屋) 、砖木危旧房屋、构筑物等影响较大。对经过地震灾害和灾后重建的人们有诸多教训和反思。笔者对《建筑抗震设计规范》( GB50011—2010) 中关于抗震结构概念设计的思想和设计要求深为赞叹，因为地震及其对建筑物的作用是随机的、复杂的，尚需不懈地探索、认识和研究。目前，做好抗震结构的概念设计显得尤为重要。
参考文献
［1］ 龚思礼． 建筑抗震设计手册［M］． 2 版． 北京: 中国建筑工业出版社， 2003．
［2］ GB50011—2010 建筑抗震设计规范［S］． 北京: 中国建筑工业出版社， 2010．
［3］ 丰定国． 工程结构抗震［M］． 北京: 地震出版社， 2005． 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201304/15223.htm
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