從尼泊爾 8.1 級地震震害中可以看到關於建築的哪些結構抗震設計、施工建造上的問題和教訓? | 知乎問答精選

 

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從尼泊爾 8.1 級地震震害中可以看到關於建築的哪些結構抗震設計、施工建造上的問題和教訓?

2018年07月30日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 9 ℃ 次

【2333Raindragon的回答(59票)】:

尼泊爾的問題可以說是很多國家共有的,即「如何在一個貧困地區建造抗震能力合格的建築物」

貧困尼泊爾,那裡的房子到底是什麼樣子的呢?我找了一些建築受到破壞之後的照片

來源:來源:尼泊爾大地震:15名新加坡人確認安全

圖片上面有來源圖片上面有來源

這張倒塌後的殘骸,來源也在圖片上這張倒塌後的殘骸,來源也在圖片上

這些圖片能說明什麼問題呢?第一張圖和第三張圖是同一個問題——【幾乎沒有約束構造的砌體結構】,這樣的建築物抗震能力很差,第三張圖片更甚,可以看到都是土坯,連磚都不是,簡直不能更糟。唐山地震時候就是大量的砌體結構倒塌產生巨大傷亡,但也正是唐山地震砌體結構的震害調查讓工程界學習到很多經驗教訓,並且做了很多努力,所以我現在才會坐在這裡畫幾個框框告訴你哪裡不對。從76年至今,已經快要40年了,40年前中國已經總結的教訓,尼泊爾會不知道嗎?在今天這樣一個信息時代,我想這完全不可能。

  1. 紅色框出來的牆體看不到任何約束構造,沒有構造柱,沒有圈梁,沒有拉接鋼筋

  2. 藍色框出來部分,一側牆體已經外閃倒塌,垂直方向的牆體完全沒有起到扶持穩定的作用

  3. 綠框部分,看到了樓板(混凝土部分),可能包括樓蓋的梁,但是很明顯沒有從上倒下貫通的構造柱

再來看第二張照片裡面

我用綠色把梁標出來了,紅色把柱子標出來了,可以很明顯看到梁比柱子要粗,我標記的時候梁用的是10px的線條,柱子是5px,樑柱比例明顯不協調,強梁弱柱,絕對是抗震設計的大忌。有人也許要說這是約束構造圈梁構造柱,我一開始也是這麼以為的,然而並不是。仔細看就會發現沒有馬牙槎,構造柱不會這麼做的。我用綠色把梁標出來了,紅色把柱子標出來了,可以很明顯看到梁比柱子要粗,我標記的時候梁用的是10px的線條,柱子是5px,樑柱比例明顯不協調,強梁弱柱,絕對是抗震設計的大忌。有人也許要說這是約束構造圈梁構造柱,我一開始也是這麼以為的,然而並不是。仔細看就會發現沒有馬牙槎,構造柱不會這麼做的。

馬牙槎——灰色的混凝土和紅色的磚塊交接部位是要互相咬合的,這樣的構造叫做馬牙槎,不僅需要有馬牙槎,柱子中間應該有橫向的鋼筋伸出進入砌體內部將砌體和柱子牢固連接馬牙槎——灰色的混凝土和紅色的磚塊交接部位是要互相咬合的,這樣的構造叫做馬牙槎,不僅需要有馬牙槎,柱子中間應該有橫向的鋼筋伸出進入砌體內部將砌體和柱子牢固連接

我仔細找了一下,發現並不是一個建築是這樣的。不僅沒有馬牙槎,還有每層收進,柱子不斷變細,這無疑就是框架柱的做法啊!我仔細找了一下,發現並不是一個建築是這樣的。不僅沒有馬牙槎,還有每層收進,柱子不斷變細,這無疑就是框架柱的做法啊!

然後推薦去曲哲的博客看看這篇博文,裡面有很詳細的描述

關於尼泊爾自建混凝土框架結構的補充

@曲哲 ,同時邀請曲哲來回答這個問題,曲哲老師是地震工程領域的專家,也是我很佩服的前輩,他寫的那本《結構札記》相當棒。

由於回答問題時候還沒有得到博主許可,而且不是知乎的回答,引用圖片可能不方便,我就自己用CAD重新畫了一個模型,來說明一下

這幾棟建築實際上是框架結構,中間再用粘土磚作填充牆,而由於填充牆是用粘土磚做成的,所以初始剛度很大,但是強度並不高。另外,砌體牆和框架之間塞得相當密實,無論是頂部還是兩側,都沒有留下一點縫隙給框架,框架受力變形時會把力傳給砌體牆的,這樣的牆根本不是填充牆,而是發揮著類似剪力牆的作用。

同時梁比柱子粗(以下數據引用自上面的博文)

  1. 梁的截面可達到 325X230,鋼筋配6根12

  2. 柱子截面卻只有 230X230,鋼筋配6根10

  3. 這是當地具有代表性的建築,『註:我通過Google圖片搜索結果來看確實如此,還有一種就是純砌體結構,抗震性能更差』,開間大約4m,進深3m,混凝土等級約為中國C25,鋼筋約為HRB400

  4. 不考慮填充牆,週期約為0.8s『註:如果在中國,這樣的三層框架週期約為0.3s左右,0.8s說明太過柔弱』

無論是強度還是剛度都是【強梁弱柱】,抗震設計的大忌,08年汶川地震之後好多研究人員都在研究如何考慮樓板影響,如何改進設計方法,避免因為樓板作為梁翼緣受力而形成強梁弱柱,尼泊爾的這些房子卻主動做成強梁弱柱。

  • 大剛度低強度而且沒有約束構件的砌體牆+強梁弱柱構成的結構體系

這簡直是教科書式的反面抗震設計範例

當這個體系受到水平力,由於砌體牆剛度大,即使牆頂和樓蓋系統連接不很可靠,靠與柱之間的擠壓,也會導致牆體承受較多的水平力,這個時候水平力基本是按照剛度分配的,誰剛誰就分得多。當這個體系受到水平力,由於砌體牆剛度大,即使牆頂和樓蓋系統連接不很可靠,靠與柱之間的擠壓,也會導致牆體承受較多的水平力,這個時候水平力基本是按照剛度分配的,誰剛誰就分得多。

雖然砌體很剛,然而並沒有什麼卵用,它太脆了,往復的水平力作用(比如地震作用)下,它很快就會開裂,由於缺少馬牙槎、拉筋這樣的構造,兩側的混凝土柱並不能對砌體有足夠的約束力,這會讓砌體承載能力明顯下降。但是水平力並不會減少很多,此時只有讓框架柱承擔。雖然砌體很剛,然而並沒有什麼卵用,它太脆了,往復的水平力作用(比如地震作用)下,它很快就會開裂,由於缺少馬牙槎、拉筋這樣的構造,兩側的混凝土柱並不能對砌體有足夠的約束力,這會讓砌體承載能力明顯下降。但是水平力並不會減少很多,此時只有讓框架柱承擔。

如果是按照抗震設防設計的框架,是能夠承擔這樣的水平力的,然而尼泊爾的建築並不是,無法承受的水平力會導致框架破壞,同時因為

【強梁弱柱】導致破壞集中在樑柱節點的柱端,在柱端出現塑性鉸,這樣框架就變成了一個可以活動的平行四邊形。進入這個階段之後,結構抵抗水平力的能力已經很差了,整體性也大大下降,猶如一堆積木來回晃動,豈有不塌之理?如果是按照抗震設防設計的框架,是能夠承擔這樣的水平力的,然而尼泊爾的建築並不是,無法承受的水平力會導致框架破壞,同時因為

【強梁弱柱】導致破壞集中在樑柱節點的柱端,在柱端出現塑性鉸,這樣框架就變成了一個可以活動的平行四邊形。進入這個階段之後,結構抵抗水平力的能力已經很差了,整體性也大大下降,猶如一堆積木來回晃動,豈有不塌之理?

下面的畫面過於悲慘,就打馬賽克了。下面的畫面過於悲慘,就打馬賽克了。

×××××××××××××××××××××××××××××以下為5.28更新×××××××××××××××××××××××××××××

以上兩張圖片來自 以上兩張圖片來自 http://time.com/3839672/nepal-earthquake-death-toll-5000/

我放這兩張照片是我之前一直對著兩張照片有一個疑惑——鋼筋在哪裡?應該有樓板啊?

我突然想明白了這個問題所以更新一下,答案是【沒有鋼筋】,因為是木樓板,作為一個長期蹲中國工地上的人,我已經幾乎忘掉了還有這樣蓋樓的做法。同時這也揭示了為什麼這些照片裡經常出現大量長條狀木材,那些事用來鋪樓板的木材

請看這個位置的的截圖放大,樓板是木質的樓板,木質樓板和砌體之間的不是那麼容易做好的,考慮的尼泊爾的施工條件,木樓板與砌體的連接遠不如鋼筋混凝土和砌體的連接來的可靠,同時木樓板的平面內剛度以及整體性都比現澆混凝土樓板差,對砌體的約束能力是很差的,而就在後面一棟樓,由於用了混凝土的樓蓋體系,並沒有倒塌,也進一步說明了對於砌體來說,約束構造能夠提升抗震能力。請看這個位置的的截圖放大,樓板是木質的樓板,木質樓板和砌體之間的不是那麼容易做好的,考慮的尼泊爾的施工條件,木樓板與砌體的連接遠不如鋼筋混凝土和砌體的連接來的可靠,同時木樓板的平面內剛度以及整體性都比現澆混凝土樓板差,對砌體的約束能力是很差的,而就在後面一棟樓,由於用了混凝土的樓蓋體系,並沒有倒塌,也進一步說明了對於砌體來說,約束構造能夠提升抗震能力。

以上圖片引自以上圖片引自Nepal earthquake: Aerial photos of devastated villages clinging to remote terraced hillsides

這三張圖是山區的震害,可以從空中看到整個村子基本被摧毀了。

第一張沒什麼好說的了,砌體連磚都不是,而是不規則的石塊,這樣的建築完全談不上抗震

第二張、第三張我覺得都屬於

【局部場地因素導致的破壞】,山頂這樣的場地容易出現振動的放大,同時容易出現滑坡等地質災害。對於尼泊爾這樣的彈丸小國又遍佈山地,讓他們所有人都做到避開不利場地真的太強人所難了,總會有人一定要生活在這樣的地方。

×××××××××××××××××××××××××××××××更新結束×××××××××××××××××××××××××××××××

題主要問有哪些結構抗震設計、施工建造上的問題和教訓?

  • 砌體結構本身強度太低,缺乏構造柱、圈梁和拉筋等約束構造

  • 沒能貫徹強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件等抗震基本原則

  • 結構體系傳力路徑不清晰,荷載傳遞混亂

  • 沒有選擇合適場地,沒有避開振動放大的場地,沒有避開有地質災害危險的地段
  • ···············

我覺得其實沒有什麼新東西,要不然我一個學生也沒法碼出這麼多字,瞎BB這麼久,但是即使沒有新東西,即使有些教訓中國在76年就已經學會了,尼泊爾人的房子還是這樣了,我覺得這才是更大的問題。

  • 為什麼尼泊爾人把房子建成教科書式的反例呢?

就在地震之後,尼泊爾學生在學校櫻花大道募捐,我盡一點綿薄之力之後,想了想這個問題。留學生們和我有用同樣的文獻資源,不說遠的,僅僅知網搜索「砌體結構抗震」就有浩如煙海的文獻跳出來,不知道是不可能的。同時,尼泊爾人並不是沒有抗震規範,並不是沒有工程師,他們有抗震規範,而且似乎做的不錯,詳見:尼泊爾抗震設計規範簡介,同樣是曲哲老師的博客

原因只有一個——【沒錢】

尼泊爾的貧窮是不消說的,就看人均GDP好了,通過Google引用世界銀行數據,2012年的人均GDP是699.08,13年是694.10,而回頭看看我們同為發展中國家的祖國,這個數據直接劃到最低的一級小於1200里面去了,也就是最深的藍色,有了這樣的對比,可以很明顯的感受到那裡是多麼貧困。在尼泊爾建造抗震能力合格的工程結構,差不多就等於在中國最貧窮的地區建造抗震能力合格的工程結構,發揮你所能想像的最貧窮的地區,經濟條件的限制水平大概就是那樣。在這樣的條件下,要求抗震性能確實有點勉為其難了。

230x230的柱子,C25混凝土和HRB400鋼筋取設計值,因為設計值是有相當高保證率的,不過話說回來,尼泊爾的材料質量怎麼樣就不知道了。即使按照設計值做計算,這樣一根柱子軸壓的承載力也在80kN左右,也就是8噸的質量,而尼泊爾的建築從大量照片來看外牆都鮮有裝飾層,內部裝修應當更少,樓蓋系統質量並不很大,這樣估算一下發現即使看著瘦弱的柱子完全可以承擔起重力荷載來。所以尼泊爾的建築沒有辦法的辦法下建成這樣的,恰好滿足重力荷載的要求。

讓房子站起來有個容身之所】 這就是這個人均GDP不到700刀的國家所能付得起的工程水準。如果再去看看其他方面,不說其他的,就衣食住行四個角度,我想會發現貧困從每一個角落伸出觸手扼住這個國家。

「如何在一個貧困地區建造抗震能力合格的建築物?」大概是一個很難回答的問題,因為錢真的很成問題。因為有錢,迪拜的建築可以成為風中之燭,海濱之帆,即使在一堆沙土之上,CCTV可以隨便扭,即使中心都落在大樓之外,沒錢,保住命都很難,這個世界就是這麼殘酷。

好在並不是沒有人做這方面的研究。貧困地區大多是低矮建築,真實的自振週期都普遍比較短,如果能在基礎上做一點隔震措施,想必是會很有效的。我去搜索了一下,確實有人在做。

廣州大學一位叫王斌的博士,學位論文是《村鎮建築簡易隔震技術理論與試驗研究》

圖片取自上面那篇論文,用FRP板代替鋼板做成的隔震支座,論文發表還是很近的事情,2013年

雖然成本應該還是不低的,但至少做出了一步努力。

還有一篇論文《村鎮建築簡易隔震技術的研究進展》

裡面提到了種種設想,如果我們不能把所有人都集中到城市來讓他們享受到城市的生活,希望這些工作能讓他們的生活更加安全一點。裡面提到了種種設想,如果我們不能把所有人都集中到城市來讓他們享受到城市的生活,希望這些工作能讓他們的生活更加安全一點。

【捷爾任斯基的回答(27票)】:

補充一點木結構方面的問題,有人為老美和日本的木結構比較普及,簡要回答一下

美國的木結構房屋主要是別墅類的,位於郊區,獨門獨院,單純的結構建設週期30天左右,這在北美這樣人力資源很貴的國家,是個性價比很高的做法;在日本的話,木結構的建築甚至在城市裡面,在上個世紀60年代以前都算是主流,但是在經歷了關東地震、颱風、美軍空襲之後,木結構倒塌造成了火災等次生災害很嚴重,日本政府一度立法嚴禁木結構建築的使用,上世紀80年代,日本重新允許修建三層以下的木結構建築以及某些大型木結構建築,1995年阪神地震,因木結構建築倒塌致死的人數大概在6000多,日本政府開始重視木結構的抗震性能,到目前為止取得了長足的進步。

如果是在尼泊爾這樣的國家,要推行日本這樣的木結構房屋,造價比磚混還貴,另外如果按照我國的規範,在9度區只能修單層。對尼泊爾人民來說,用相對便宜的價錢建造相對安全而又滿足生活需要的房子才是最重要的。

——————————————分割線,以下是原回答——————————

在貧窮的地方去討論抗震,是一種奢侈的行為,從抗震性上來說目前主流的結構形式裡面最好的是鋼結構,其次是混凝土剪力牆,其次是混凝土框架結構、最差的是磚混結構,但是造價也是從高到低的。

結構形式的問題我不細說,只是大致這麼分類,其中很有很多混合結構和交叉的,就不展開了,免得有些大神在評論裡面唧唧歪歪說我外行。

尼泊爾位於印度板塊和亞歐板塊的交界上,印度板塊每年以45mm的速度向亞歐板塊移動,在這條邊界上,週期性的強震是必然的,上一次強震出現在1934年,那個著名的比姆森塔在那次地震中被攔腰截斷。

從目前出現的圖片上看,損毀嚴重的房屋基本是磚混結構,而且大量的私搭亂建摻雜在其中,很多都是在磚混的房屋上面自己又起了幾層房子,完全沒有抗震能力。

我不知道尼泊爾政府是否有資金去推動一個全國化的標準,將建築抗震等級推行起來,從資料上看,尼泊爾的抗震設防標準應該至少在9度,跟康定、西昌相同,那麼對房屋的結構形式就有很大的限制,比如說,磚混的房子頂多修個三層,底部框架的磚混房屋根本就嚴禁修建,混凝土的房子頂多修80m高,但是我估計那些對施工較高的筒中筒結構,當地人也修不出來,所以也就修個8層樓就好了,但是即使這樣,從磚混到混凝土結構的造價增加也不會小於100%,這還是在滿足抗震要求的磚混結構和混凝土結構的比較。

如果從完全不抗震的磚混結構到抗震的磚混結構,再到混凝土結構,這個造價的比較大概是多少呢?我去查了一些文獻,大概是從完全不設防提高到8度,磚混結構的造價增加40%,不過造價增加的趨勢是減少的,那麼我們可以假設增加到9度是50%。

這樣造價的比較大概就是1:1.5:3,而且同樣的地皮,允許搭建的層數會減少,平攤到人均的造價會進一步提高。

對於一個人均GDP只有600多美元的國家,大規模的推行這種基礎建設,是有很大困難的。

為這個多災多難的山地之國的人民默哀

【JimmyChen的回答(247票)】:

在土木工程領域我們可以在中東那個鳥不拉屎的地方幹出1000米高的建築,而且滿足防風、防震、防溫差、防沉降、防恐怖分子搞破壞等等一些列你能想到或者想不到的,潛在的或者表面的,自然的或者人為的危害。但是我們仍然不能幫助那些需要幫助的人修一個不會在地震來臨時變成埋葬他們的墳墓的房子。以前我也認為,迪拜人有錢,除了沙子就是金子,他們可以找全球最好的結構顧問,找最好的工程總承包,所以他們能買到安全。而山裡的人,不管是喜馬拉雅山麓的,還是岷山山脈中的,都沒錢。哪怕是縣級設計院,掛靠的施工單位他們都找不來,唯一依靠的可能就是王大叔、李伯伯那些曾經在城市裡的工地裡幹過活路兒的,所以他們買不到安全。那麼這就和我們結構工程師無關了,這是體質問題,是社會的錯,professor和engineer愛莫能助。

真的是這樣嘛?我們可以用有限元、pushover、彈塑性時程分析去模擬這個世界,用伸臂桁架、約束屈曲支撐、阻尼器去改變這個世界,但是這個世界好像包含不了那些大山裡的人。很多時候我問自己什麼是設計?當在我們所設計的世界裡如果只有沙、石、竹、木的時候,只有小學文化水平的村民,只有人均年收入千元左右的經濟,還能否建成可靠的建築。真正的設計就應該因地制宜,在有限的條件下最大程度的滿足功能需求。比如,在地基土中增加一層河灘上常見的粗砂和卵石作為隔震手段,在屋頂加設養殖魚池作為阻尼器,磚塊之間添加竹片替代拉接筋增強牆體的穩定性。當然以上的做法也僅僅是一個意向,作為一個嚴謹的專業,需要大量的實驗得到數據,並用科學方法歸納分析得到結論。所以說我們這個學科仍然有很多值得研究的方向,也許這些項目聽上去不是那麼高大上,甚至不一定能獲得科研經費,但是這些東西確實能實實在在的挽救不少性命。

【易拉寶的回答(0票)】:

說到底還是經濟問題

抗震標準的調研和設定需要政府集中資源和技術人員來做

抗震設計和施工需要國家強制推廣和監察

抗震設防增加的預算要平攤在每一個平方。根據樓上同學的算法差不多增加50%

這全都是需要國民收入水平來支撐的。

我去尼泊爾的感覺,即便是在首都加德滿都,除了少量別墅和政府公建,大部分房屋沒有抗震意識或者說沒有這個預算。

這有點像國內不發達地區農村的自建房,別說什麼增加一半預算來抗震設防,他們的要求或者說經濟能力只能說把房子磊起來當時不塌就可以了,能省就省。

而發達地區的比如江浙農村小別墅,安全意識和經濟水平立刻就提高一大截。會想到請專業設計師,或者購買圖紙,結構設計要達到當地抗震要求,施工會盯著不要省鋼筋,混凝土配比要達標。

悲哀,收入低則安全就是奢望。

【文松的回答(0票)】:

之前的學長把專業知識都說了,我也不班門弄斧了,說一點個人見解。很多人都關注設計的問題,可是一個建築的形成設計只是它生命中的一環,尼泊爾地震中中國援建的那個未倒的醫院和前幾年汶川地震中一個屹立不倒的小學學校都是出自一個設計團隊,這肯定說是這個團隊的設計功底深厚,但更多的是這個團隊與施工單位乃至後期維護的溝通在起作用。一個建築,從設計到施工再到後期維護每一環都是等價重要的,這才構成一個建築完整的生命,而我們似乎都太關注設計方面了,太過於研究材料和新技術了,反而忽略了施工的質量和新模式,乃至於後期的有意識的維護都麻痺了。

【曹醜醜的回答(3票)】:

1、磚混結構在地震作用下容易破壞,這在業內已經是常識了,因此大多數發達國家在新建建築中已經禁用磚混結構,已有的磚混結構要麼拆除,要麼加固。

2、提到建築破壞時不能只看地震震級,而要看地震烈度,地震震級是不會變的,而地震烈度會隨著震源深度,與震中距離等參數變化,結構設計中都是根據地震烈度設防的。舉個極端例子,一棟建築正好位於地震斷裂帶上,那即便是6級地震,可能再強的建築也是承受不了的。

3、鋼結構在地震作用下明顯優於鋼筋混凝土結構。原因何在?我記得我本科第一門專業課叫「土木工程概論」,那時候老師提到建築物抗震,就說應對地震最好的方法,其實就是大禹治水,宜疏不宜堵。鋼結構構件與結構的耗能性能均明顯優於鋼筋混凝土結構,因此在地震作用下,鋼結構建築能夠有效的耗散大部分地震能量,使得真正施加在結構上的地震作用大幅減小。而鋼筋混凝土結構延性較差,很難有效實現耗能,使得結構承受較大地震作用,容易出現脆性破壞。

【知乎用戶的回答(1票)】:

土木工程作為傳統行業發展到現在已經是相當成熟了,無論是設計上、施工上,世界上各國總結出的抗震經驗教訓都很多,包括我國的抗震設計規範也是基於無數的地震、試驗而總結出的。說實話,尼泊爾這些古老的、基本沒有任何抗震措施的建築,倒了、壞了,在工程師眼裡一點也不稀奇,確實沒什麼「新鮮」的經驗可總結了,至少從新聞圖片中看來,都是工程設計中需要避免的常見的破壞形式。

只能希望,這個貧窮的國家越來越有能力去建造具有更完善抗震措施的建築。另外,坐落在這樣的地震帶上,真是生而不幸。

【陳悅的回答(1票)】:

Unreinforced mansonary historical structures basically have zero seismic resistance. It is a problem for a lot of other countries as well.

【知乎用戶的回答(0票)】:

個人感覺技術方面並沒有太過深刻的經驗教訓。多取決於設計時選擇的抗震等級,以及施工技術的成熟度。

印象流尼當地砌體結構更普遍。不加構造柱圈梁的砌體結構一震全沒了。

為死者默哀。

【官浩的回答(0票)】:

前面都提到了貧窮的問題,確實在貧窮國家談抗震簡直奢侈,能有住房就很不錯了。

要學經驗主要還得從日本學。有錢又有能力去提高房屋抗震。

我國抗震規範還是比較好的。然而從修房造屋來說,在農村(我家所在西南小縣城),個人建房子不會去找專業設計專業施工隊的,都是找幾個磚瓦匠,憑老一輩的經驗來修的,這樣你還給人家提抗震?

我們老師也說他一個親戚是包工頭,在農村建房子只靠一份不知道那兒買來的圖紙,到哪兒都按一份圖紙來,先不說抗震,地質情況,規範變化這些方面都有問題。

所以要說經驗教訓,只有一點,規範化建房,尤其是在偏遠地區。然而前提是,得有經濟基礎。

【BEENEW的回答(0票)】:

還是經濟基礎決定上層建築。。。

標籤:-土木工程 -建築設計 -地震 -結構設計 -4·25尼泊爾地震(2015)


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