汶川震害中的结构混凝土问题

理论研究

THEORETICAL RESEARCH

混

凝

土

Concrete

2009年第10期（总第240期）Number 10in 2009（Total No.240）

doi ：10.3969/j.issn.1002-3550.2009.10.001

徐有邻1，巩耀娜2

（1.中国建筑科学研究院，北京100013；2.建研凯勃建设工程咨询有限公司，北京100013）

Abstract:

Based on the analysis of the collapse of Wenchuan earthquake ，some quality problems about jerry-built concrete and other structural

concrete ，the effect of armored concrete about masonry structure ，the great potential of increasing the confined concrete resistance of columns by constraint effect ，

and the check and acceptance of structure solid strength are discussed.In addition ，it is indicated concrete plays an active part in the safety of the structure as well as the concrete resistance ，such as strength and ductility ，is improved a lot by constraint-restricts effect.Further-more ，it is discussed the acceptance of construction quality by the curing strength under the same condition.Finally ，some advice about scientific of structural concrete is proposed.Key w ords:

jerry-built concrete ；constraint-restrict effect ；structure solid strength

摘

要：通过对汶川震害调查分析，讨论了“豆腐渣”混凝土及其他结构混凝土质量问题；砖混结构中配筋混凝土的作用；围箍作用对提高

柱子约束混凝土抗力的巨大潜力；以及结构混凝土实体强度的检测与验收问题。肯定了结构混凝土对结构安全的积极作用；指出围箍-约束作用可以大幅提高混凝土的抗力（强度及延性）；对采用同条件养护强度进行施工质量验收进行讨论；并对今后结构混凝土的科研提出了建议。

关键词：“豆腐渣”混凝土；围箍-约束作用；结构实体强度中图分类号：TU528.01

文献标志码：A

文章编号：1002-3550（2009）10-0001-04

Several problem s about structure concrete of Wenchuan earthquake

XU You-lin 1，GONG Yao-na 2

（1.China Academy of Building Research ，Beijing 100013，China ；2.CABR construction consulting Co.，Ltd.，Beijing 100013，China ）汶川震害中的结构混凝土问题

收稿日期：2009-04-11

0引言

汶川大地震的阴霾渐渐远去，许多有争议的问题仍在讨论之中：教学楼倒塌的原因、砌体结构及预制构件是否不能抗震、冷加工钢筋的前途、“豆腐渣工程”等。不同意见的争鸣是十分正常的现象，将促进学术发展和技术进步。

历史造成的贫困和愚昧致使结构设计未遵守有关的规范、标准；结构方案、传力途径和连接构造缺陷造成整体稳固性不足，是教学楼的重大安全隐患，也是引起倒塌的根本原因。

未设置圈梁-构造柱、砖夹筋及周边拉结筋，是造成脆性砖砌墙体在地震作用下裂缝、破碎、倾覆，并引起楼盖下坠、房屋倒塌的直接原因，实际是唐山震害的简单重复。凡按规范要求采取必要构造措施的砌体结构，基本都经受住了地震的考验，能够“裂而不倒”。

圆孔板之间及与支承结构之间连接构造的缺失，造成了预制-装配楼盖的解体、预制板下坠。但是按规范、标准图建造的砌体结构房屋震后基本完整，证明装配整体式结构可以抗震，并且符合建筑产业化发展的大方向。

采用冷拔钢丝、冷轧带肋钢筋的预应力板脆断和采用冷轧扭钢筋的楼梯板的断裂，说明了钢筋延性的重要性。但是，冷加工钢筋不应就此淘汰。而应加强管理，提高延性，控制用途：避免作预应力配筋和塑性设计的受力钢筋，在中、小构件中更好

地应用。

“豆腐渣工程”广义是指由于偷工减料等原因造成有安全隐患的工程，针对性不强而难以讨论；狭义上是指采用无强度劣质混凝土的结构。

1关于“豆腐渣”混凝土的讨论

1.1“豆腐渣”混凝土的判定

在灾区倒塌房屋的废墟中，的确可以看到状如“豆腐渣”的

混凝土（图1）[1]

，并且围观者都认定这就是“豆腐渣工程”的证

据。见诸各种媒体的有关报导也很多，其中不乏专家权威的表态。而作为研究混凝土结构的专业人员，

决不能只靠现场观察

和道听途说就能判定。只有在全面客观地调查、分析和系统检测、鉴定以后，才能给出公正科学、实事求是的结论。

房屋倒塌的原因并不像媒体舆论宣传的那样简单，没有足够的理由认为破坏的主要原因就是“豆腐渣”（工程质量问题）。因为这些状如“豆腐渣”的混凝土，不可能是结构混凝土的原状。地震时遭受的反复作用；房屋倒塌时的坠落、撞击；抢救幸存者时的翻倒、肢解……，三次非设计工况的偶然作用使原结构中的混凝土早已开裂、破碎而面目全非了。由简单的现场观察就认定震前的结构混凝土是缺乏强度的“豆腐渣”，实在是证据不足。

检测现场结构混凝土的实体强度并非不可能。但通过回弹、超声等手段检测其推定强度很不可靠；通过钻芯取样确定的强度也不易准确。并且对已经遭受损伤（特别是内部损伤）的混凝土，上述测强的方法就更困难了。

另外，倒塌的大多是20世纪的早期建筑，缺乏必要的设计、施工、验收资料，因此很难就此作出确切的判断。即使存有当时的资料，施工验收所依据的“标准养护强度”又代表不了真实结构的实体强度……。因此要确定这些“豆腐渣”混凝土的强度，实际是很困难的。

1.2灾区的“卵石混凝土”

混凝土内部是通过“浆裹砂、砂裹石”形成受力骨架的。粗骨料（石子）必须被砂浆充分地黏结、包裹以后，混凝土才能够相互协调地整体受力。但震害调查中发现灾区某些构件的断面塞满了大小不等的河卵石，而鲜有用以黏结的混凝土浆体，呈现“卵石混凝土”的状态（图2）。显然这是大量掺入未经破碎河滩上卵石的结果。如果混凝土构件中塞满卵石，完全无法通过间隙中的浆体形成连续的混凝土材料而整体受力。混凝土结构理论中所有按匀质材料受力的基本假定对其均不适用。在地震作用下混凝土构件断裂、解体也就在所难免了。

1.3混凝土的施工质量问题

尽管混凝土的实体强度很难通过检测定量地确定，但强度很低的“豆腐渣”混凝土确实存在。通过观察颜色和质感，并用刻划等方法大体可以估计其实际强度。有的混凝土强度的确很低，与砂浆差不多。这些劣质混凝土大多是采用“经验配合比”拌制的混凝土，多半是20世纪早期在缺乏管理的情况下，农村建筑队施工的结果。

此外，混凝土施工浇捣不良造成外观缺陷的现象也很多。这种现象多以蜂窝、孔洞等明显的外观缺陷表现（图3）。当然这也多半发生在乡镇地区，是在20世纪缺乏管理、没有验收的情况下，野蛮施工的结果。2结构中配筋混凝土的作用

2.1砖混结构倒塌的分析

汶川地震中钢结构因其轻柔而基本经受住了考验；矮、轻、柔的木结构房屋震害也很轻；石砌及生土建筑因其低、矮也损失不大；混凝土结构有些破坏，容后详述；而砖混结构房屋震害最为严重，多有倒塌，是引起伤亡的主要原因。

砖混结构中的脆性砖砌墙体是承重构件，又是水平地震作用下唯一的抗侧力构件。由于其抗弯-剪的能力很低，还缺乏有效的约束，因此难免裂缝、破碎、倾覆、倒塌（图4）。并往往引起楼盖解体、楼板下坠的次生破坏。故汶川地震以后，砌体结构和圆孔板颇受指责。

2.2混凝土框架结构的震害分析

与砌体不同，混凝土虽为脆性材料但可以通过配筋而承受拉力，获得一定的延性。因此，混凝土结构在汶川地震中表现良好。高层混凝土房屋基本都经受住了考验，一般的混凝土建筑也较少破坏。少量倒塌的多为无剪力墙的框架结构，包括多层轻型框架房屋或底框砖房。

细弱的框架底柱支托着上部厚重的各层现浇混凝土楼盖或砖混楼房，本身就呈头重脚轻的不稳定状态，又缺乏剪力墙或斜杆等抗侧力构件。在水平反复地震作用下难免引起单薄细弱底柱的压溃，从而造成房倒屋塌。图5是底柱倒塌后底框砖房上层下挫落地的情况；图6是多层框架倒塌后，各层厚重的现浇楼盖叠压的状况。

2.3配筋混凝土构件的围箍-约束作用

在砖墙中设置具有一定延性的配筋混凝土圈梁-构造柱；或配置钢筋（砖夹筋、拉结筋），则通过对砌体的围箍-约束作用，有效地提高了砌体的延性和能量耗散能力[2]，使其能够经受住地震作用而不至倒塌。图7为在圈梁-构造柱的围箍约束作用下，砖砌墙体受损的情况。像这种“裂而不倒”的砖混结构房屋在灾区随处可见，这是与唐山震害的最大不同

。

同样单薄的混凝土柱，如果有足够的配箍进行围箍-约束，则即使芯部混凝土裂缝、破碎了，但在强有力的箍筋捆绑约束下，还可以不至压溃而继续承载。这就像完全没有强度的散体砂子，装入同样没有强度的易拉罐并塞紧以后，就具有了承载能力一样。

3约束混凝土的潜力

3.1混凝土柱破坏现象的分析

混凝土是脆性材料，几乎不能承受拉力，柱子受力后同样会开裂、破碎、压溃、散落而丧失承载能力。图8的混凝土柱纵向受力钢筋配置不少，但箍筋直径小且间距大，地震时混凝土破碎、撒落以后，纵筋受压屈曲而完全丧失了承载能力。

与此对比图9的柱子加强了配箍。尽管在地震作用下柱底混凝土已开裂、破碎，但在箍筋的围箍约束下“裂而未散”，保持了一定的承载能力。而起到捆绑约束作用的箍筋己被张开，甚至拉断。由此可见箍筋在混凝土柱抗震中的重要作用。

3.2混凝土力学与多轴强度准则

传统混凝土结构理论是基于混凝土单向受力状态建立的，而实际结构中的混凝土多处于多向应力状态下。混凝土力学发展形成的“混凝土多轴强度准则”表明：在三轴受压应力状态下，侧向压应力对其抗压强度有很大的提高（图10）。当主压力与侧向压应力比值为0.1、0.2、0.3时，其抗压强度可分别提高到1.8倍、3倍和5倍。同时，破坏时的延性也有明显改善。因此考虑多轴应力状态可以开发约束混凝土抗力的巨大潜力。

3.3约束混凝土的巨大潜力

如混凝土柱配有密集的箍筋，当构件受压因波桑比而侧向膨胀时，箍筋的围箍约束作用形成了对芯部混凝土的被动侧压。这种侧压大大提高了混凝土的抗压强度，并改善了其延性（图11）。这种混凝土抗力的提高并非源于材料性能的提高，而在于应力状态的改变。实际上是以箍筋的抗拉强度换取芯部混凝土抗压强度提高及延性改善的一种手段而已。

混凝土三轴受压强度的提高通常用“侧向约束”的概念说明，侧向约束限制了混凝土受压后的横向变形，

包括限制了混

凝土内部裂缝的产生和发展，从而提高了混凝土在受压方向上的抗压强度。震害调查中，灾区的许多柱子尽管混凝土已经裂缝、破碎，但由于密集配箍的围箍约束而并未倒塌，就是这种被动侧压造成约束混凝土抗力提高的明证。

3.4围箍约束的构造措施

阪神地震、南投地震以后，日本、我国台湾和部分省区的学者都致力于改进柱的配箍，以期提高其抗力。经科研试验以及工程应用，已取得了重大进展。表现为两个方面：大力提高箍筋强度，最高已达1000MPa左右；采用连续螺旋箍筋或焊接封闭箍筋以加强围箍-约束作用（图12）。目前这方面的探索正在深入，希望达到与钢管混凝土相似的效果。

4混凝土实体强度的检测与验收

4.1结构抗力与混凝土实体强度

震害调查表明，由于结构破坏后混凝土的强度很难检测，因此重点应转向混凝土施工质量的控制及强度验收。但是由于混凝土强度增长条件（龄期、温度、湿度、承载情况）的不同，标准养护强度是“材料强度”[3]，只反映拌合物的质量而难以反映施工工艺和养护条件的影响，不代表结构中混凝土的实体强度。也不是设计者要求的强度目标，难以反映真正结构的抗力。因此有必要对混凝土的实体强度及验收方法进行更深入的探讨。

4.2混凝土实体强度的讨论

试验研究表明[4]：结构中混凝土的实体强度不是一个值而是一个“域”：结构芯部的强度较高，而由同条件养护试件代表的结构表层强度较低，标养强度界于两者之间。结构的体量越大，实体强度域的范围就越宽（图13）。因此以同条件养护强度验收是偏于安全的。

4.3混凝土强度施工验收现状

目前世界各国均以标准养护试件来验收结构混凝土的强度。由于标养强度只能控制拌合物的质量，施工环境与理想养护条件引起的强度差异，则用加强施工管理和确定的折算系数反映。在我国施工质量较差的情况下，结构实体强度通常很离散，且有可能偏于不安全。

我国施工单位有利用同条件养护试件强度控制施工工序（拆模、承载、张拉预应力等）的传统。这说明已经认识到：同条件养护强度比标养强度更接近结构的实际强度。在此基础上通过试验研究，提出了用同条件养护强度验收混凝土实体强度的方法，以保证工程质量。

4.4混凝土实体强度的检测与验收

调查统计表明：靠回弹、超声等方法检测其他物理量（硬度、密实度等）而间接推定的强度很不可靠。混凝土是地方性材料，加上大量加入掺合料（粉煤灰等），推定的不确定性很大。全国通用的标准并不准确，应通过系统试验建立地方（或企业）专

用标准解决。钻芯测强伤害结构，且芯样混凝土已受到扰动，加上试验操作的影响很大，也存在测不准的问题。因此上述方法只能作为没有立方体试件时，不得已检测混凝土实体强度的辅助手段。

为反映施工环境对强度增长的影响，GB50204—2002《混凝土结构工程施工质量验收规范》规定：采用以累积成熟度（600℃·d）确定的等效养护龄期和强度折算系数（1.1）来验收工程结构实体强度的方法。工程应用实践表明，这对于保证施工质量和结构安全是有效的，并且检测验收方法可操作性好，应用并不困难。对于早期尚未解决的冬期施工混凝土和蒸养混凝土的实体强度检测验收也通过近期试验研究提出了解决方法[5-6]。

汶川地震暴露出来的混凝土质量问题提醒：与其灾后检测，不如加强早期质量控制和施工期结构混凝土实体强度的检测和验收。

5结构混凝土的发展

5.1混凝土结构的优势及发展

混凝土材料的可塑性强，并且由于配筋而获得了较好的承载能力和延性，因此混凝土结构大体经受住了汶川地震的考验。对于调查中暴露出来的问题（框架底柱压溃和装配楼板解体等），也不难通过试验研究和改进设计加以解决。因此可以乐观地预言，由于适合中国的国情，混凝土结构作为主要结构形式还将在今后的基本建设中继续得到广泛应用。

5.2高强-高性能混凝土的应用

由于过高的混凝土强度对材料、工艺要求苛刻，经济效益并不有利（图14），因此目前设计规范规定的强度等级上限C80大致是合适的。希望建材方面继续努力，提高强度，改善性能（控制脆性），降低造价，并对混凝土材料的力学性能进行系统试验研究（包括构件试验），提供相应的设计参数，争取尽早列入设计规范。

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5.3混凝土的体积稳定性

混凝土一个亟待解决问题的是体积稳定性问题。预拌混凝土泵送、免振带来的施工工艺改革是技术进步，但收缩-徐变引起的约束应力和裂缝，以及预应力损失等问题，严重困扰了混凝土结构的应用。尽管有些间接裂缝基本不影响受力性能，但引起用户的不安全感却很难处理，故应尽力予以解决。

5.4约束混凝土的研究与开发

约束混凝土的巨大潜力已引起越来越多的关注，对混凝土提供围箍-约束可能比单纯提高其强度更有效，因为还同时改善了构件的延性。转变单向受力的传统观念，利用混凝土力学和多轴强度准则，探讨结构中多轴应力状态下混凝土的力学行为，具有重要的理论价值和实际意义。6结束语

长期从事混凝土结构的试验研究和规范编制，主要从结构的角度对混凝土提出了具体的要求。希望能向建材方面的专家学习，共同探讨和开发混凝土材料和混凝土结构，使之更好地适应我国大规模基本建设的需要。

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作者简介：徐有邻（1943-），男，博士，研究员，教授。

单位地址：北京北三环东路30号中国建筑科学研究院（100013）

联系电话：010-********

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作者简介：杨长辉（1965-），男，教授，博士生导师，主要从事建筑材料研究。

单位地址：重庆大学材料科学与工程学院（400045）

联系电话：136********

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