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清华建筑专家解释:地震为何对建筑物破坏力巨大

  5月12日14时28分,我国四川汶川发生了一次历史罕见的大地震,震级达到里氏8级,最大烈度达到11度。

  强烈地震突如其来,顷刻间,房屋大面积倒塌,造成人员伤亡惨重。截至目前,这次地震已造成650多万间房屋倒塌,2300多万间房屋损坏,北川县城、汶川县映秀镇等部分城镇夷为平地。

  地震对于建筑物为何会拥有如此巨大的破坏力?地震中决定房屋损毁的因素究竟有哪些?灾区新建房屋应当注意哪些问题?记者带着这些问题,采访了我国建筑领域的专家——清华大学建筑设计研究院副总工程师马宝民、贺小岗。

  记者:人们常说,地震来袭时地动山摇,房屋随之倒塌。那么,地震到底是以什么方式来破坏建筑的?

  专家:用“地动山摇”“山崩地裂”来描述地震到来时的情形一点也不过分。由于建筑物依附在地球表面,建筑物受地震破坏的方式主要受地震波的传播方式影响。简单地说建筑物破坏有三种方式:上下颠簸、水平摇摆、左右扭转。多数时候,还是三种方式的复合作用。

  地震波传播方式有纵波、横波、面波,由于地球表层岩性的复杂性,传播过程中也会出现像激流中“漩涡”的复杂情况。

  纵波使建筑物上下颠簸,力量非常大,建筑物来不及跟着运动,使底层柱子和墙突然增加很大的动荷载,叠加建筑物上部的自重压力,若超出底层柱、墙的承载能力,柱、墙就会垮掉。底层垮掉后,上面几层建筑的重量就像锤子砸下来一样,又使第二层压坏,发生连续倒塌,整个建筑直接“坐”下来,原来的第三层瞬间变为“第一层”。

  面波使建筑物水平摇摆,相当于对建筑物沿水平方向施加了一个来回反复的作用力,若底部柱、墙的强度或变形能力不够,就会使整栋建筑物向同一方向歪斜或倾倒,在震区常常看到这种现象。

  第三种作用是扭转。引起扭转的原因是有的地震波本身就是打着“旋儿”过来的,也有的情况是因为面波到达建筑物两端早晚的时间差引起的。这种情况引起建筑物扭动。建筑物一般抗扭能力较差,很容易扭坏。震区有的房子角部坍塌,多属这种情况。

  一旦碰到上下颠、左右摇、扭转,三种方式共同发生,破坏力就更加可怕。在离震中较近的范围,往往三种方式交织作用,所以破坏力很大。

  此外,每个建筑物都有自己特定的自振频率,如果这个频率与地震作用的频率接近,还会引起类似共振的效应,那样带来的破坏力就更可怕了。

  还有一种破坏形式叫“液化”。如果建筑物基底是粉细沙,房子建在上面,当大地摇动时,沙粒向旁边跑,房子就会往下沉,引起倾斜甚至倒塌。唐山地震时,很多房子就是这样损毁的。这次汶川地震没有出现“液化现象”,但由于山体不稳引发的滑坡却很多,许多建在山坡上或山脚下的房子就是这样损坏的。

  记者:在这次地震中,大量建筑物受到毁灭性破坏,这究竟与地震的震级有关系呢?还是与烈度有关系?

  专家:我们先要搞清震级和烈度两个概念,不少人弄不清楚。震级和烈度是两个不同的概念。震级是用来衡量一次地震释放能量的大小,烈度是描述地震引起的破坏程度。一次地震只有一个震级,但烈度不止一个,一般情况下离震中越近破坏越大,烈度就越高,远离震中烈度减小。例如唐山地震,震中区烈度是11度,影响天津是8度,影响北京是6度。

  有的人说某建筑能抗几级地震,这个说法是不对的。应该说,某建筑物的设防烈度是多少度。

  建筑物的受损情况除了与震级作用大小有关外,还跟场地条件、设计、施工等多种因素有关。

  记者:您刚才谈到建筑物的设防烈度。那么,我国对建筑物的抗震设防标准是如何规定的?四川地震灾区执行的是什么标准?

  专家:我国1989年以后制订的《建筑抗震设计规范》的设防目标要求建筑物做到“小震不坏,中震可修,大震不倒”。所谓“大震不倒”是指地震发生时,实际地震烈度比抗震设防烈度高1度到1.5度时,建筑物应当不倒塌。汶川和都江堰按现行规范的设防烈度都是7度。这次地震对这两个地方的影响都超过了7度。我看到过一个资料说都江堰达到了9度,汶川更高,映秀达到11度,超过“大震”设防烈度很多。震中附近的映秀、北川的烈度高达11度,建筑物倒塌很难避免。也有少数房子没有倒塌,很可贵,这少数房子很有研究价值,可以学习不倒的理由。大自然是人类的无言师,人类的知识都是不断从大自然学来的。

  我国建筑物的抗震设防标准一般设在6度到9度。因为地震发生时,烈度达到10度的范围不是很大,达到11度的只有震中及附近地区。一般地震在什么地方发生并不知道。而多数房子的使用寿命是50年,全国大部分地区50年内多数并不发生地震,但又不能不设防,若设防标准过高,又不地震,投入的财力就是浪费,我们还没有那么大的财力。目前,北京的建筑设防烈度是8度,四川绝大部分地区是7度。全国有一个烈度区划图,是根据历史记载经反复研究作出的。全国抗震设防都依据同一规范,是同一个标准。

  另外,我国根据建筑物功能的重要性将抗震设防标准分成甲、乙、丙、丁4个类别。一般房屋都是丙类,超过6000座的体育馆、超过1200座的剧场、超过10000人居住或办公的高层建筑,还有桥梁、机场、医院、小学、幼儿园以及若建筑发生破坏会引起严重次生灾害的工程,例如核电站、危险品仓库等,其抗震设防标准都比周围建筑要高出至少一个级别。

  记者:在地震灾区,我们看到同一地区有些建筑物全部垮塌,有些建筑只是局部损坏,这是什么原因?

  专家:刚才讲过,在地震面前,建筑物是否垮塌,或者损坏情况怎样,与房子本身的抵抗力密切相关。

  决定房子抗震能力的主要因素有许多方面:

  一、房子的体形。体形规则、均匀、对称的房子抗震能力强。上大下小头重脚轻的房屋体形叫竖向不规则,平面局部凸出的L形、“丁”字形体形叫平面不规则,一头沉一头轻的叫扭转不规则,不规则建筑抗震能力都较差。

  二、房子的结构形式。砖混结构的抗震能力要比钢筋混凝土框架、框架-剪力墙弱。底层框架上部砖混、带转换层的房子、底层空旷的房子、板柱体系的房子抗震能力都比较差。底层弱容易“坐”下来。

  三、房子的施工质量。照图施工、技术到位,房屋质量就好。否则设计再好,施工质量差也会出问题。

  四、房子的建筑材料。混凝土标号够不够,钢筋是否合格,有没有偷工减料等都很重要。

  五、房子的建设年代。较早的房子依据的抗震设防标准相对较低。由于认识水平和财力的增长,后建的房子抗震能力相对较强。

  记者:目前,灾区的恢复重建工作已经排上重要日程。作为建筑设计方面的专家,对于灾区新建房屋有什么建议?

  专家:对于灾区的恢复重建,不久前刚刚出台的《汶川地震灾后恢复重建条例》已经有了明确规定。

  具体到新建房屋,应当注意以下几点:

  一是选址要好。重新选址时,应当避开地震活动断层或者生态脆弱和可能发生洪灾、山体滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等灾害的区域以及传染病自然疫源地。

  二是设计施工水平要高。要选择有资质的设计单位和施工队伍,加强施工队伍技术能力培训。

  三是建筑材料的质量要控制好。要从正规厂家购进建筑材料。

  四是要加强工程监理。

  总之,规划、设计、施工、监理四大环节很重要,都要严格把关。

  来源:新华社 2008-06-18

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2008-06-19]
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