《四川省农村居住建筑抗震技术规程》解析

2015-03-24肖承波高永昭陈雪莲李德超

四川建筑 2015年6期

关键词：农居砌块砌体

肖承波，吴体，高永昭，陈雪莲，李德超

(四川省建筑科学研究院，四川成都 610081)

《四川省农村居住建筑抗震技术规程》解析

肖承波，吴体，高永昭，陈雪莲，李德超

(四川省建筑科学研究院，四川成都 610081)

历次大地震震害经验表明，农居房屋的震害及其带来的人员伤亡和财产损失最为惨重，抗震设防区的农村居住建筑必须进行抗震设防，已成为政府强制性要求。文章结合四川省典型的农居房屋震害及其分析，介绍了《四川省农村居住建筑抗震技术规程》制定的基本思路和要求，以期牢固树立农居房屋的抗震防灾意识，掌握农居房屋抗震设计概念和基本要求，达到加强和提高农居房屋抗震能力。

农居房屋；抗震；规程

四川在经历了汶川特大地震后，又遭遇了玉树地震、芦山地震等多次地震的袭击，在历次地震中农村居住建筑震害最为惨重。据有关震害调查资料表明，2008年的汶川特大地震中，仅成都、德阳、绵阳、广元、雅安、阿坝六个重灾区的农村房屋倒塌就占城镇倒塌房屋的81.33%。2013年的芦山大地震中，整个雅安灾区遭严重破坏、倒塌或损毁的农房达15.58万户。其中龙门乡、清仁乡、宝盛乡、双石镇、太平镇农房几乎全部毁损，宝兴县灵关镇罗家村的177户农房中，只有1户农房可以使用，其余均为严重破坏，不具有修复加固价值。农房毁损十分严重的主要原因在于：长期以来农村建房缺乏抗震意识，缺乏房屋抗震技术标准，缺乏抗震技术培训和有效的监管机制等等。

早在2006年，四川省住房城乡建设厅颁布了由四川省建筑科学研究院编制的了《四川省农村居住建筑抗震设计技术导则》，这是在全国较早制定的一本指导农居房屋抗震设计的专项技术导则。汶川特大地震后，结合农居房屋的震害调查分析，又及时对该技术导则进行了修订和颁发。农居房屋的震害用惨重的代价再次告诫我们，抗震设防区的农居房屋必须进行抗震设防。为此，四川省人大、政府相继制定了相关的法律、法规文件，要求加强对农村自建的低层居住建筑抗震设防的管理，完善其抗震设防技术标准，加强对其建设、规划、设计、施工人员的培训。四川省建筑科学研究院在既有的工作成果和新的震害调研基础上，同有关单位共同编制了《四川省农村居住建筑抗震技术规程》(DBJ 51/016-2013)[1](以下简称规程)，并由四川省住房和城乡建设厅批准为地方强制性标准。

1 规程的意义、适用范围及基本原则

1.1 规程的意义和适用范围

四川省是多地震省份之一，地震活动居全国第五。龙门山断裂带、鲜水河断裂带与安宁河断裂带所形成的“Y”字形区域一直被国家确定为地震重点监视防御区。全省181个县(市、区)中有168个位于地震烈度6度及其以上的抗震设防区，占93%。如前所述，长期以来，农居房屋缺乏抗震意识，缺乏房屋抗震技术标准，缺乏抗震技术培训和有效的监管机制等等，导致量大面广的农居房屋不具抵御地震袭击的能力。规程的目的则是：针对四川农村自建的低层居住建筑的实际情况，为使农村居住建筑经抗震设防后，减轻农村居住建筑的地震破坏，避免或最大限度地减少人员伤亡和减少经济损失，提供适用的技术支撑。为此，规程强制性条文规定：抗震设防烈度为6 度及以上地区的农村居住建筑必须采取抗震措施。由此可见，规程的意义在于：针对四川广阔的抗震设防区的农居房屋，提供了强制性的抗震技术标准支撑。

根据原建设部《关于加强村镇建设工程质量安全管理的若干意见》规定，农村自建三层及其以上、建筑面积超过300 m2以上的居住建筑，均应严格按照国家有关法律、法规和工程建设强制性标准实施监督管理。因此，规程则是针对抗震设防烈度为6 度、7 度、8 度和9 度区的村民自建两层(含两层)以下，且单体建筑面积不超过300 m2的居住建筑抗震设计、施工与验收的抗震技术规定。

1.2 农村居住建筑的抗震设防目标

建筑的抗震设防目标是指建筑遭遇不同水准的地震影响时，对结构构件、使用功能损坏程度及人身安全控制的总要求。规程对农居房屋的抗震设防目标表述为：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不修理可继续使用；当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，主体结构可能发生损坏，经一般性修理仍可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，主体结构不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。农居房屋虽然体量小、造价低，但却是村民生活时间最长、最频繁和财产积聚的场所，因此，其抗震设防目标应与现行国标《建筑抗震设计规范》[2](以下简称规范)确定的“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准基本抗震设防目标保持一致。考虑到农村建房的经济条件和房屋建造等实际情况的差异，对于遭遇“设防地震”和“罕遇地震”的损坏，以及震后修理估计的表述，较现行的规范[2]表述稍重些，即便如此，也是在“三水准”设防目标的控制范围内，体现“以人为本”的基本安全原则。

1.3 选择有利的建设场地是抗震安全的首要环节

历次地震震害表明，地震及次生灾害造成建筑的破坏，除地震动直接引起结构破坏外，另一重要的原因则是场地条件，在具有不同工程地质条件的场地上，建筑物的灾害程度是明显不同的。汶川地震中地震地质灾害尤为严重，青川县红光乡东河口村发生大滑坡，滑坡纵向长度约3 000 m，横向宽度最长约600 m，高40～80 m。滑坡造成220多户700多人受灾，其中死亡14人，310人失踪。汶川地震在地表破裂带经过之处，所有的山脊水系和人类建筑均被错断毁坏，并形成大量的滑坡、山崩、泥石流等地质灾害，与之相对应的地表均是震灾最严重的地方。

无可非议，勘明建筑场地的地震危险性，避开在危险地段建造房屋，以及合理地选择有利建筑场地及地基，是避免或减轻地震或次生灾害对建筑物破坏的首要环节。该规程对农房建设选址提出要求，应尽量选择建筑抗震有利地段(稳定基石，坚硬土，开阔、平坦、密实、均匀的中硬土等)；避开危险地段(地震时可能发生滑坡、崩塌、泥石流部位)；对不利地段(软弱土，液化土，条状突出的山嘴，高耸孤立的山丘，非岩质的陡坡，河岸和山坡的边缘，平面分布上岩土性质状态明显不均匀的土层：如古河道、疏松的断层破碎带、暗埋的塘浜沟谷和半填半挖地基等)应先查明场地状况，有针对性地采取处理措施后方可建设。

1.4 立足农村居住建筑实际，以抗震概念设计和加强抗震构造措施为主，减少抗震计算

考虑到农村一般技术人员或工匠的技术水平的现实情况，规程尽可能避免和减少繁琐的抗震计算，多从抗震概念设计和加强抗震构造措施的途径，保证房屋的抗震安全。规程针对四川农村典型且量大面广的农居房屋的结构类型、平立面布置，提出了不同抗震设防区合适的房屋高度、层高、抗震横墙间距、墙体厚度及局部尺寸、建筑材料强度等级等，并通过抗震验算后确定为规程相关规定。因此，除规程有明确规定外，一般情况下可不再进行抗震计算。如规程规定6度设防的预制或现浇混凝土楼盖砖砌体房屋的抗震横墙最大间距为7.2 m，这是根据四川农居房屋的开间距多为3.3 m、3.6 m的实际情况提出的，单从楼盖刚度传递地震作用力来考虑横墙间距，则对实际中的农居房屋没有实际意义。就构造柱、圈梁的设置而言，规程较规范要严，即使在6度区也要求在外墙转角、房屋四大角、楼梯间四角处设置构造柱，在房屋檐口处设置圈梁。这些规定均从四川农居房屋的实际出发，以建筑抗震概念和抗震构造为主，达到抗震设防的基本安全目标。

2 规程的基本规定

2.1 地基基础

针对四川量大面广的农居房屋多以墙体承重和木构架承重的实际状况，要求宜采用浅埋的无筋扩展基础，包括砖砌体基础、混凝土小砌块砌体基础、毛石基础、灰土和三合土基础等，不应采用蒸压灰砂砖和蒸压粉煤灰砖基础。规程规定：砖基础砖的强度等级不应低于MU10，砌筑砂浆强度等级不应低于M5 的水泥砂浆；混凝土小型空心砌块基础的块材强度等级不低于MU10，并用强度等级C20的混凝土将砌块的孔洞灌实，砌筑砂浆强度等级不应低于Mb5的水泥砂浆。灰土基础和三合土基础的抗水及抗冻性能较差，只适用于土质较好、地下水较低的地区。毛石基础应做成刚性基础，因此，规程通过限制基础台阶的宽高比来必须保证基础内产生的拉应力和剪应力不超过相应的材料强度设计值，同时规定砌筑砂浆应采用强度等级不低于M5 的水泥砂浆。对于农居房屋，一般情况下可不要求设置地圈梁。但当房屋依坡而建出现半挖半填土和地基可能出现不均匀沉降等情况时，宜设置基础圈梁。

2.2 建筑结构体系

规程针对四川农村较为普遍采用的砖砌体结构、混凝土小型空心砌块砌体结构、木结构、生土墙结构和毛石墙结构等房屋结构体系，提出了具体的抗震措施。对房屋结构体系的规定为：7 度及以上时，不应采用生土墙承重的结构体系；8 度及以上时，不应采用毛石墙承重的结构体系；严禁采用空斗砖墙承重的结构体系。空斗墙体的砖块之间砂浆粘结面不到实心砖墙的一半，加之空斗墙体纵横墙、内外墙交接薄弱，其房屋的抗震性能极差，震害均较其他承重结构房屋的震害要重得多，因此，在抗震设防区应禁止采用。

农居房屋中采用不同材料构件混合承重的房屋较为普遍。如有的穿斗木结构房屋的两端省去端排架，而采用砖砌体或混凝土小型空心砌块砌体作为承重山墙；有的采用木柱与砖柱混合、木构架与砖砌体混合的承重结构；有的采用砖、小砌块、土坯砖和夯土墙混合墙体等。震害调研表明，这些房屋的震害表现多为端开间倒塌、不同材料连接部位严重开裂、错位、局部塌落(图1、图2)。因此，规程强调了建筑结构体系不应混杂，承重结构应采用相同材料构件；结构体系应具有简明、合理的受力和传递地震作用的途径；应具备必要的抗震承载能力、良好的变形能力和消耗地震能量的能力；应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力；对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力或者考虑多道抗震防线。

图1 砖木混杂结构房屋的震害

图2 小砌块木混杂结构房屋的震害

2.3 砌体墙承重房屋的墙体抗震要求

2.3.1 墙体厚度、材料强度等级要求

历次调研发现，砖和小砌块砌体的农居房屋中多为横墙承重结构，单层房屋多采用120 mm厚的砖墙，或采用120 mm厚、140 mm厚的混凝土小型空心砌块墙体；两层的砖砌体房屋的承重墙多采用组砌的180 mm厚砖墙，纵墙和内隔墙因不承受结构竖向荷载而多采用120 mm厚砖墙；两层的小砌块房屋多为140 mm厚的墙体。由于120 mm厚砖墙、140 mm厚小砌块墙体自身稳定性较差，组砌的180mm厚砖墙中立砖与卧砖的粘结难以保证等原因，导致这些薄墙在地震作用下出现大量倒塌的震害(图3～图6)。

图3 组合180 mm厚砖墙砌筑及破坏

图4 120 mm厚砖墙砌筑及破坏

图5 小砌块房屋破坏

图6 120 mm厚小砌块

综合农居房屋震害及房屋体量小的特点，规程不但规定了墙体的厚度，而且采用区分不同抗震设防烈度对砌体块材的强度等级、砌筑砂浆强度等级提出不同的要求(表1)，从而更为科学合理、安全可靠、经济适用。

2.3.2 墙体的开洞与墙肢宽度的抗震要求

震害经验表明，控制墙体上的开洞率、宽度和均匀布置，是避免因局部墙体的失效导致房屋倒塌的有效措施。房屋设置过大的门窗或门带窗，以及房屋底层一侧的纵墙上开大门洞，甚至完全取消纵墙，以用作营业的小商店的作法，忽视纵墙在地震中是抗御纵向地震作用的关键结构构件，其结果是导致房屋相当惨重的震害(图7、图8)。规程结合地震震害经验以及建筑抗震科研试验成果，规定横墙承重的房屋的横墙上门窗洞口所占的水平横截面面积不应大于总截面面积的25%；纵墙上门窗洞口所占的水平横截面面积不应大于总截面面积的50%。横墙和内纵墙上的门窗洞口宽度不宜大于1.5 m；外纵墙上的洞口宽度不宜大于1.8 m 或开间尺寸的一半中的较小值。当开门窗洞口过大而削弱墙体截面时，应对墙体采取加强措施。

表1 四川农居房屋砌体材料强度等级和厚度的抗震要求

注：石砌体房屋的材料强度等级抗震要求详见该规程相关要求。

图7 宽度过窄窗间墙房屋的震害

图8 宽度过窄门窗间墙房屋的震害

2.3.3 第二层外纵墙外延的砌体房屋抗震加强措施

四川砖和小砌块砌体的农居房屋，以第二层外纵墙外延的建筑形式较为典型和普遍，特别是在村庄、集镇的沿路、沿街的农居房屋。这种形式的农居房屋方便了农民的生活、经营、生产的习惯，较受农民的欢迎。但由于第二层外纵墙外延，使底层外纵墙与第二层外纵墙上下不连续，以及底层纵向两侧墙体的布置差异较大，导致地震作用传力途径不合理，纵向抗侧向能力薄弱(图9、图10)。规程采用了四川省建筑科学研究院对这类典型农居房屋的研究成果，针对这类结构的薄弱环节采取了加强措施，规定砖砌体房屋第二层外延纵墙与底层纵墙的轴线外延尺寸为：6 度时不应大于1.2 m(小砌块结构不应大于1.0 m)，7 度时不应大于1.0 m(小砌块结构不应大于0.8 m)，8 度时不应大于0.6 m(小砌块结构不应大于0.5m)，9 度时不应外延。并且，在砌体块材和砌筑砂浆的强度等级，楼盖、屋盖、悬挑梁板及锁口梁的材料强度等级和构造措施，抗震横墙间距，外延纵墙一侧底层外纵墙肢宽度，圈梁和构造柱设置等均规定了相应的加强措施。

图9 外纵墙外延的农居房屋

图10 外纵墙外延房屋的震害

2.3.4 加强圈梁、构造柱等抗震构造，是提高房屋抗震能力行之有效的措施

汶川、芦山地震再一次证明，设置圈梁和构造柱对于提高砌体结构房屋的整体性和抗震能力是行之有效的抗震措施。房屋墙体的四大角、楼梯间是房屋抗震的薄弱环节，震害最为常见(图11)，楼梯间又是人员疏散极为重要的安全通道。因此，规程规定房屋檐口处应设置圈梁，房屋的四大角和楼梯间的四角应设置构造柱，作为圈梁和构造柱的基本设置要求，并随房屋抗震设防烈度、房屋层数、墙体平面布置的不同而规定不同的设置要求。如对于砖砌体房屋，规程规定6 度、7 度时，在屋盖檐口处的墙顶应设置圈梁；8 度、9 度时，在屋盖檐口及楼盖处的墙顶均应设置圈梁。砖砌体房屋构造柱的设置如表2。

图11 未设构造柱房屋的震害

针对农房震害特点，规程还要求楼梯间不宜设在房屋的尽端和转角处，且不应采用板式单边悬挑楼梯的错误做法(图12)。8度时宜优先采用现浇钢筋混凝土楼屋盖，9度时应采用现浇钢筋混凝土楼屋盖等规定。

表2 砖砌体房屋构造柱设置部位要求

注：1.大房间指房间的开间为4.2m及其以上，较大洞口指洞口宽度在2.1m及其以上。

2.外墙转角指房屋平面为L形、T形等翼缘较大时，其平面折转处的外墙转角。

3.小砌块砌体房屋构造柱设置部位要求详见该规程相关要求。

图12 板式单边悬挑楼梯

2.4 木结构房屋

2.4.1 木结构房屋抗震基本要求

四川木结构农居房屋较为典型的是穿斗木构架房屋和具有藏区特色的崩科房，尚有少量的木柱木屋架、木柱木梁房屋。规程针对四川木结构农房的特点，提出了相适应的木结构用材的要求和相应的抗震构造措施。

传统的穿斗木构架房屋的墙体多为竹篱笆或木板，具有较好的变形能力和抗震性能。但现有的房屋中，将墙体改为砖砌体并嵌砌于木构架的框内，约束了木构架的变形；由于砖与木构架间无连接或仅靠砌筑砂浆连接，地震时不是砖砌体顶坏木构架，就是砖砌体掉落伤人。因此，规程要求穿斗木构架框内不应嵌砌砖、土坯等砌体。结合四川农村穿斗木构架房屋的实际，规程规定房屋木柱的横向柱距为：6 度、7 度时，不应大于4.2 m；8 度、9 度时，不应大于3.6 m。木柱的纵向柱距：6 度、7 度时，不应大于6.0 m；8 度、9 度时，不应大于4.2 m；房屋长度大于30 m 时，在中段且间隔不大于20 m 的柱间应设交叉或斜撑(图13[3])。规定了房屋两端应设置端屋架或木梁，不应采用木构架与砌体墙混合的承重结构体系；对木柱木屋架房屋的柱顶与屋架的连接处，应在屋架与木柱连接处加设斜撑并做好连接(图14[3])。

图13 木柱间木支撑的设置

图14 木柱与屋架加设斜撑

崩科房的“崩科”在藏语里意为“木头架起来的房子”，是藏区民间工匠在传承传统文化、民俗的基础上，结合地理环境等特点建成民族风格浓厚的建筑，主要分布在四川道孚、炉霍、甘孜、新龙、白玉、德格、金川、壤塘、木里等县境内。崩科房的承重结构为木柱木梁，围护墙的材料多数底层为夯土墙、土坯墙、毛石墙，二层为圆木或半圆木的木材。这类房屋的震害特点多为生土或毛石的围护墙垮塌、木构架严重歪斜或垮塌。提高这类木构架房屋的抗震性能，同样在于保证木构架的完整、木构件之间的可靠连接和处理好围护墙设置的三个关键环节。为此，规程要求木柱木梁的连接除隼接外，尚应设置梁托和扒钉或螺栓连接措施(图15、图16[3])。

图15 木柱木梁的连接(一)

图16 木柱木梁的连接(二)

2.4.2 木结构房屋围护墙的抗震要求

地震震害表明，木结构房屋的砖砌体、土坯砌体、毛石砌体和生土墙等围护墙的破坏，往往导致墙倒架歪斜甚至倒塌(图17、图18)。因此，规程规定木结构房屋的砌体或生土围护墙仅限于底层，第二层应采用轻质墙体材料。并且，底层砌体或生土围护墙应保证墙体自身的稳定，且应采用贴砌于木柱外的方式。围护墙与主体结构的连接应掌握的原则是：当围护墙的破坏可能通过连接件对主体结构产生安全影响时，连接件应先失效，断开围护墙将作用力传递到主体结构。规程还要求，底层毛石砌体或生土围护墙的木柱间应设置交叉木杆或水平木杆等支挡措施，用于防止底层围护墙向内倾倒伤及人员。

图17 夯土围护墙房屋的震害

图18 毛石围护墙房屋的震害

2.5 屋盖系统的抗震要求

农村砌体居住房屋中的屋盖多为小青瓦坡屋盖和预制板平屋盖。坡屋盖多为硬山搁檩，檩条直接浮搁在山尖墙的砖块或砌块上，檩条对接处也未加设锚钉连接。坡屋盖(屋架或硬山搁檩)很少设有竖向交叉支撑，因此，屋盖的震害较为普遍且严重(图19、图20)。

图19 屋盖震害

图20 山尖墙倾斜

规程要求木结构房屋应设置端屋架或木梁；8 度、9 度时，坡屋盖不应采用硬山搁檩；严禁在木屋架的木框内砌筑土坯、砖、混凝土小砌块；房屋两端开间屋架、中间隔开间屋架，应设置竖向交叉支撑(竖向剪刀撑)和纵向水平系杆；檩条应采用扒钉与屋架钉牢等。对硬山搁檩的坡屋盖，规定应设置斜向爬山圈梁(或配筋砂浆带)和檩条连接的要求(图21、图22[3])。采用顺坡的斜向圈梁、水平圈梁、竖向支撑等措施加强屋盖系统各构件的连接，提高屋盖的整体性和刚度，确保地震作用下山尖墙的稳定性，防止局部倒塌。

图21 檐口圈梁及爬山斜向圈梁

图22 木檩条与爬山配筋砂浆带连接

地震震害调研表明，传统的崩科房和木柱木梁的房屋多为平屋盖，其平顶木屋盖上覆300～500 mm的土，而且每次翻修时只去除表层土，却添加150～200 mm的新土，使得屋盖荷载越来越重，加重了房屋的震害(图23、图24)。因此，规程要求屋盖应采用轻质的防水保温屋面；当采用草泥、焦渣屋面时，其厚度：6 度、7 度时不宜大于150 mm，8 度、9 度时不宜大于100 mm，翻修时应清除原土层再覆新土。

图23 屋盖厚覆土房屋的震害(一)

图24 屋盖厚覆土房屋的震害(二)

2.6 生土墙房屋和石结构房屋

四川生土墙房屋的墙体土质黏性较差、杂质多，加之气候潮湿，因此，生土墙墙体材料性能最大的不利特性是强度低、耐候性差、易开裂等。墙体建造完后不久即逐步出现开裂，而且随着时间的推移和雨水的浸湿等，墙体开裂和毁损越往严重。再则，生土墙对连接件(无论是木材、钢筋、荆条还是竹材)几乎不具粘结握裹作用，使得墙体之间的连接件不起作用。在四川及云南历次地震中，生土墙房屋在6度时就出现较为普遍的墙体开裂，或者墙体震前的开裂越往加重，而且无法修补。7度时，严重破坏和倒塌的比例就不小(图25、图26)。据有关单位进行的生土墙缩尺模型墙体拟静力试验结果表明，在7度时已超过开裂荷载。试验结果和历次震害经验表明，生土墙的抗震性能太差，不宜在抗震设防区应用。随着我国改革开放的进程，农村经济条件得到了显著的改善，生土墙房屋已逐步趋于淘汰。鉴于四川农村生土墙房屋的状况和部分农村地区的经济条件所限的原因，规程将生土墙房屋限制在6度区的单层，并且要求采用改良的灰土土料制作墙体，不采用原始土料的生土墙房屋。

图25 夯土墙开裂毁损

图26 夯土墙房屋震害

在四川采用料石砌体承重的房屋极少，部分地区尚有采用毛石砌体的房屋。毛石砌体以夹层(墙体内外表面整齐，中间填泥砂、小石块、杂土)方式和采用泥浆或掺有少量石灰的泥浆砌筑。这种墙体的抗震性能差的主要原因是砌筑浆体材料强度极低和砌筑方式错误所致，在汶川地震中的震害极为严重。鉴于毛石尚有一定的强度的情况，规程规定在6度、7度可建单层毛石砌体房屋，毛石砌体应采用强度等级不低于M2.5砂浆满浆砌筑，不应采用干垫片填浆和夹层的砌筑方式。该规程针对实际做法，规定纵横墙交接处应设置拉结石(图27、图28)；在房屋四大角、大房间的四角应设置构造柱；檐口处设置圈梁等等抗震措施。