巴东5.1级地震震害分析*

李 恒 张静波 杨 勇

1)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071 2)中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉 430056

巴东5.1级地震震害分析*

李 恒1)张静波2)杨 勇1)

1)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071 2)中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉 430056

巴东5.1级地震造成大量简易房屋不同程度的破坏。土坯结构的典型震害特征为局部倒塌和竖向开裂，石砌体结构的典型震害特征为局部倒塌和局部垮落。对震中附近记录到的地震波分析结果表明，地震动的高频成分极为丰富，卓越周期约为0.1 s，与单层简易房屋自振周期吻合，而共振效应是单层简易房屋震害重于其他柔性结构的重要外因;灾区简易房屋普遍存在的结构体系稳定性差、构件强度不足、节点连接弱等缺陷是震害较重的内因。

巴东地震;震害分析;抗震设计;地震动加速度;自振周期

对巴东5.1级地震的现场调查显示，地震造成的破坏范围涉及恩施土家族苗族自治州巴东县和宜昌市秭归县。地震烈度Ⅵ度及以上面积约250 km2，极震区(Ⅶ度)面积约7.7 km2。本文将根据房屋建筑震害调查资料，对简易房屋建筑的震害特点进行初步分析。

1 居民房屋结构分类

地震灾区房屋类型以砖混房屋、土墙木屋架的土坯房和碎石(片石)砌筑房屋为主，部分为框架结构，主要集中在巴东县城。其中，砖混房屋以普通砖混平房和多层砌体结构为主，部分设置圈梁，少数设置构造柱和圈梁。

1)土木结构。土墙木屋架的土坯房多数修建于20世纪60至70年代，少数修建于近10 a。老旧的土坯房在地震中受损较重，特别是在极震区，而较新的房屋破坏相对较轻。

2)碎石(片石)结构。碎石结构房屋的抗震性能比土坯房更差。地震中，这类房屋出现局部垮落现象，并且由于石头不规则，其维修难度大。片石结构采用的砌筑材料优于碎石，呈片状但表面不平整且大小不一，在地震中受损程度略轻于碎石结构。

2 震害现象

按照建筑物地震破坏等级划分标准［1］及文献［2］部分条文，根据房屋震损程度将震后房屋分为基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和倒塌5个等级。

2.1 土坯房

在地震灾区农村，土坯房比较常见，墙的内外材料用的都是泥土，根据成墙方法又可分为两类:一类是先手工做成土砖，然后砌成土砖墙;另一类是直接将泥土放入模具内分层夯实成墙。

土坯房在地震中受损较为严重，表现为两类破坏形式:1)墙体倒塌或局部倒塌(图1);2)墙体竖向开裂或老裂缝加宽(图2)。经统计，在极震区(Ⅶ度)内，土坯房震损程度达到中等破坏及以上的比例达27%。土坯房的另一个典型震害特点是几乎所有的裂缝都是从顶部向底部竖向延展，极少出现横向或斜裂缝，贯通房屋全高的竖裂缝多出现在纵横墙交接处。另外，破坏较重的老旧土坯房一般修建时间较早，而在近10 a内修建的新房屋则破坏相对较轻。

图1 土坯墙倒塌Fig.1 Collapsed adobe wall

2.2 碎(片)石房

图2 土坯房严重破坏(竖向裂缝扩展)Fig.2 Extended vertical crack of adobe wall

图3 碎石砌筑房屋严重破坏(局部倒塌)Fig.3 Partial collapse of rubbly masonry structure

地震极灾区属山地地形，石材是比较容易获取的建筑材料，碎(片)石房屋占有较大比例。碎石结构用形状不规则、大小不一的石头垒砌而成，一般采用泥浆或石灰砂浆作为黏合剂，其抗震性能甚至比土坯房更差。片石结构采用的砌筑材料优于碎石，呈片状，墙体整体稳定性略好，在地震中受损程度略轻于碎石结构。此次地震中，碎(片)石结构的房屋严重受损的比例高于土坯房，表现为局部倒塌和局部垮落。由于石块的不规则性，其维修难度大。

3 震害特点分析

3.1 地震动因素

震后我们取得了距震中6.9 km的金子山地震台(东经 110.4°、北纬 31.02°)的地震动数据，加速度峰值(PGA)达到132 cm/s2，而速度峰值(PGV)仅为2.1 cm/s，具有高频成分丰富而中低频成分衰减较快的特点。地震动加速度反应谱计算结果如图4所示。郝敏等［3］的研究表明，地震动加速度峰值(PGA)能够非常好地表征对短周期脆性结构的破坏势;而有效加速度峰值(EPA)能够体现地震动对高层砌体结构的潜在破坏势。金子山台站记录的有效加速度峰值(EPA)仅为40.9 cm/s2，远小于加速度峰值(PGA)。理论上，此次地震近场范围内刚度大、自振周期短的结构破坏较重，而自振周期较长的结构则受损较轻。现场调查结果与理论分析吻合，所有倒塌和局部倒塌的房屋均为单层简易房屋，4层及以上的多、高层建筑几乎没有受到地震破坏。

图4 巴东地震记录的加速度反应谱(5%阻尼比)Fig.4 Acceleration spectra of ground motion of Badong earthquake(5%damping)

对反应谱分析，在周期小于0.1 s的短周期部分，金子山台站记录的反应谱显著大于罕遇地震反应谱，而单层土坯房、碎(片)石砌筑房屋和砖砌房屋的自振周期大约为0.1 s。因此，共振效应使得单层简易房屋震损较重。从图4可以看出，周期大于0.3 s时，金子山台站记录的反应谱低于设防地震反应谱。由此可见，巴东地震近场范围内地震动对多、高层结构和其他中长周期结构的影响较小。我们在震中附近现场调查中发现一栋弃用的木结构房屋，建造年代久远，但并未受损。木结构为柔性结构，具有长周期结构特点，受本次地震影响较小。

3.2 材料与结构因素

灾区的简易房屋普遍存在结构体系稳定性差、构件强度不足、节点连接弱等缺陷。结构体系稳定性差体现在简易房屋均没有设置构造柱和圈梁，而构造柱和圈梁可明显提高房屋的整体性。构造柱可以增加房屋的抗剪强度，对墙体起到约束作用，提高其变形能力;圈梁则可以提高楼盖的水平刚度，增强纵、横墙的连接［4－5］。构件强度不足指的是石块的抗剪强度差，土坯的抗剪、抗拉(抗弯)强度都很低，土坯房的竖向裂缝便是其抗拉(抗弯)强度极低的表现。节点连接弱则体现为墙角无拉结，门、窗、洞口未设置过梁。

此次地震中土坯房震害的一个主要特点是老裂缝的扩展、延伸。老旧土坯房由于多年周期性温度变化反复收缩、膨胀，或地基不均匀沉降，墙体出现裂缝。这些裂缝大多不影响结构承载能力、稳定性和刚度，但在地震后显著扩展并危及房屋安全。近年来新建的土坯房由于墙体自身裂缝较少，经受住了此次地震的考验。因此，材料延性差、抗拉和抗剪强度低是土坯房抗震能力弱的主要原因。

对于碎(片)石砌体结构，材料本身属于脆性材料且表面不规则，抗震性能较差;砌体间靠砂浆黏结，黏结性能差，抗剪性能低，使结构整体性低。石砌体结构的抗震能力主要取决于砌体墙厚度、黏结强度等级以及砌筑质量［6］。现场调查显示，倒塌的墙体厚度明显偏薄(仅约120 mm)，增大墙体厚度则可避免倒塌发生而使墙体完全丧失承载能力。砌体之间靠泥或石灰砂浆黏结，黏结强度较低且随时间逐渐衰退。调查发现，少数采用水泥砂浆作为黏结剂的石砌体结构破坏明显较轻。

4 结论与建议

巴东5.1级地震引起的地面强震动高频成分极为丰富，中低频成分迅速衰减，地震动卓越周期约为0.1 s，与单层简易房屋自振周期吻合，共振效应是单层简易房屋震害重于其他柔性结构的重要外因。灾区简易房屋普遍存在的结构体系稳定性差、构件强度不足、节点连接弱等缺陷，则是其震害较重的内因。

考虑到湖北西部地区广大农村的经济现状，完全否定土坯房是不切实际的。尽管土坯房抗震性能不佳，但具有就地取材、因地制宜、技术简单、保温与隔热性能优越和经济实用的特点［7］。因此，通过改良土料、合理设计来提高土坯房抗震性能具有现实意义。研究表明，在生土中填充部分加筋材料(如稻草、麦秸等)可显著增加墙体延性，提高其抗弯和抗剪能力［8］。采用木柱、梁-土坯组合墙结构体系可提高土坯房屋的抗震能力，且造价增加不大。有限元分析结果表明，只要注意木柱、梁和土坯墙体之间的连接和土坯砌筑方式，土坯墙体完全可以满足VI～VII度区的抗震设防要求［9］。

建议全面禁止采用泥或石灰砂浆作为黏合剂砌筑碎(片)石房屋。当采用石块作为建筑材料时，需满足以下条件:1)采用水泥砂浆黏结;2)配置钢筋混泥土构造柱和圈梁;3)墙体厚度不小于360 mm;4)房屋高度不超过2层。

1 GB/T 24335-2009.建(构)筑物地震破坏等级划分［S］.(GB/T 24335-2009.Classification of earthquake damage to buildings and special structures［S］)

2 GB/T 17742-2008.中国地震烈度表［S］.(GB/T 17742-2008.The Chinese seismic intensity scale［S］)

3 郝敏，谢礼立，李爽.砌体结构的地震动潜在破坏势研究［J］.哈尔滨工业大学学报，2007，39(10):1 652 －1 655.(Hao Min，Xie Lili，Li Shuang.Study on the damage potential to masonry structures of earthquake ground motions［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2007，39(10):1 652－1 655)

4 彭小芹，马铭彬.土木工程材料［M］.重庆:重庆大学出版社，2002.(Peng Xiaoqin，Ma Mingbin.Civil engineering materials［M］.Chongqing:Chongqing University Press，2002)

5 洪海春，等.江苏高邮、宝应Ms4.9地震现场震害调查与破坏原因研究［J］.震灾防御技术，2013，8(3):283 －291.(Hong Haichun，et al.Field investigation and research on damage cause of Gaoyou-Baoying Ms4.9 earthquake in Jiangsu Province［J］.Technology for Earthquake Disaster Prevention，2013，8(3):283 －291)

6 曲哲，钟江荣，孙景江.芦山7.0级地震砌体结构的震害特征［J］.地震工程与工程振动，2013，33(3):27 －35.(Qu Zhe，Zhong Jiangrong，Sun Jingjiang.Seismic damage to masonry structures in M7.0 Lushan earthquake［J］.Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2013，33(3):27－35)

7 闫增峰，赵敬源，刘加平.生土建筑围护结构表面吸放湿过程实验研究［J］.长安大学学报:建筑与环境科学版，2003，20(4):16 － 19.(Yan Zengfeng，Zhao Jingyuan，Liu Jiaping.Experimental study on moisture absorption and desorption process of adobe building envelope［J］.Journal of Chang’an University:Arch.＆ Envir.Science Edition，2003，20(4):16－19)

8 王毅红，等.生土结构的土料受压及受剪性能试验研究［J］.西安科技大学学报，2006，26(4):16 －19.(Wang Yihong，et al.Experiment on shear properties and compressive properties of earth material of raw-soil structure［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology)，2006，26(4):16－19)

9 阿肯江·托呼提，亓国庆，陈汉清.新疆南疆地区传统土坯房屋震害及抗震技术措施［J］.工程抗震与加固改造，2008，30(1):82 － 86.(Akenjiang Tuohuti，Qi Guoqing，Chen Hanqing.Seismic damage and seismic countermeasures of Xinjiang traditional adobe house［J］.Earthuqake Resistant Engineering and Retrofitting，2008，30(1):82 －86)

SEISMIC DAMAGE ANALYSIS OF BADONG EARTHQUAKE

Li Heng1)，Zhang Jingbo2)and Yang Yong1)
1)Key Laboratory of Earthqake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071
2)China Communications Second Highway Consultant Co.Ltd，Wuhan430056

Badong Ms5.1 earthquake in Hubei province caused various damages of simple buildings.The typical damage characteristics of adobe structures mainly includes partial collapse and vertical crack.While the damage patterns of masonry structures partial collapsing and falling.The analysis result of strong ground motion of the Earthquake show that ground motion concentrates in high-frequency contents and its predominant period is of 0.1 s，which might lead to heavy damage of one-storey simple structures.Poor stability of structure system of simple houses，insufficient intensity of components，and weak connection of nodes are the intrinsic factors of seismic damage.

Badong earthquake;seismic damage investigation;aseismic design;ground motion acceleration;natural period of vibration

P315.9

A

1671-5942(2014)03-0020-03

2014-03-09

国家自然科学基金项目(41004020)。

李恒，男，1980年生，高级工程师，主要从事地震工程研究工作。E－mail:liheng@eqhb.gov.cn。